小型件自動裝箱系統(tǒng)設計【含10張CAD圖紙+PDF圖】
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徐州工程學院畢業(yè)設計(論文)
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摘要
本文主要設計了一種以AT89S51單片機為核心的產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng)，能夠對自動化生產(chǎn)流水線上的產(chǎn)品進行精確的計數(shù)和裝箱。主體部分采用兩條傳送帶，一條是包裝箱傳送帶，另一條是產(chǎn)品傳送帶。對產(chǎn)品計數(shù)采用光電傳感器，并與單片機AT89S51接口，再通過單片機對交流電機的控制，實現(xiàn)產(chǎn)品的自動裝箱。本設計的內容分為兩部分：物品傳動皮帶機構設計，單片機控制電路設計。其中物品傳動皮帶機構與帶式輸送機的結構相似，該帶式輸送裝置由輸送帶，托輥，驅動裝置，拉緊裝置等組成。而單片機控制部分主要分析了單片機與光電傳感器協(xié)同工作和數(shù)據(jù)處理等方面。通過單片機對電動機等各機械部分的控制來實現(xiàn)系統(tǒng)要求，從而達到自動化生產(chǎn)的水平。
關鍵詞 自動裝箱；單片機；光電檢測；輸送裝置
Abstract
This paper has mainly designed an automatic packing control system for products. The core is monolithic computer of AT89S51. It carries on the precise counting and packing for the products on the automation process line. The main part uses two conveyor belts. One is package conveyor belt, and the other is product conveyor belt. The photoelectric sensor is used for the product counting and connects with the monolithic computer of AT89S51. The monolithic computer controls the motor. At last it realizes the automatic packing. This design divides into two parts. One is the design of goods transmission belt, and the other is the design of circuit control of monolithic computer. The goods transmission belt is similar to the belt conveyor's structure, this conveyor belt is installed by the conveyor belt, the supporting roller, the drive, the tightening device and so on. The joint operation between monolithic computer and photoelectric sensor has been analyzed in the section of circuit control. The data processing also has been analyzed. We can achieve the requirements of system through the control on mechanical part, the motor and so on, thus reach the level of producing in automation.
Keywords automatic packing monolithic computer electro-optic examination transportation equipment
52
徐州工程學院畢業(yè)設計(論文)
目 錄
1 緒論 1
1.1 背景介紹 1
1.2 方案確定 1
1.3 設計方案綜述 2
2 帶式輸送裝置設計 3
2.1帶式輸送裝置的結構與應用 3
2.2 輸送帶的選擇與計算 3
2.2.1 輸送帶的確定 4
2.2.2 輸送帶寬度的選擇 4
2.2.3 輸送帶運行速度的選擇 4
2.2.4 輸送帶接頭的選擇 5
2.3 托輥的選擇 5
2.4滾筒的選擇 6
2.5輸送帶牽引力計算 7
2.5.1 輸送帶的運動阻力和有效載荷 7
2.5.2 輸送帶的牽引力 11
2.6帶的強度校核 12
2.7 驅動裝置的設計與計算 12
2.7.1電動機的選擇計算 13
2.7.2 減速器的選型 14
2.7.3 聯(lián)軸器的選擇 15
2.8 拉緊裝置的選擇 15
3 單片機控制電路設計 17
3.1 單片機控制系統(tǒng)的控制要求 17
3.2 光電檢測裝置的設計 17
3.2.1光電傳感器的基本原理 18
3.2.2 傳感器的選擇 19
3.2.3 傳感器的位置確定 19
3.3 單片機控制系統(tǒng)的設計 20
3.3.1 單片機的概述 20
3.3.2 單片機的應用 20
3.3.3 單片機的發(fā)展趨勢 21
3.3.4 AT89S51單片機的基本結構 21
3.3.5 AT89S51單片機的主要引腳及功能 23
3.3.6 存儲器和I/O接口電路 25
3.3.7 復位操作及復位電路 25
3.3.8 時鐘電路 26
3.3.9 單片機控制的過程極其流程圖 26
3.3.10主程序的設計 28
4 輔助設備的設計 31
4.1 驅動頭架的尺寸確定 31
4.2 拉緊尾架的尺寸確定 31
4.3中間架的尺寸確定 31
4.4 傳料板的尺寸確定 31
結論 32
致謝 33
參考文獻 34
附錄 35
附錄1 35
附錄2 46
1 緒論
1.1 背景介紹
在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要對產(chǎn)品進行計數(shù)、裝箱。如果用人工不但麻煩，而且效率低、勞動強度大。隨著微機控制的普及，特別是單片機的應用，給自動裝箱系統(tǒng)的設計帶來了極大的方便。近年來，包裝生產(chǎn)線的自動化、電子監(jiān)測和控制系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展，使的包裝企業(yè)以高速度、較少的停機時間和包裝故障，以及產(chǎn)品損耗減少、工傷和老毛病降低等優(yōu)點而獲得出色的成績。2002年11月3至7日在芝加哥舉行的國際PACK EXPO上，我們可以看到多家自動化公司展示的最新的包裝設備和新技術。這些經(jīng)濟實用的自動化技術將會成為未來的發(fā)展力量，可見自動裝箱技術的應用前景十分廣闊。在中國，自動化技術還未成熟，還需要長時間的發(fā)展，所以將會有很大的空間來發(fā)展此技術。這也是未來的發(fā)展方向和趨勢。中國的經(jīng)濟高速度發(fā)展也需要這項技術來促進和加速，相信在自動化技術成熟以后，中國的經(jīng)濟也將有飛躍性的進步。當前中國的經(jīng)濟發(fā)展格局也是非常的需要高技術來支持。這樣中才會有穩(wěn)定的發(fā)展狀態(tài)。向西部發(fā)展的經(jīng)濟戰(zhàn)略思想必然需要有高技術隨之轉移，生產(chǎn)也將需要自動化技術的支持，這樣發(fā)展高技術自動化也就是必然的趨勢
通過此題目的設計可以把大學四年所學的專業(yè)知識融會貫通于實際并能鍛煉獨立思考的能力,努力發(fā)展成未來的技術骨干，為中國的發(fā)展貢獻一份力量，也使得我們能適應未來中國以及世界自動化技術的發(fā)展趨勢。
1.2 方案確定
根據(jù)工況以及本設計的要求，確定以下方案：
托輥：選用平行上下托輥。
滾筒：本設計運送的產(chǎn)品較輕，載荷不大，所需的功率也不大，所以選用光面滾筒，鋼板焊接。
驅動裝置：根據(jù)工況以及設計要求，考慮成本，本設計選擇電機-減速器作為整個方案的驅動裝置，由電機通過聯(lián)軸器、減速器帶動傳動滾筒轉動。
拉緊裝置：本設計輸送裝置長度較短，比較各種拉緊裝置，選用螺旋拉緊裝置。選取500mm的拉緊行程。
單片機：選用AT89S51單片機，是一種低功耗、具有在線編程Flash程序存儲器的單片機。
1.3 設計方案綜述
此自動裝箱系統(tǒng)利用傳感器檢測產(chǎn)品，并與單片機接口，輸出的開關信號來驅動電動機，經(jīng)過減速器減速，再帶動傳動滾筒，實現(xiàn)傳送帶的傳送。兩個檢測裝置分別檢測包裝箱是否到位和產(chǎn)品數(shù)量以控制相應電動機的啟、停，從而帶動相應傳送帶傳送，最終實現(xiàn)精確計數(shù)，自動裝箱。
設計意義：此自動裝箱系統(tǒng)從原料到包裝實現(xiàn)了自動化，解決了手工裝箱慢、容易計數(shù)出錯等問題。該方法技術可靠，成本較低，可大大提高工效，減輕工人勞動強度以及減少產(chǎn)品損耗、工傷事故等?？蓱糜谑雏}、味精、洗衣粉、醫(yī)藥化工、農(nóng)藥、飼料等的自動裝箱。
2 帶式輸送裝置設計
2.1帶式輸送裝置的結構與應用
帶式輸送裝置是一種廣泛應用的連續(xù)輸送裝置。工作原理是：由撓性輸送帶作為物料承載件和牽引件的連續(xù)輸送設備，根據(jù)摩擦傳動的原理，由傳動滾筒帶動輸送帶進行物料的傳遞與運輸。它結構簡單，工作可靠，造價低廉，適用性強。特別對工作節(jié)拍沒有嚴格要求、比較干燥的生產(chǎn)場所，可用于柔性或半柔性的自動包裝線，輸送帶、盒、箱等產(chǎn)品或散粒、塊狀產(chǎn)品。帶式輸送裝置一般由傳動滾筒，改向滾筒，輸送帶，托輥，拉緊裝置等組成。如下圖2-1所示為輸送裝置原理圖。撓性輸送帶2繞在上、下托輥之上，由傳動滾筒驅動，拉緊裝置6用于調節(jié)輸送帶的拉緊力，以保持輸送帶的輸送能力。傳動滾筒驅動輸送帶的能力與輸送帶在傳動滾筒上的包角大小有關，包角大時傳動能力大，而改向滾筒就用于增大傳動包角。帶式輸送裝置的各輥軸軸承都采用滾動軸承，以減小運轉中的摩擦阻力和功率消耗。
圖2-1 輸送裝置原理圖
1-改向滾筒；2-輸送帶；3-上托輥；4-傳動滾筒；5-下托輥；6-拉緊裝置
2.2 輸送帶的選擇與計算
輸送帶是帶式輸送機的牽引構件及承載構件，用于輸送物料和傳遞動力， 是帶式輸送機的重要組成部分，約占帶式輸送機總成本的30%～40%左右。它貫穿輸送機的全長，在設備檢修中占很大比重。同時，輸送帶在帶式輸送機中既是貨物的承載機構，又是帶式輸送機的牽引機構，因此，不僅需要足夠的強度，而且還應具有耐磨、耐腐蝕的要求。輸送帶選擇的合理與否直接影響帶式輸送機的投資、運行成本，更為重要的是將直接影響輸送機的可靠、安全運行。
2.2.1 輸送帶的確定
輸送帶結構型式分為織物心輸送帶和鋼絲繩心輸送帶，由上覆蓋膠、心層、下覆蓋膠組成，上、下覆蓋膠的作用是保護心層不受損壞和不受周圍工作環(huán)境的影響。心層材料有棉帆布、尼龍帆布、聚酯帆布和鋼絲繩。織物心層輸送帶可根據(jù)拉力大小選取層數(shù)，棉帆布心輸送帶層數(shù)為3-8 層，尼龍帆布心輸送帶層數(shù)為2-6 層，聚酯帆布心輸送帶層數(shù)為3-6 層，當達到最大層數(shù)仍不能滿足拉力要求時，采用鋼絲繩心輸送帶。自動包裝機所用帶式輸送裝置多為輕型或特輕載荷類型，要求傳送帶結構緊湊、輕巧。根據(jù)輸送機類型、結構以及工況，考慮經(jīng)濟成本，此設計的輸送帶心層材料選用4層的棉帆布帶。
2.2.2 輸送帶寬度的選擇
輸送成件物品的輸送帶，按所輸送的最大物件的對角線長度，再加約100mm余量約定所需要的輸送帶寬度，見圖2-2所示，再根據(jù)標準帶寬考慮到運輸?shù)陌b箱不大，選取寬度為500mm。此時要求包裝箱的對角線長度A不宜大于400mm。因為包裝箱傳送帶所承受的重量大于產(chǎn)品傳送帶，所以下面選擇計算包裝箱傳送帶，產(chǎn)品傳送帶的各參數(shù)可與其相同。
圖2-2輸送帶寬
2.2.3 輸送帶運行速度的選擇
輸送帶運行速度是輸送機設計計算的重要參數(shù)，在輸送量一定時，適當提高帶速，可減少帶寬。對水平安裝的輸送機，可選擇較高的帶速，輸送傾角越大帶速應偏低，向上輸送時帶速可適當高些，向下輸送時帶速應低些。
輸送成品件時的產(chǎn)品輸送帶速度見式（2.1）
式（2.1）
式中 ——輸送帶速度，m/s，包裝線上輸送塊狀物件取值常小于1.25m/s；
——每秒鐘輸送成件物品的件數(shù)，此處n=5件；
——輸送帶上成件物品節(jié)距，等于物品長度與兩件之間的間距之和，此處；
所以,產(chǎn)品輸送帶速度,包箱輸送帶可選用與此同樣的速
度為1m/s。
2.2.4 輸送帶接頭的選擇
帶式輸送機輸送帶的接頭有搭鉚接，皮帶扣連接，硫化膠粘接及化學膠粘接等方式。不同的連接方式接頭效率不同。橡膠帆布帶以優(yōu)質硫化粘接最好，一般硫化粘接次之，皮帶扣連接再次，搭接鉚接最差。接頭效率等于接頭處最大破壞強度與輸送帶的極限強度的比值。為了此傳送帶有足夠長的使用壽命，選用優(yōu)質硫化粘接。
2.3 托輥的選擇
托輥是用于支承輸送帶及輸送帶上所承載的物品，保證輸送帶穩(wěn)定運行的裝置。它是整個輸送裝置中的重要部件, 使用數(shù)量多, 形式多樣, 價格昂貴。托輥選擇是否合理,影響帶式輸送機的使用、維修, 更會影響帶式輸送機使用壽命。托輥可分為：承載托輥、回程托輥。其中承載托輥分為：槽形托輥、緩沖托輥、調心托輥、平行上托輥等?；爻掏休伩煞譃椋浩叫邢峦休仭⒙菪休?、V形托輥等。
托輥輥子的直徑與輸送機帶寬、帶速和承載能力有關系, 與輸送機長度和傾角無關。托輥直徑與帶寬的關系托輥輥徑與長度應符合《GB/T99021991帶式輸送機托輥基本參數(shù)與尺寸》的規(guī)定, 見表2-1（單位mm）。
表2-1托輥直徑與帶寬的關系
托輥直徑 500 650 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
63.5 √
76 √ √
89 √ √ √
108 √ √ √ √ √
133 √ √ √ √ √ √ √
159 √ √ √ √ √ √ √ √
194 √ √ √ √ √
219 √ √
在確定帶速的情況下, 托輥輥子的轉速不能太大。在同樣壽命情況下, 轉速大, 使用時間就短,轉速小, 使用時間就長。但輥子的直徑不能太大,輥子直徑太大, 整個輸送機不配套, 初期投資成本就高。一般規(guī)定: 輥子的轉速不能超過600r/min。托輥直徑與輸送機帶速的關系見表2-2。
表2-2 托輥輥徑與帶速、轉速的關系（r/min）
輥徑(mm) 0.8 1.0 1.25 1.6 2.0 2.5 3.15 4.0 5.0 6.5
89 172 215 268 344 429 537
108 142 177 221 283 354 442 557
133 144 180 230 287 359 453 575
159 120 150 192 240 300 379 481 601
194 123 158 197 246 310 394 492
219 275 349 436 567
已確定輸送帶寬度B=500mm，且?guī)賤=1m/s，再綜合以上情況, 根據(jù)表2-1和表2-2, 選用托輥直徑89mm。因輸送帶承載的載荷并不大，所以分別選擇平行上托輥和平行下托輥為承載托輥和回程托輥。
2.4滾筒的選擇
滾筒分傳動滾筒和改向滾筒。傳動滾筒是傳遞動力的主要部件傳動滾筒根據(jù)承載能力分輕型、中型和重型三種。
輕型：軸承孔徑80-100mm。軸與輪轂為單鍵聯(lián)接的單幅板焊接筒體結構。單向出軸。
中型：軸承孔徑120-180mm。軸與輪轂為脹套聯(lián)接。
重型：軸承孔徑200-220mm。軸與輪轂為脹套聯(lián)接，筒體為鑄焊結構。有單向出軸和雙向出軸兩種。
傳動滾筒是將驅動裝置的動力，通過摩擦力傳遞給輸送帶的部件。通常情況下，根據(jù)軸與輪轂之間的連接方式，傳動滾筒有鋼板焊接結構和鑄焊結構兩種形式。鋼板焊接滾筒軸與輪轂之間采用鍵連接，能承受中小型載荷；鑄焊滾筒軸與輪轂之間采用脹套連接，避免了由于鍵連接而削弱軸的強度，因此這種結構形式的滾筒可承受較大的負荷，且便于安裝和拆卸。滾筒表面有光面和膠面兩種形式，在功率不大，環(huán)境濕度小的情況下，可采用表面摩擦因數(shù)小的光面滾筒；在功率大，環(huán)境又潮濕，容易打滑的情況下采用表面摩擦因數(shù)大的膠面滾筒。膠面的作用是增大傳動滾筒與輸送帶之間的摩擦力。膠面滾筒有鑄膠和包膠兩種工藝型式，鑄膠滾筒膠面厚且耐磨，質量好，但工藝復雜，價格高；包膠滾筒工藝簡單，成本低。膠面滾筒有光膠面、人字型溝槽和菱形溝槽三種型式。當采用人字型溝槽膠面滾筒時，應注意其方向性，人字型尖應朝向滾筒的轉動方向，菱形膠面滾筒用于雙向運輸?shù)妮斔蜋C。用于重要場合的滾筒最好采用硫化橡膠覆面；當有阻燃、隔爆條件要求時，應采用相應措施。此處運送的產(chǎn)品較輕，所需的功率也不大，所以選用光面滾筒。
改向滾筒的作用是改變輸送帶的運行方向或增加輸送帶與傳動滾筒間的圍包角。增加圍包角的作用是增加輸送帶與滾筒間的接觸面，使輸送帶與滾筒間不打滑。改向滾筒包括尾部滾筒、增加傳動滾筒圍包角、增加尾部滾筒圍包角及拉緊裝置處的滾筒。改向滾筒和傳動滾筒一樣有鋼板焊接結構和鑄焊結構兩種形式。滾筒表面有光鋼面和光膠面兩種。除較重要的場合選用光膠面滾筒外，一般采用光鋼面滾筒。
按承載能力改向滾筒又可分輕型、中型和重型；軸承孔徑分為50-100mm，120-180mm及200-260mm，結構與傳動滾筒一致。改向滾筒覆面有裸露光鋼面和平滑膠面兩種。
表2-4 各種帆布帶相對層數(shù)的最小傳動滾筒直徑
型號
3
4
5
6
7
8
CC-56、NN-100
500
500
630
800
1000
1000
NN-150、EP-100
500
500
630
800
NN-120～ NN-300
EP-200～ EP-300
500
630
800
1000
因為選用的棉帆布帶層數(shù)，所以由上表2-4，可選用的滾筒最小滾筒直徑為500mm。
因為該向滾筒的直徑一般比傳動滾筒的直徑小一級，結合下表2-5，可選用帶寬，長度，的滾筒為傳動滾筒，帶寬，長度，的滾筒為改向滾筒。
表2-5 帶寬和滾筒直徑、長度之間的關系
帶寬B （mm）
滾筒長度L（mm）
滾筒直徑D（mm）
500
600
200,250,315,400,500
650
750
200,250,315,400,500,630,800,1000
800
950
200,250,315,400,500,630,800,1000,1250,1400
所選的傳動滾筒和改向滾筒的基本參數(shù)如下表2-6：
表2-6 滾筒基本參數(shù)
滾 筒
帶寬（mm）
直徑D（mm）
軸承 型號
許用合力(KN)
轉動慣量(Kg·m2)
質量(Kg)
圖 號
傳動滾筒
500
500
6316
49
5
250
DTⅡ01A4081
改向滾筒
500
400
6312
40
3
166
DTⅡ01B3052
2.5輸送帶牽引力計算
2.5.1 輸送帶的運動阻力和有效載荷
輸送帶運動時的阻力包括直線區(qū)段、曲線區(qū)段以及一些附屬裝置所產(chǎn)生的局部阻力。
（1）直線區(qū)段
輸送帶在托輥上運動時的阻力包括托輥軸承以及帶與托輥之間的摩擦阻力等。通常由與托輥單位長度壓力所引起的運動阻力來表示，特稱為阻力系數(shù)。其值λ與軸承類型及工作環(huán)境有關， 取長度為L、傾角為β的一段輸送帶，分析其受力狀況，如圖2-3所示。設單位長度內物件、輸送帶和上、下托輥的當量線載荷、、、。即可求出作用在托輥軸承上的總壓力N。
式（2.2）
式（2.3）
式（2.4）
式中 ——包箱重量，此處為250N；
——上托輥重量，由參考文獻[7]查得，此處選為116N；
——下托輥重量，由參考文獻[7]查得，此處為104N；
——包裝箱節(jié)距，此處為1000mm（包裝箱長略小于400mm）；
——上托輥間距，輸送散貨時取1.2m。輸送件貨時，如果單間重量超過200N，則托輥間距應小于件貨輸送方向長度的一半，此處取0.18m；
——下托輥間距，一般取 2～3 米，此處取 3 米。
所以 ：，，，由參考文獻[5]可查得。
圖2-3 輸送帶受力分析
考慮到β角較小，β幾乎為零度，可近似地取
式（2.5）
這樣輸送帶在托輥上運動時所受的摩擦阻力為
式（2.6）
令Sa、Sb分別代表所選區(qū)段內輸送帶主動邊和從動邊的拉力。由圖（2-3）可列出受力平衡方程式
式（2.7）
進而求出該區(qū)段的運動阻力為
式（2.8）
對于松邊來說，因沒有物件承載，QW=0，故主從動邊的拉力差改變?yōu)?
式（2.10）
由參考文獻[5]可查得帶與托輥的運動阻力系數(shù)，接合一般輸送帶長度選擇，這里帶長取12m。
所以, 直線區(qū)段的運動阻力
=0.025×12×(250+57.09+1370)
=503.13N
=0.025×(57.09+34.67) ×12
=27.53N
（2） 曲線區(qū)段
輸送帶饒過主、從動滾筒時也會遇到阻力，它主要由軸承摩擦阻力以及帶本身的剛性阻力組成。
軸承摩擦阻力是通過作用在滾筒上的外力再轉換為對軸承的正壓力而求出的，即
式（2.11）
式中μ——軸承的摩擦系數(shù)，由參考文獻[5]查得，此處為0.015。
如圖2-4所示，作用在滾筒上的外力有，輸送帶饒入端和饒出鍛端的拉力、，以及滾筒的自重；若忽略不計此自重，且近似取=，則作用在滾筒上軸承的合力
式（2.12）
式中 α——滾筒的包角，此處取為180o。
圖2-4滾筒受力分析
若將軸承摩擦阻力折算到滾筒圓周上，則當量阻力為
式（2.13）
式中D、d——分別為滾筒及其軸頸的直徑，此處傳動滾筒分別取500mm，80mm，改向
滾筒分別取400mm，60mm；
輸送帶由于本身彎曲變形和內摩擦效應所產(chǎn)生的運動阻力
式（2.14）
撓性系數(shù)可按下式近似計算
式（2.15）
式中δ——帶的厚度，此處為4.5mm。
因此，帶在曲線區(qū)段運動的總阻力為
式（2.16）
式中 S——帶繞過輪上兩端拉力中取較大者。
曲線區(qū)段2~3的撓性系數(shù)由式（2.15）近式算出：
該區(qū)段的運動阻力由式（2.16）算出，其中S在計算時采用從動滾筒帶繞出段端拉力。
2.5.2 輸送帶的牽引力
由式（2.7）看出，在直線區(qū)段內，輸送帶上a點的拉力Sa應等于另一點Sb的拉力與兩點間的運動阻力之和。對帶的拉力進行逐點計算的分段方法，如圖2-5所示。
圖2-5輸送帶受力分析的分段
以主動滾筒上輸送帶的繞出點1為起始點，以饒入點4為終點，沿帶的工作運轉方向將它分為若干直線和曲線區(qū)段。并設各點拉力：
第1點為：
第2點為：
第3點為：
第4點為：
據(jù)此可求出運輸帶任一點的n的拉力
式（2.17）
進而可求出輸送帶在傳動滾筒上繞出點的拉力與饒入點之間的函數(shù)關系。， ， ，令則式（2.17）改寫為式（2.18）。
式（2.18）
另一方面，在正常運轉過程中，為保證帶的作用力傳遞和不沿滾筒打滑，饒入點和饒出點的拉力還必須滿足由歐拉公式所提出的條件，即
式（2.19）
式中 K——安全系數(shù)，通常取1.2～1.5。
至此，可求出輸送帶的牽引力
式（2.20）
由上述推導可列出如下：
所以，
考慮到滾筒為金屬制件，其工作環(huán)境干燥，由參考文獻[5]可查得，μ=0.25，，再取安全系數(shù)K=1.5，又得
式（2.21）
對以上兩表達示S4=f（S1）聯(lián)立，解出主從動滾筒繞入端和繞出端的拉力為 ：
所以，牽引力。
2.6帶的強度校核
校核帶輸送帶的強度，可用下式（2.22）：
式（2.22）
式中 Z——帶的帆布層數(shù)，此處為4；
B——帶寬，此處為500mm；
—一層1cm寬膠布帶的保證強度，普通橡膠帶（棉布帶芯膠布）通常取560N/cm；
n——安全系數(shù)，查由參考文獻[5]得，此處為8。
——最大拉力，此處。
故說明強度可靠。
2.7 驅動裝置的設計與計算
驅動裝置是用來驅動輸送帶運動，實現(xiàn)物料運送的裝置。其驅動原理是依靠傳動滾筒與輸送帶之間的摩擦力來傳遞動力使帶運動的。驅動裝置由電動機、減速器、聯(lián)軸器、傳動滾筒等組成。如圖2-6為驅動裝置圖。對于傾角較大的上運帶式輸送機還應設有停止器或制動器，以防止電動機斷電后輸送帶在自重及物料重力作用下返回運動。而本設計的帶式輸送裝置傾角較小，幾乎為零，所以可不設置停止器或制動器。
圖2-6 驅動裝置圖
1-電動機；2、4-聯(lián)軸器；3-減速器；5-傳動滾筒
2.7.1電動機的選擇計算
（1）選擇電動機的類型
電動機是常用的原動機，并且是系列化和標準化產(chǎn)品。機械設計中需要根據(jù)工作機的工作情況和運動，動力參數(shù)，合理地選擇電動機類型，結構形式，傳遞的功率和轉速,確定電動機的型號。電動機有交流電動機和直流電動機之分.由于直流電動機需要直流電源，結構較復雜，價格較高，維護比較不方便，因此無特殊要求時不宜采用。工業(yè)上常采用交流電動機。交流電動機有異步電動機和同步電動機兩類，異步電動機又分為籠型和繞線型兩種，其中以普通籠型異步電動機應用最廣泛。而在此自動裝箱系統(tǒng)中，電動機須經(jīng)常啟動、制動，所以要求電動機的轉動慣量小和過載能力大，應選用起重及冶金用三相籠型異步電動機，電壓380V，YZ型。
（1） 選擇電動機的容量
電動機所需工作功率為
式（2.23）
式中 F——輸送帶的牽引力，N；
v——輸送帶的速度，m/s；
——電動機至輸送帶的傳動總功率；
傳動總功率：
式中 ——軸承的傳動效率，此處為0.98；
——蝸桿傳動的傳動效率，此處為0.7；
——連軸器的傳動效率，此處為0.99；
——滾筒的傳動效率，此處為0.96。
所以，
（2） 確定電動機的轉速
滾筒軸工作轉速為
式（2.24）
式中：D——傳動滾筒直徑，此處為500mm；
v——輸送帶帶速，此處為1m/s。
可得。
因為一級蝸桿減速器的傳動比i=10～40，則電動機轉速的可選范圍為：
根據(jù)容量和轉速等，由參考文獻[4]查得，選用電動機型號為YZ112M-6。選用的電動機的技術參數(shù)如表2-7
表2-7 電動機的技術參數(shù)
型號
額定功率（KW）
定子電流（A）
轉 速（r/min）
最大轉矩
堵轉轉矩
堵轉電流
效率（%）
功率因數(shù)
YZ112M-6
1.5
4.25
920
2.0
2.0
4.47
69.5
0.765
2.7.2 減速器的選型
根據(jù)帶速，傳動滾筒直徑和電動機轉速推知減速器的傳動比為：
式（2.25）
由機械手冊查得，蝸桿減速器的結構簡單，尺寸緊湊，效率低，適用于載荷較小。間歇工作的場合。所以這里選用CW型圓弧圓柱蝸桿減速器，它適用于冶金，礦山，起重，運輸，化工，建筑等機械設備的減速傳動。
由下式（2.24），式（2.25）可初步計算減速器的功率
式（2.26）
式（2.27）
式中 ——減速器計算輸入機械功率，Km；
——減速器計算輸入熱功率；
——減速器實際輸入功率；
——工作載荷系數(shù)，由參考文獻[6]查得，此處取為1.25；
——啟動頻率系數(shù)，由參考文獻[6]查得，此處取為1.1；
——小時負荷系數(shù)，由參考文獻[6]得，此處取為0.7；
——環(huán)境溫度系數(shù)，由參考文獻[6]得，此處取為1.14。
所以 ，
由于大于，故按進行選擇。
選擇的減速器的技術參數(shù)如下表2-8
表2-8減速器的技術參數(shù)
型號
高速軸輸入轉矩
額定輸入功率
傳動比
中心距
CW125-25-Ⅱ
1000r/min
5.6 KW
25
125mm
2.7.3 聯(lián)軸器的選擇
考慮到工作現(xiàn)場的空間和減少傳動鏈的原則，該設計直接采用聯(lián)軸器，通過聯(lián)軸器直接把電動機和減速器聯(lián)接，減速器與滾筒聯(lián)接。
動力傳遞過程中，電機轉速相對較大，有一定的振動且頻繁啟動，因此電動機與減速器相連處選用彈性聯(lián)軸器。減速器與滾筒聯(lián)接處轉速低，但有一定載荷，兩軸也不在同一基礎上，有相對偏差，因而選用滑塊聯(lián)軸器。
彈性套柱銷聯(lián)軸器：具有撓性元件，依靠彈性套與半聯(lián)軸器凸緣上圓孔間的間隙以及彈性套的變形,不但具有位移補償能力，而且具有良好的緩沖吸振能力，因此適用于這里啟動頻繁、有沖擊振動的場合。
滑塊聯(lián)軸器：具有徑向位移、角位移補償能力，由于制造、安裝及機器運轉中軸、軸承、支承座等受載荷、溫度的影響而變形，使得被聯(lián)接兩軸在實際中不可能完全對中，兩軸出現(xiàn)徑向位移、角位移等，這時使用的滑塊聯(lián)軸器允許兩軸間有一定的相互位移。
2.8 拉緊裝置的選擇
拉緊裝置給輸送帶一定的初始拉緊力，在運行中始終使輸送帶保持一定的拉緊程度，以免在驅動滾筒上打滑，并使輸送帶在拖輥間的撓度保證在規(guī)定的范圍內。拉緊裝置是帶式輸送機不可缺少的重要組成部分，它的性能好壞直接影響帶式輸送機整體的性能，拉緊裝置的功能主要有以下幾點：
（1）保證帶式輸送機驅動滾筒分離點的足夠張力和驅動裝置依靠摩擦傳動所必須傳遞的摩擦牽引力，以帶動輸送機的正常運轉，防止輸送帶打滑；
（2）保證承載分支最小張力點的必須張力，限制輸送帶在托輥之間的垂度，保證帶式輸送機正常運行；
（3）補償塑性變形與過渡工況時輸送帶伸長量的變化。由于負載變化會引起輸送帶發(fā)生長度變化，蠕變現(xiàn)象也會造成輸送帶伸長，張緊力有變小趨勢，需要拉緊裝置來吸收由蠕變產(chǎn)生的伸長，維持輸送機正常運行所需的最小張緊力；
（4）為輸送帶重新接頭做必要的行程準備。每部帶式輸送機都有若干個接頭，可能在某一時間接頭會出現(xiàn)問題，必須截頭重做，拉緊裝置為帶式輸送機準備了負荷以外的輸送帶，這樣接頭故障就可以通過放松拉緊裝置重新接頭來解決。
常見的拉緊裝置有重力拉緊裝置、螺旋拉緊裝置、固定絞車拉緊裝置、自動拉緊裝置等。各種拉緊裝置的特點如下：3 H' D; Z, {9
（1）0 S+ {/ d3 a( P' x??A% X8 @重力拉緊裝置。重力拉緊裝置是結構最簡單，應用最廣泛的一種拉緊裝置。它是利用重錘來自動拉緊，由于重錘靠自重拉緊，所以它能保證拉緊力在各種工況下保持恒定不變，能自動補償膠帶的伸長。重力拉緊裝置的特點是拉緊力不變，拉緊位移可變，它適用于固定式長距離運輸機，機長500m 以上的中長距離輸送機，需較大的拉緊行程，可將拉緊滾筒小車布置在輸送機下部，通過布置在輸送機一側的重錘拉緊塔架實現(xiàn)重錘拉緊。
（2）螺旋拉緊裝置。螺旋拉緊裝置結構簡單，拉緊行程小，適用于短距離輸送機，此拉緊裝置所需的拉緊力一般通過絲杠手動調整，適用* P: p$ ], F* _6 v于長度80m 以內的短距離輸送機。對輕型物料和輸送量特小的輸送機，可適當延長。根據(jù)輸送帶張力，亦可采用液壓缸作為動力。
（3）" ?* x3 ?) C8 B6 z' K5 Z固定絞車拉緊裝置。固定絞車拉緊裝置是利用小型絞車來拉緊，絞車一般用蝸輪蝸桿減速器帶動卷筒來纏繞鋼繩，從而拉緊膠帶。這種拉緊裝置的優(yōu)點是體積小，拉力大，可用于500m 以上中等長度以上的輸送機。缺點是它只能根據(jù)所需要的拉緊力調定后產(chǎn)生固定的拉緊力，拉緊力不能自動調節(jié)，當絞車和控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，對膠帶機不能產(chǎn)生恒定的拉緊力或拉緊力失效，安全可靠性相對降低。
（4）1 y! P* Q" |; X) m2 {2 @/ B! w2 B2 c/ r自動拉緊裝置。自動拉緊裝置不但能根據(jù)主動滾筒的牽引力來自動調整拉緊力，而且還能補償膠帶的伸長。包括自動式電動絞車或自動式液壓拉緊裝置，可根據(jù)輸送機啟動、運行、制動運行工況的不同要求，自動調整輸送帶拉緊力和響應張緊滾筒的位置變化要求，宜用于布置復雜的大型輸送機。9 _.
% 因為這里的輸送裝置長度為12m，長度較小對照上述拉緊裝置，所以選用螺旋拉緊裝置比較合適。螺旋張緊行程有500mm、800mm、1000mm三種，此處選取500mm的張緊行程，最大拉緊力為9KN。
3 單片機控制電路設計
在傳感器中，很多傳感器能接受輸入信號以開關信號輸出。由于單片機具有位處理功能，所以可以實現(xiàn)開關量的控制。本文設計了一種小型件的自動裝置系統(tǒng)，利用傳感器檢測產(chǎn)品，并與單片機接口，輸出的開關信號控制產(chǎn)品的自動裝箱。
3.1 單片機控制系統(tǒng)的控制要求
該系統(tǒng)總共分成傳動和傳感兩部分，其功能要求是能準確定位包裝箱，準確檢測是否裝滿產(chǎn)品，產(chǎn)品的傳動和包裝箱的轉動能夠自動的調節(jié)，并且可以檢測箱子的個數(shù)。系統(tǒng)中有兩條傳送帶和兩個檢測器（光電傳感器）。傳送1 是包裝箱傳送帶，傳送帶2 是產(chǎn)品傳送帶。信號檢測部分有兩個光電傳感器，光電傳感器1 用來檢測包裝箱是否到位，光電傳感器2 用來產(chǎn)品計數(shù)。傳送帶2 將產(chǎn)品從生產(chǎn)區(qū)傳送到包裝區(qū)，產(chǎn)品到傳送帶2 的末端時，就會掉入包裝箱，同時被檢測器2 （光電傳感器）檢測并計數(shù)。傳送帶1 把滿箱運走，并用空箱代替。為使空箱對準產(chǎn)品，用檢測器1 （光電傳感器）檢測是否到位。產(chǎn)品自動裝箱系統(tǒng)的工作流程如圖3-1所示。
圖3-1 產(chǎn)品自動裝箱系統(tǒng)的工作流程圖
3.2 光電檢測裝置的設計
光電檢測技術在包裝機械中多用于計數(shù)、容器定位、料面控制和色質檢測等方面。其特點是可以實現(xiàn)無接觸檢測, 可將機械動態(tài)檢測變成光電靜態(tài)檢測,從而顯著簡化機械結構, 通常被稱為自動控制的眼睛, 而且它所具有的某些功能, 是人眼所不能達到的。比如它具有很高的響應速度, 當被測物以較高速度運動時也逃脫不了該系統(tǒng)的觀察。這里利用光電檢測裝置檢測產(chǎn)品數(shù)量和包裝箱是否到位。
3.2.1光電傳感器的基本原理
傳感器是一種能把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的器件。而光電傳感器(光電開關)是光電接近開關的簡稱，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，當被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應地輸出一個設定的低電平或高電平信號，以達到檢測的目的。其物體不限于金屬，對所有能反射光線的物體均可被檢測。光電開關是一種電量傳感器，把電流或電壓的變化以光電的方式傳送出去。即進行電信號-光信號-電信號的轉換。光電傳感器在一般情況下，有三部分構成，它們分為：發(fā)射器(光源) 、接收器和檢測電路。根據(jù)接收器所感知的信號判斷被測對象的有無、形狀、方位和顏色時, 按發(fā)射器和接收器的相對位置不同可分為反射型和透過型兩種型式, 見圖3-2（a）、（b）。
圖3-2（a）反射型、（b）透過型
發(fā)射器對準目標發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。發(fā)射器發(fā)出的光采用不同形式接觸被測物后照射在受光器上, 而接受器是在光照射下產(chǎn)生電流(或電導率發(fā)生變化) , 即所謂的具有光電效應的光敏元件, 常用的有光電二極管、光電三極管、光電池管。
光電二極管的PN 結在沒有光照時和普通二極管一樣具有單向導電性, 使用時處于反向偏置; 光線照射管芯, 會產(chǎn)生光生載流子, 在反向電壓作用下,光生載流子導電產(chǎn)生光電流, 即隨入射光強度的變化在負載電阻的兩端就會產(chǎn)生隨光強度變化的光電壓,經(jīng)檢波、放大處理去推動控制系統(tǒng)。
光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號轉換成電信號的功能外，還有對電信號放大的功能。光敏三級管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個極——發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。為增大光照，基區(qū)面積做得很大，發(fā)射區(qū)較小，入射光主要被基區(qū)吸收。工作時集電結反偏，發(fā)射結正偏。在無光照時管子流過的電流為暗電流Iceo=（1+β）Icbo（很?。?，比一般三極管的穿透電流還小；當有光照時，激發(fā)大量的電子-空穴對，使得基極產(chǎn)生的電流Ib增大，此刻流過管子的電流稱為光電流，集電極電流Ic=（1+β）Ib，可見光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。
發(fā)送器對準目標發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應用該信號。
3.2.2 傳感器的選擇
光電開關的分類和工作方式如下：
（1）漫反射式光電開關：它是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當有被檢測物體經(jīng)過時，物體將光電開關發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關就產(chǎn)生了開關信號。當被檢測物體的表面光亮或其反光率極高時，漫反射式的光電開關是首選的檢測模式。
（2）鏡反射式光電開關：它亦集發(fā)射器與接收器于一體，光電開關發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)過反射鏡反射回接收器，當被檢測物體經(jīng)過且完全阻斷光線時，光電開關就產(chǎn)生了檢測開關信號。
（3）對射式光電開關：它包含了在結構上相互分離且光軸相對放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進入接收器，當被檢測物體經(jīng)過發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時，光電開關就產(chǎn)生了開關信號。當檢測物體為不透明時，對射式光電開關是最可靠的檢測裝置。
（4）槽式光電開關：它通常采用標準的U字型結構，其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，當被檢測物體經(jīng)過U型槽且阻斷光軸時，光電開關就產(chǎn)生了開關量信號。槽式光電開關比較適合檢測高速運動的物體，并且它能分辨透明與半透明物體,使用安全可靠。
（5）光纖式光電開關：它采用塑料或玻璃光纖傳感器來引導光線，可以對距離遠的被檢測物體進行檢測。通常光纖傳感器分為對射式和漫反射式。
在傳送帶2上，包裝箱為不透明物體，綜合考慮上述分類，選用對射式光電開關。
3.2.3 傳感器的位置確定
當光電傳感器檢測到包裝箱到位或產(chǎn)品數(shù)量已達到要求時，單片機控制的電路使相應的電動機停止轉動。但由于慣性等因數(shù)，包裝箱并不會立即停止，還會繼續(xù)往前運行一段距離S，導致包裝箱不能準確到位，產(chǎn)品數(shù)量計錯。而這段預留的距離S可由式（3.1）、式（3.2）近似推導可得。
式（3.1）
式（3.2）
式中：——為輸送帶摩擦因數(shù)，由參考文獻[5]查得，為0.6；
——為帶停止時的初速度，取值為1m/s；
——為帶停止的末速度取值為0；
——為輸送帶停止這段時間的加速度。
所以預留距離：
因此，傳感器1在包裝箱上的位置應位于產(chǎn)品傳送帶下方偏前84mm；因為產(chǎn)品間距為150mm，大于這段預留距離，所以傳感器2的位置可設在產(chǎn)品傳送帶末（具體位置見CAD總裝配圖）。
3.3 單片機控制系統(tǒng)的設計
此自動裝箱系統(tǒng)主體部分采用兩條傳送帶，一條包裝箱傳送帶，另一條是產(chǎn)品傳送帶。對產(chǎn)品計數(shù)采用光電傳感器，并與單片機接口，再通過單片機對交流電機的控制，實現(xiàn)產(chǎn)品的自動裝箱。
3.3.1 單片機的概述
單片機的全稱叫做單片機微型計算機，是微型計算機家族中的一個分類，是將CPU、存儲器、總線、I/O接口電路集成在一片超大規(guī)模集成電路芯片上，因此又稱之為單片機。單片機具有體積小、功能全、價格低廉的突出優(yōu)點，同時其軟件也非常豐富，并可將這些軟件嵌入到其他產(chǎn)品中，使其他產(chǎn)品具有豐富的智能。單片機所具有的這些優(yōu)點使之問世后得到了迅速的發(fā)展，廣泛應用在工業(yè)控制、儀器儀表、交通運輸、通信設備、家用電器等眾多領域，成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中最重要的智能化器件。
3.3.2 單片機的應用
為滿足各種各樣系統(tǒng)對控制功能的不同需求，以單片機為控制核心構成的控制系統(tǒng)在規(guī)模、結構、功能等方面將會有很大的不同，根據(jù)規(guī)?？筛爬ā⒒\統(tǒng)地劃分為基本應用系統(tǒng)和和擴展應用系統(tǒng)。
單片機基本應用系統(tǒng)沒有擴展的程序存儲器ROM、數(shù)據(jù)存儲器RAM、擴展的I/O接口等擴展部件，除單片機外僅配置了電源、時鐘電路、輸入/輸出設備和復位電路，是最小的單片機應用系統(tǒng)，如圖3-3所示。
圖3-3 最小的單片機應用系統(tǒng)
3.3.3 單片機的發(fā)展趨勢
從第一代單片機到時至今日各大公司推出的各種型號電片機的功能及資源，可以看到電片機正朝著更高性能、更高容量、進一步微型化、多品種的方向發(fā)展，主要體現(xiàn)在如下幾個方面：
（1）CPU的運算速度、處理能力進一步的提高。
（2）存儲容量的增加和存儲器本身技術水平的提高。16位單片機中的ROM和RAM的容量進一步增大，特別是Flash存儲器的使用，可大大提高編程和擦除的速度，并能實現(xiàn)在線編程。
（3）I/O口的改進 。單片機的I/O口將開始呈現(xiàn)多樣化和多功能化的趨勢，包括可編程并行口，可編程串行口、串行擴展口、多位的A/D轉換器、增加I/O口的邏輯控制功能等多項軟硬件技術都已開始應用。
（4）特殊的串行口功能。為適應控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化的需求，一些單片機提供了具有了網(wǎng)絡功能的特殊串行口，為應用單片機構造控制網(wǎng)絡系統(tǒng)提供了便利的條件。
（5）系統(tǒng)的單片化。隨著超大規(guī)模集成電路制造水平和工藝的不斷發(fā)展和提高，一些外圍電路的功能將會被并入或集成到單片機的芯片內部，包括多位的A/D轉換器、D/A轉換器、DMA控制器、中斷控制器等將一個單片機控制系統(tǒng)集成在一塊芯片上。
（6）小型化。 對一些比較簡單的設備或系統(tǒng)（例如簡單的家電設備、小單元報警系統(tǒng)等）的控制，并不需要功能特別強的單片機來實現(xiàn)，只需要滿足控制的需要即可，因此一些功能相對簡單、體積更小、價格低廉的單片機有著廣闊的市場。
3.3.4 AT89S51單片機的基本結構
AT89S51是美國ATMEL公司的低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內含4KB的可編程的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中。主要性能參數(shù)：
MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 ；
4K字節(jié)的快速擦除寫Flash存儲器；
1000次擦寫周期 ；
4.0-5.5V的工作電壓范圍；
全靜態(tài)工作模式：0HZ-33MHZ；
三級程序加密鎖；
128字節(jié)內部RAM；
32個可編程I/O口線；
2個16位定時/計數(shù)器；
6個中斷源；
全雙工串行UART通道；
低功耗空閑和掉電模式；
看門狗（WDT）及雙數(shù)據(jù)指針；
掉電標識和快速編程特性；
單片機的原理結構圖如下圖3-4：
圖3-4 AT89S51單片機原理結構圖
3.3.5 AT89S51單片機主要引腳及功能
VCC：電源電壓
GND：地
P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能驅動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內部上拉
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