链条输送机控制系统的研发.docx
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链条输送机控制系统的研发
一、设计题目
链式输送机的机电控制系统研究报告
二、简介
1、链式输送机的机械原理，特点，工作特性，分类，典型装置及控制软硬件介绍等的概述。
2、链式输送机的转向装置概述，具体控制原理及配件选型，发展方向的介绍。
三、设计报告要求
1.对链式输送机的整体概况，结构特征等给予清晰介绍；
2．实现箱体输送及转向的自动化问题，因为一般输送机都是直线传动，要实现90度转向，必须设计一种转向装置以及控制系统，这对企业生产的自动化、输送机的应用范围有着十分重要的意义。
3．概况总结的控制技术及研究现状，存在的问题以及发展方向；
四、设计报告工作量
毕业设计过程报告1份。
五、设计报告的内容和步骤
1、熟悉任务书，明确需要重点搜集的资料和学习的理论。
2、通过分析研究资料，对链式输送机的机电控制理论和应用体系做一个总结。
六、答辩
（1）作好答辩准备（概述自己设计报告的思路和过程，各个元件的作用及机械控制思路）；
（2）参加答辩（包括个人陈述和答辩组老师提问）。
内容提要
本次毕业设计是关于箱体输送及转向系统的设计，主要任务是设计链式输送机和转向装置。
课题主要包括以下内容：
第一步首先对链式输送机作了简单的概述，介绍了链式输送机的特点以及发展趋势；接着分析了链式输送机的选型原则及计算方法；然后根据这些设计准则与计算选型方法按照给定参数要求进行选型设计。
第二步首先对转向装置作了简单概述，接着对顶升位移装置进行了结构设计，并按照给定参数进行了选型设计。
第三步利用PLC可编程控制器将链式输送机和顶升位移转向装置进行有机结合，最终完成箱体输送及转向系统的设计。
首先简单对PLC可编程控制器作了简单概述并介绍了它的选型原则，接着选择型号，绘制了控制原理图。
本次带式输送机设计代表了设计的一般过程,对今后的选型设计工作有一定的参考价值。
关键词：
链式输送机转向装置可编程控制器
1引言3
2链式输送机概述3
链式输送机的应用3
链式输送机的分类4
链式输送机的特点4
链式输送机的发展趋势4
链式输送机的工作原理5
3系统总体方案确定5
4链式输送机的设计计算6
已知原始数据及工作条件6
链条设计7
电动机的选型8
链条计算9
链轮方案设计10
张紧装置10
5转向装置概述15
6转向装置设计15
电机的选型15
辊子的选型16
气缸的选型17
7控制技术17
PLC概述17
PLC的选型原则18
8系统其余部件的选型21
光电开关21
杯脚22
结论22
参考文献23
箱体输送及转向系统设计
1引言
输送机是在一定的线路上连续输送物料的物料搬运机械，又称连续输送机。
输送机可进行水平、倾斜和垂直输送，也可组成空间输送线路，输送线路一般是固定的。
输送机输送能力大，运距长，还可在输送过程中同时完成若干工艺操作，所以应用十分广泛。
[1]
链式输送机是利用链条牵引、承载，或由链条上安装的板条、金属网带、辊道等承载物料的输送机。
本课题就是实现箱体输送及转向的自动化问题，因为一般输送机都是直线传动，要实现90度转向，必须设计一种转向装置以及控制系统，这对企业生产的自动化、输送机的应用范围有着十分重要的意义。
选择链式输送机这种通用机械的设计作为毕业设计的选题，能培养我们独立解决工程实际问题的能力，通过这次毕业设计是对所学基本理论和专业知识的一次综合运用，也使我们的设计、计算和绘图能力都得到了全面的训练。
2链式输送机概述
2．1链式输送机的应用
链式输送机是连续运输机的一种，连续运输机是固定式或运移式起重运输机中主要类型之一，其运输特点是形成装载点到装载点之间的连续物料流，靠连续物料流的整体运动来完成物流从装载点到卸载点的输送。
在工业、农业、交通等各企业中，连续运输机是生产过程中组成有节奏的流水作业运输线不可缺少的组成部分。
[2,3]
连续运输机可分为：
1．具有挠性牵引物件的输送机，如带式输送机，板式输送机，刮板输送机，斗式输送机、自动扶梯及架空索道等；
2．不具有挠性牵引物件的输送机，如螺旋输送机、振动输送机等；
3．管道输送机（流体输送），如气力输送装置和液力输送管道。
其中链式输送机应用十分广泛，链式输送机运行可靠，输送量大，输送距离长，维护简便，适应于冶金煤炭，机械电力，轻工，建材，粮食等各个部门。
带式输送机的分类
据链条上安装的承载面的不同，可分：
链条式/链板式/链网式/板条式/链斗式/托盘式/台车式，此外，也常与其他输送机、升降装置等组成各种功能的生产线。
链式输送机的特点
1.输送能力大，高效的输送机允许在较小空间内输送大量物料。
2.输送能耗低，借助物料的内摩擦力，变推动物料为拉动，使其与螺旋输送机相比节电50%。
3.密封和安全，全密封的机壳使粉尘无缝可钻，操作安全，运行可靠。
4.使用寿命长，用合金钢材经先进的热处理手段加工而成的输送链，其正常寿命＞5年，链上的滚子寿命（根据不同物料）≥2~3年。
5.工艺布置灵活，可高架、地面或地坑布置，可水平或爬坡（≤15°）安装，也可同机水平加爬坡安装，可多点进出料。
6.使用费用低，节电且耐用，维修少，费用低（约为螺旋机的1/10），能确保主机的正常运转，以增加产出、降低消耗、提高效益。
7.系列齐全，FU系列有和FU700等各种型号，并均可提供两种型式的双向输送。
链式输送机的发展趋势
自欧洲文艺复兴时代伟大的科学家达·芬奇提出链条基本结构的设想以来，链条的发展已经经历了500年。
在此期间，许多科学家根据应用状况对链条的结构形式进行了改进和创新。
诸如，法国的伽尔发明了销轴链，英国的司莱泰发明了无套筒滚子链，几乎同时搭扣链也问世。
特别是1880年，英国的汉斯·雷诺在无套筒滚子链的基础上，改进设计出了如今仍然广泛应用的滚子链，不久以后，他又发明了齿形链，由于耐磨性等发面的原因，齿形链没有像滚子链一样得到广泛的应用。
尽管如此，50多年以前，美国摩斯链条公司通过改进铰链的结构型式，开发出了使用于高速重载的高速齿轮链。
近100多年以来，随着工业化生产的迅速发展，派生出了各种各样的不同结构型式和制造工艺的链式输送机，用以满足机械化生产的需要。
它的主要发展趋势为：
1.继续向大型化发展。
大型化包括大输送能力、大单机长度和大输送倾角等几个方面。
水力输送装置的长度已达440公里以上。
不少国家正在探索长距离、大运量连续输送物料的更完善的输送机结构。
2.扩大输送机的使用范围。
发展能在高温、低温条件下、有腐蚀性、放射性、易燃性物质的环境中工作的，以及能输送炽热、易爆、易结团、粘性的物料的输送机。
3.使输送机的构造满足物料搬运系统自动化控制对单机提出的要求。
如邮局所用的自动分拣包裹的小车式输送机应能满足分拣动作的要求等。
[4]
4.降低能量消耗以节约能源，已成为输送技术领域内科研工作的一个重要方面。
已将1吨物料输送1公里所消耗的能量作为输送机选型的重要指标之一。
5.减少各种输送机在作业时所产生的粉尘、噪声和排放的废气。
链式输送机的工作原理
链式输送机其主要部件是链条，兼做牵引机构和承载机构。
[5]链式输送机主要包括一下几个部分：
链条、链轮、托棍及中间架、张紧装置和机架等。
链条绕经传动链轮和机尾换向链轮形成一个无极的环形链。
链条的上、下两部分都支撑在托辊上。
张紧装置使链条张紧以免发生跳齿。
工作室，传动链轮带动链条移动。
物料从装载点装到链条上上，形成连续运动的物流，在卸载点卸载。
3系统总体方案确定
经过分析，本课题主要完成两个方面的设计，一是链式输送机设计，用来输送箱体，二是转向装置设计，用来实现箱体的90度转向。
最后将两者通过控制技术有机结合起来，从而完成箱体输送及转向系统设计。
系统的工作流程见图3-1
图3-1系统工作流程
因此，在接下来的任务中要分别完成链式输送机和转向装置的设计，最后再通过PLC控制将两者结合。
在本次设计中，需要完成的是：
1.设计箱体输送及转向系统机械系统整体方案；
2.完成各传动件、气动件选型，设计箱体转向机构结构；
3.设计各动作行程检测及限位保护系统结构；
4.设计控制系统原理图；
5.编写完成毕业设计说明书一份；
4链式输送机的设计计算
已知原始数据及工作条件
1.输送机为带耳链条式传送，链条中心距300mm，链条加装小托板，托板宽76mm
2.工作面长度为3000mm，宽度为470mm，工作面高度800±50mm可调；
3.运动速度15m/min，间歇运动；
4.两侧设导向杆，间距360mm～470mm可调，高度100±20mm；
5.实际载荷80kg，预留足够安全系数。
6.三相交流电动机驱动。
7.箱体自动输送机末端设有顶升移位转角机构一套，采用挂胶滚筒。
前四个滚筒为主动，运动速度15m/min。
链条设计
链条的选型
用于传动的链有四种:
短节距精密滚子链（简称滚子链）、短节距精密套筒链（简称套筒链）、齿性链和成形链。
其中广泛应用的是滚子链。
[6]本论文选择滚子链。
滚子链最重要的一个参数是节距，链条节距的选择应基于以下原则:
1.要使传动结构紧凑，寿命长，应尽量选取较小的单排链。
2.链速高、传动的功率大，应选用小节距的多排链。
3.从经济上考虑，中心距小，传动比大的传动，应选用小节距的多排链。
4.低速、重载、中心距大、传动比小的传动、可选大节距链。
综合考虑，本论文选取A系列节距为的单排滚子链。
滚子链一般由内链板、外链板、销轴、套筒、滚子组成。
滚子链的销轴与外链板、套筒与内链板分别用过盈配合连接，滚子与套筒、套筒与销轴之间为间隙配合，构成了铰链连接，使链条成为中间挠性件，当内外链板相对挠曲时，套筒可绕销轴自由转动，滚子活套在套筒上以减轻链条与链轮齿廓的磨损。
[7]滚子链现已标准化，根据一83，节距为的10A链节具体参数如表4-1所示。
表4-1链节基本参数（长度单位:
mm）
链号
节距
排距
滚子外径
内链节内宽
销轴直径
内链节外宽
外链节内宽
销轴长度
内链板高度
外链板高度
10A
具体选用取10A-K1OJn103D双侧弯板链，外形见图4-1
确定润滑方式
查《现代机械传动手册》，按10A与链速为s，确定为人工定期润滑
电动机的选型
由已知条件可知，链条运动速度为
=15m/min=s,载荷M=80kg
而链条平均速度：
由于链节数最好选偶数,考虑磨损均匀,链轮齿数应取与链节数互为质数的奇数,并优先:
17,19,21,23,25,38,57,76,95,114，根据
可以看出，在d一定的情况下，减少z将使p增大，这会造成:
多边形效应的增大，使传动平稳性降低;动载荷加大;铰链及链条与链轮的磨损增大，因此链轮齿数不能太少，在本论文中链轮齿数定为z=25
节距p=
计算链轮直径
=
计算可得n1=n2=min
计算功率
=
Pc=Pf1f2f1为工况系数f2为齿数系数
查《现代机械传动手册》可知主动机械和从动机械都为平稳传动，
f1=f2=1
则Pc=
考虑到电机启动制动频繁，以及安全系数及转速，选用RF47系列斜齿轮硬齿面减速机，其参数见表4-2
表4-2系列斜齿轮硬齿面减速机参数
减速机型号
输出转速r/min
输出转矩
Nm
传动比
i
级数
输入功率
Kw
重量
Kg
RF47
38
131
4
10
链条计算
链长计算
图4-2链条中心距
计算可得a==
=节
圆整为
=386节
链传动的链节数一般为偶数，这是基于以下方面考虑的:
滚子链有三种接头方式，当链节数为偶数时且节距较大时，接头处可用开口销固定，节距较小时，接头处可以用弹簧锁片来固定;当链节数为奇数时，接头处必须采用过渡链节连接，由于过渡链节的链板要承受弯曲应力，强度仅为正常链节的80%左右，所以要尽量避免采用奇数链节的链。
中心距精确计算
理论中心距：
=
实际中心距：
a’=a–Δa，因有垂度，一般Δa=，故a’=
查《现代机械传动手册》链条单位质量q=1kg/m，M=Lq=
=，与电机额定功率相比影响很小
链传动的链节数一般为偶数，这是基于以下方面考虑的:
滚子链有三种接头方式，当链节数为偶数时且节距较大时，接头处可用开口销固定，节距较小时，接头处可以用弹簧锁片来固定;当链节数为奇数时，接头处必须采用过渡链节连接，由于过渡链节的链板要承受弯曲应力，强度仅为正常链节的80%左右，所以要尽量避免采用奇数链节的链。
链轮方案设计
链轮方案设计需要确定链轮的类型、链轮的结构型式、链轮参数和齿型。
链轮类型的确定
链轮是与链条相配而使用的，大部分情况下链轮是为链条服务的。
在工程应用中其主要用途为传动、输送与传力三种，其基本功能是用来传递转矩。
链轮是与链条相啮合而工作的，因此链轮齿形很大程度上取决于相配用链条的结构。
由于链条己经确定为滚子链，所以链轮的类型确定为滚子链链轮。
结构型式的确定
常用的链轮结构有四种:
整体式、孔板式、焊接式、螺栓连接式。
小直径的链轮可制成整体式;中等尺寸的链轮可制成腹板式或孔板式;大直径的链轮常采用齿圈可以更换的组合式，齿圈可以焊接或用螺栓连接在轮芯上。
此次选用小直径的链轮，所以链轮的结构确定为整体式的。
齿型的确定
本文选取目前较流行的三圆弧一直线的齿形如图4-3。
图4-3三圆弧一直线齿形
链轮基本参数
表4-3链轮基本参数
名称
代号
计算公式
分度圆直径
d
=
齿顶圆直径
=d+=
分度圆弦齿高
=+z）=
齿根圆直径
=d-d1=
齿侧凸缘直径
pcot（180/z）
轮鷇厚度
h
h=K+
/6+=
轮鷇长度
l
l==30mm
轮鷇直径
=
+2h=
齿宽
==
张紧装置
张紧装置的作用
张紧装置的作用是：
为了避免链条的松边垂度过大时产生的啮合不良和链条振动
现象；同时增加啮合包角，在链传动中加入张紧装置。
张紧装置在使用中应满足的要求
1．布置输送机正常运行时，链条在驱动链轮的分离点具有一定的恒张力，以防链条脱扣。
2．布置输送机在启动和停机时，链条在驱动链轮的分离点具有一定恒张力，比值一般取～（可以通过设计计算不小于启动系数进行确定）。
3．保证链条承载分支和回空分支最小张力处的链条下垂度不应超过标准规定值（GB/T17119－1997，规定：
链条下垂度为两组托辊间距的1/100。
而MT/T467－1996规定为1/50）。
4．补偿链条的塑性伸长和过渡工况下弹性伸缩的变化。
5．在工况过渡过程中，应能将链条中出现的动力效应减至最小限度，以防损坏输送机。
[8]
张紧装置布置时应遵循的原则
链式输送机张紧装置的位置的合理布置，对输送机正常运转、启动和制动，以及张紧装置的设计、性能及成本的影响都十分大，一般情况下张紧装置的布置应遵循以下原则：
为降低张紧装置的成本，使其张紧力最小，一般张紧装置尽可能布置在链条张力最小处。
长运距水平输送机和坡度在5％以下的倾斜输送机，张紧装置一般布置在驱动链轮的空载侧（张力最小处）。
距离较短的输送机和坡度在6％以上的倾斜输送机张紧装置一般布置在输送机机尾，并尽可能将输送机局部链轮作张紧链轮。
张紧装置的布置位置还要考虑输送机的具体安装布置形式，使张紧装置便于安装、维护。
⑴螺旋式张紧装置
螺旋式张紧装置如图所示，张紧滚筒的轴承座安装在带有螺母的滑动架上，滑动架可在尾架的导轨上移动。
它利用人力旋转螺杆来调节链条的张力。
螺旋式张紧装置的结构简单紧凑，但是张紧力的大小不易掌握，工作过程中不能保持恒定。
一般用于机长小于100m，功率较小的输送机上，可按机长的
选取张紧行程。
图4-4螺旋式张紧装置
1-螺杆2-滚筒3-机架4-可移动的滚筒轴承座
⑵小车重锤式张紧装置
小车重锤式张紧装置结构原理如图所示，其张紧滚筒固定在小车上，通过重锤的重力牵引小车，从而达到张紧链条的作用。
它的结构也较简单，可保持恒定的张紧力，其大小决定于重锤的重量。
小车重锤式张紧装置外形尺寸大、占地多、质量大，适用于长度、功率较大的输送机，尤其是倾斜输送机上。
图4-5小车重锤式张紧装置
1-重锤2-小车3-滑轮组4-绞车
⑶直式张紧装置
垂直式张紧装置是利用重锤重力，使张紧滚筒沿垂直导轨移动产生张紧力。
它能保证链条在各种运动状态下有恒定的牵引力，可以自动补偿链条的伸长，适用于长距离固定式带式输送机。
其缺点是需要有足够的空间放置张紧滚筒、重锤和要保证张紧所需要的行程，因此在空间受限的条件下无法使用。
⑷绳绞筒式张紧装置
利用钢绳缠绕在绞筒上，将链条张紧。
一般绞筒都是经过蜗轮减速器来带动。
综合考虑，本课题链式输送机选用螺旋式张紧装置
在设计中解决跳齿问题
链条传动为具有中间挠性件的啮合传动，从理论上讲它有很好的工作可靠性。
但是，在实际使用过程中，当不能保证它们的正常啮合条件时，会出现跳齿与掉链现象。
跳齿瞬间，链传动的从动轮会出现丢速，并且伴有剧烈的冲击与振动。
所以，跳齿的发生会严重的破坏链传动的传动质量，并损坏传动链条[9]。
为了避免跳齿，在设计时，我们应该采取以下措施：
①合理的设计张紧装置。
设计链传动时，应认真考虑张紧装置的设计，使传动链轮在最大教荷下工作时，保证松边张力仍可维持平衡点处在围齿区间内。
张紧装置设计的具体内容，包括合理地确定张紧量，链条磨损伸长后的补偿，以及安放位置等。
②正确选择链论齿数与中心距。
选择齿数与中心合距时，要考虑保证围齿区间内有足够多的轮齿参加工作，使平衡点不容易完全移到围齿区外。
在设计多轴传动的链传动时，这一因素更是重要。
③正确确定松边垂度。
从不发生跳齿的角度确定松边垂度，应该保证链条松边实际长度比理论长度小于一个链节距，这对小节距长中心距的传动十分重要。
因为在这种情况下，每个链条铰链磨损量的累积，容易使松边实际长度增加到比理论长度超过一个链节距。
④限制链轮最大啮合作用角。
如果限于空间尺寸无法安装张紧装置及增大围链齿数时，防止跳齿有效的措施是设计非标准的小啮合作用角链轮。
只要啮合作用角小于摩擦角，滚子的向外移动就不会出现，从而也不会出现跳齿。
5转向装置概述
本课题要求系统实现90度转向，在实际生产中有多种转向方法：
环形辊筒转向、顶升位移转向以及万向球转向等[10]。
但是，环形辊筒转向占地面积啊较大，适合大型物流输送设备；万向球转向对角度控制精度要求较高，综合考虑，本课题采用顶升位移转向装置，其结构件图见图5-1。
图5-1顶升位移装置结构图
当箱体移动到指定位置，气缸推动工作台上升，辊子超过链条托起箱体，通过转动使箱体向右方移动，从而实现90度转向。
该装置结构简单，便于实现，占地面积小，在实际生产中有很广泛的应用。
6转向装置设计
电机的选型
同样选用RF47系列斜齿轮硬齿面减速机
辊子
辊子的选型
因为传动需要，选用塑钢双链传动辊子全扁榫式，外管材质铝合金，外形如图6-1。
图6-1塑钢双链传动辊子全扁榫式外形图
棍子外径D=50，轴芯直径d=12，链条节距p=，齿数z=14，总长L=520
辊子传动链
和辊子相配合，选用08A型滚子链。
表6-1链条参数
名称
型号
a
链条1
08A
44
链条2
08A
38
链条3
08A
44
链条4
08A
56
链条5
08A
56
气缸的选型
估算重量
钢板尺寸约为600*400*15，密度为785kg/m3
电机重量10kg
工作载荷80kg
其余部件约为20kg
总重约为35+10+80+20=145kg
在工作压力5kg的条件下，缸径63的推拉力为155kg，可满足要求，但是一般选择都大一个型号，保证在压力下降时的安全，所以气缸选择缸径为80，行程为100mm的SC型气缸，具体型号为SC_SU-80-FA，外形尺寸见图6-2
图6-2气缸外形尺寸图
7控制技术
PLC概述
可编程逻辑控制器（PLC）是20世纪80年代发展起来的新一代工业控制装置,是自动控制、计算机和通信技术相结合的产物,是一种专门用于工业生产过程控制的现场设备。
[11]目前,PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场,为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。
主要原因在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案,适合于当前工业企业对自动化的需要。
PLC之所以得到迅速的发展和越来越广泛的应用，是因为它具有一些良好的特点①PLC集三电（电控、电仪、电传）于一体，实现三电一体化;②PLC的输入/输出系统完善，性能可靠，能够适应于各种形式和性质的开关量和模拟量信号的输出和输入，在PLC内部具备计数器、中间继电器等的许多控制功能，而且还具有良好的联网通信功能;③PLC的硬件结构全部采用模块化结构，安装方便、接线简单，而且可以通过不同的模块组合，适应不同规模、功能复杂程度的各种控制要求;④PLC能直观地反映现场信号的变化状态和控制系统的运行状态，非常有利于系统的维护和监控，PLC可采用梯形图编程和语句编程多种方式，给编程人员带来了极大的方便;⑤PLC性能稳定，可靠性高，且具有较高的性能/价格比。
[12]
PLC的选型原则
目前市场上的PLC产品众多，除国产品牌外，国外有:
日本的OMRONC40/C60、MITSUBISHI、FUJJF50、PanasonicFP，德国的SIEMENS57-300/400，韩国的LG等。
近几年，PLC产品的价格有较大的下降，其性价比越来越高，这是众多自动化工程技术人员选用PLC的重要原因。
[13]PLC的选型应注意以下方面:
控制系统规模的确定
l）一般依据工厂生产工艺流程确定，单机或者小规模生产过程，控制过程主要是条件、顺序控制，以开关量为主，FO点数小于128点;建议选用微型PLC，如C40/C60、F50、57-200等。
2）如果生产过程是复杂逻辑控制和闭环控制，应该选用具有模拟量控制、PID控制等功能的PLC，FO点数在128-512点之间;建议选用中档PLC，如0MR0NC2000，SIEMENS57-300等。
3）如果生产过程是大规模过程控制、DCS系统和工厂自动化网络控制，应该选用具有通信联网、智能控制、数据库、中断控制、函数运算的高档PLC，FO点数在512点以上;建议选用高档PLC，如oMRONeZ000H，sIEMENs57-400等，再和工业现场总线Profibus结合实现工厂工业网络的无缝通讯和完美控制。
编程方法的确定
l）一般的手持编程器编程。
它只能用商家规定语句表中的语句表（STL）编程。
这种方式效率低，但对于系统容量小，用量小的产品比较适宜，并且体积小，易于现场调试，造价也较低，这主要用于微型PLC，如三菱机电Fl-40MR的编程器（F1-20PE）。
2）图形编程器编程。
该编程器采用梯形图（LAD）编程，方便直观，一般的电气人员短期内就可应用自如，但该编程器价格较高，主要用于微型PLC和中档PLC，如FUJIF50、OMRONC40/60的编程器。
3）个人计算机或兼容机加PLC软件包编程
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