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世界最新機械設(shè)計理念
來源:中國科技期刊
摘要:根據(jù)目前國內(nèi)外設(shè)計學(xué)者進行機械產(chǎn)品設(shè)計時的主要思維特點，將產(chǎn)品方案的設(shè)計方法概括為系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)模塊化、基于產(chǎn)品特征知識和智能。這幾種方法的特點及其相互間的有機聯(lián)系，提出產(chǎn)品方案設(shè)計計算機實現(xiàn)的努力方向。
關(guān)鍵詞：機械產(chǎn)品方案設(shè)計方法發(fā)展趨勢
設(shè)計文件是將語義設(shè)計網(wǎng)作為設(shè)計工具，在其開發(fā)的活性語義設(shè)計網(wǎng)ASK中，采用結(jié)點和線條組成的網(wǎng)絡(luò)描述設(shè)計，結(jié)點表示元件化的單元(如設(shè)計任務(wù)、功能、構(gòu)件或加工設(shè)備等)，線條用以調(diào)整和定義結(jié)點間不同的語義關(guān)系，由此為設(shè)計過程中的所有活動和結(jié)果預(yù)先建立模型，使早期設(shè)計要求的定義到每一個結(jié)構(gòu)的具體描述均可由關(guān)系間的定義表達，實現(xiàn)了計算機輔助設(shè)計過程由抽象到具體的飛躍。
系統(tǒng)化設(shè)計方法
系統(tǒng)化設(shè)計方法的主要特點是：將設(shè)計看成由若干個設(shè)計要素組成的一個系統(tǒng)，每個設(shè)計要素具有獨立性，各個要素間存在著有機的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設(shè)計要素結(jié)合后，即可實現(xiàn)設(shè)計系統(tǒng)所需完成的任務(wù)。
系統(tǒng)化設(shè)計思想于70年代由德國學(xué)者Pahl和Beitz教授提出，他們以系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，制訂了設(shè)計的一般模式，倡導(dǎo)設(shè)計工作應(yīng)具備條理性。德國工程師協(xié)會在這一設(shè)計思想的基礎(chǔ)上，制訂出標準VDI2221技術(shù)系統(tǒng)和產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計方法。
1. 將用戶需求作為產(chǎn)品功能特征構(gòu)思、結(jié)構(gòu)設(shè)計和零件設(shè)計、工藝規(guī)劃、作業(yè)控制等的基礎(chǔ)，從產(chǎn)品開發(fā)的宏觀過程出發(fā)，利用質(zhì)量功能布置方法，系統(tǒng)地將用戶需求信息合理而有效地轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品開發(fā)各階段的技術(shù)目標和作業(yè)控制規(guī)程的方法。
2. 將產(chǎn)品看作有機體層次上的生命系統(tǒng)，并借助于生命系統(tǒng)理論，把產(chǎn)品的設(shè)計過程劃分成功能需求層次、實現(xiàn)功能要求的概念層次和產(chǎn)品的具體設(shè)計層次。同時采用了生命系統(tǒng)圖符抽象地表達產(chǎn)品的功能要求，形成產(chǎn)品功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
3. 將機械設(shè)計中系統(tǒng)科學(xué)的應(yīng)用歸納為兩個基本問題：一是把要設(shè)計的產(chǎn)品作為一個系統(tǒng)處理，最佳地確定其組成部分（單元）及其相互關(guān)系；二是將產(chǎn)品設(shè)計過程看成一個系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計目標，正確、合理地確定設(shè)計中各個方面的工作和各個不同的設(shè)計階段。
由于每個設(shè)計者研究問題的角度以及考慮問題的側(cè)重點不同，進行方案設(shè)計時采用的具體研究方法亦存在差異。下面介紹一些具有代表性的系統(tǒng)化設(shè)計方法。
4. 設(shè)計元素法
用五個設(shè)計元素（功能、效應(yīng)、效應(yīng)載體、形狀元素和表面參數(shù)）描述“產(chǎn)品解”，認為一個產(chǎn)品的五個設(shè)計元素值確定之后，產(chǎn)品的所有特征和特征值即已確定。我國亦有設(shè)計學(xué)者采用了類似方法描述產(chǎn)品的原理解。
5. 圖形建模法
研制的“設(shè)計分析和引導(dǎo)系統(tǒng)”KALEIT，用層次清楚的圖形描述出產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的抽象信息，實現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能關(guān)系的圖形化建模，以及功能層之間的聯(lián)接。
將設(shè)計劃分成輔助方法和信息交換兩個方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用圖形符號、具有內(nèi)容豐富的語義模型結(jié)構(gòu)、可以描述集成條件、可以劃分約束類型、可以實現(xiàn)關(guān)系間的任意結(jié)合等特點，將設(shè)計方法解與信息技術(shù)進行集成，實現(xiàn)了設(shè)計過程中不同抽象層間信息關(guān)系的圖形化建模。
6. “構(gòu)思”—“設(shè)計”法
將產(chǎn)品的方案設(shè)計分成“構(gòu)思”和“設(shè)計”兩個階段?！皹?gòu)思”階段的任務(wù)是尋求、選擇和組合滿足設(shè)計任務(wù)要求的原理解?！霸O(shè)計”階段的工作則是具體實現(xiàn)構(gòu)思階段的原理解。
將方案的“構(gòu)思”具體描述為：根據(jù)合適的功能結(jié)構(gòu)，尋求滿足設(shè)計任務(wù)要求的原理解。即功能結(jié)構(gòu)中的分功能由“結(jié)構(gòu)元素”實現(xiàn)，并將“結(jié)構(gòu)元素”間的物理聯(lián)接定義為“功能載體”，“功能載體”和“結(jié)構(gòu)元素”間的相互作用又形成了功能示意圖(機械運動簡圖)。方案的“設(shè)計”是根據(jù)功能示意圖，先定性地描述所有的“功能載體”和“結(jié)構(gòu)元素”，再定量地描述所有“結(jié)構(gòu)元素”和聯(lián)接件(“功能載體”)的形狀及位置，得到結(jié)構(gòu)示意圖。Roper，H.利用圖論理論，借助于由他定義的“總設(shè)計單元(GE)”、“結(jié)構(gòu)元素(KE)”、“功能結(jié)構(gòu)元素(FKE)”、“聯(lián)接結(jié)構(gòu)元素(VKE)”、“結(jié)構(gòu)零件(KT)”、“結(jié)構(gòu)元素零件(KET)”等概念，以及描述結(jié)構(gòu)元素尺寸、位置和傳動參數(shù)間相互關(guān)系的若干種簡圖，把設(shè)計專家憑直覺設(shè)計的方法做了形式化的描述，形成了有效地應(yīng)用現(xiàn)有知識的方法，并將其應(yīng)用于“構(gòu)思”和“設(shè)計”階段。
7. 鍵合圖法
將組成系統(tǒng)元件的功能分成產(chǎn)生能量、消耗能量、轉(zhuǎn)變能量形式、傳遞能量等各種類型，并借用鍵合圖表達元件的功能解，希望將基于功能的模型與鍵合圖結(jié)合，實現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的自動生成和功能結(jié)構(gòu)與鍵合圖之間的自動轉(zhuǎn)換，尋求由鍵合圖產(chǎn)生多個設(shè)計方案的方法。
提倡在產(chǎn)品功能分析的基礎(chǔ)上，將產(chǎn)品分解成具有某種功能的一個或幾個模塊化的基本結(jié)構(gòu)，通過選擇和組合這些模塊化基本結(jié)構(gòu)組建成不同的產(chǎn)品。這些基本結(jié)構(gòu)可以是零件、部件，甚至是一個系統(tǒng)。
本結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有標準化的接口(聯(lián)接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、層次化、靈便化、經(jīng)濟化，具有互換性、相容性和相關(guān)性。我國結(jié)合軟件構(gòu)件技術(shù)和CAD技術(shù)，將變形設(shè)計與組合設(shè)計相結(jié)合，根據(jù)分級模塊化原理，將加工中心機床由大到小分為產(chǎn)品級、部件級、組件級和元件級，并利用專家知識和CAD技術(shù)將它們組合成不同品種、不同規(guī)格的功能模塊，再由這些功能模塊組合成不同的加工中心總體方案。
以設(shè)計為目錄作為選擇變異機械結(jié)構(gòu)的工具，提出將設(shè)計的解元素進行完整的、結(jié)構(gòu)化的編排，形成解集設(shè)計目錄。并在解集設(shè)計目錄中列出評論每一個解的附加信息，非常有利于設(shè)計工程師選擇解元素。
網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，異地協(xié)同設(shè)計與制造，以及從用戶對產(chǎn)品的功能需求→設(shè)計→加工→裝配→成品這一并行工程的實現(xiàn)成為可能。但是，達到這些目標的重要前提條件之一，就是實現(xiàn)產(chǎn)品方案設(shè)計效果的三維可視化。為此，不僅三維圖形軟件、智能化設(shè)計軟件愈來愈多地應(yīng)用于產(chǎn)品的方案設(shè)計中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及多媒體、超媒體工具也在產(chǎn)品的方案設(shè)計中初露鋒芒。目前，德國等發(fā)達國家正著力于研究超媒體技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標準STEP，以及標準虛擬現(xiàn)實造型語言上基于虛擬環(huán)境的標準交換格式)在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用。
機械產(chǎn)品的方案設(shè)計正朝著計算機輔助實現(xiàn)、智能化設(shè)計和滿足異地協(xié)同設(shè)計制造需求的方向邁進，由于產(chǎn)品方案設(shè)計計算機實現(xiàn)方法的研究起步較晚，目前還沒有成熟的、能夠達到上述目標的方案設(shè)計工具軟件。作者認為，綜合運用文中四種類型設(shè)計方法是達到這一目標有效途徑。雖然這些方法的綜合運用涉及的領(lǐng)域較多，不僅與機械設(shè)計的領(lǐng)域知識有關(guān)，而且還涉及到系統(tǒng)工程理論、人工智能理論、計算機軟硬件工程、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等各方面的領(lǐng)域知識，但仍然是產(chǎn)品方案設(shè)計必須努力的方向。國外在這方面的研究已初見成效，我國設(shè)計學(xué)者也已意識到CAD技術(shù)與國際交流合作的重要性，及其應(yīng)當采取的措施。
基于產(chǎn)品特征知識設(shè)計方法的主要特點是：用計算機能夠識別的語言描述產(chǎn)品的特征及其設(shè)計領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗，建立相應(yīng)的知識庫及推理機，再利用已存儲的領(lǐng)域知識和建立的推理機制實現(xiàn)計算機輔助產(chǎn)品的方案設(shè)計。
機械系統(tǒng)的方案設(shè)計主要是依據(jù)產(chǎn)品所具有的特征，以及設(shè)計領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗進行推量和決策，完成機構(gòu)的型、數(shù)綜合。欲實現(xiàn)這一階段的計算機輔助設(shè)計，必須研究知識的自動獲取、表達、集成、協(xié)調(diào)、管理和使用。為此，國內(nèi)外設(shè)計學(xué)者針對機械系統(tǒng)方案設(shè)計知識的自動化處理做了大量的研究工作，采用的方法可歸納為下述幾種。
目 錄
1. 設(shè)計背景 1
2. 設(shè)計思路 1
3. 分揀機整體效果外觀 2
3.1. 主要功能實現(xiàn)機構(gòu)圖 2
3.2. 硬幣分揀機外觀圖 2
3.3. 機構(gòu)爆炸圖 3
4. 主要機構(gòu) 4
4.1. 轉(zhuǎn)盤 4
4.2. 篩選滑軌 5
4.3. 計數(shù)通道 6
4.4. 接幣筒 7
5. 主要機構(gòu)尺寸與動力分析計算 7
5.1. 裝置尺寸計算 7
5.1.1. 轉(zhuǎn)盤尺寸 8
5.1.2. 滑道尺寸 10
5.1.3. 計數(shù)通道尺寸 12
5.2. 馬達選型計算 12
5.3. 軸的選擇 13
5.4. 主要參數(shù)代號 15
5.5. 傳感器主要控制程序硬幣計數(shù)原理 16
5.5.1. 單片機 16
5.5.2. 光電傳感器 16
5.5.3. 主要計數(shù)程序 16
5.5.4. 控制機構(gòu) 19
5.6. 設(shè)計計算結(jié)果匯總 19
6. 硬幣分揀機特點與創(chuàng)新點 20
6.1. 特點 20
6.2. 創(chuàng)新點 20
7. 應(yīng)用前景 21
8. 參考文獻 21
1. 設(shè)計背景
日常生活中，每天都有數(shù)以萬計的硬幣流通，超市、游樂場、公交公司等是硬幣大量集中的場所，如果由人工清點包裝硬幣，效率低、速度慢，將會造成人力資源的巨大浪費，因此用機械清點包裝硬幣已成為未來趨勢。針對超市、小型游樂場等硬幣流通場所，設(shè)計出適合現(xiàn)狀的硬幣清點包裝機械，以滿足市場需求。本設(shè)計面向是市面上流通的第五套硬幣的分揀，硬幣基本物理特征屬性如表1。
表 1 第五套人民幣基本物理特征
硬幣面值
1元
5角
1角
1角舊版
材料
鋼芯鍍鎳
鋼芯鍍銅合金
不銹鋼
鋁鎂合金
直徑（mm）
25
20.5
19
22.5
厚度（mm）
1.85
1.65
1.67
2.4
重量（g）
6.1
3.8
3.2
2.2
2. 設(shè)計思路
設(shè)計的硬幣分揀機功能流程與實現(xiàn)裝置流程示意圖為圖1。
先將硬幣分揀機的啟動開關(guān)打開，待電機帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)起來后，再向容幣殼體中投入硬幣，投入的硬幣經(jīng)過轉(zhuǎn)盤帶動，帶到上面的分幣滑軌當中，通過安裝在滑軌上的的凸臺將進入到滑軌上的硬幣分類，然后落入滑軌下面的計數(shù)通道中，經(jīng)過計數(shù)通道上的光電傳感器，從而實現(xiàn)計數(shù)，最后落入最下面的接幣筒中，通過接幣筒中的硬幣包裝紙來將已經(jīng)裝好的硬幣包裝起來。
圖 1 硬幣分揀機功能流程與實現(xiàn)裝置
3. 分揀機整體效果外觀
3.1. 主要功能實現(xiàn)機構(gòu)圖
硬幣分揀機主要機構(gòu)構(gòu)成包括（圖2）：（1）轉(zhuǎn)盤；（2）篩幣軌道；（3）計數(shù)通道；（4）接幣筒。
圖 2 功能實現(xiàn)機構(gòu)圖
3.2. 硬幣分揀機外觀圖
硬幣分揀機總體外觀如圖3所示，整個硬幣分揀機長390mm，寬200mm，高300mm（圖4）。內(nèi)部主要功能實現(xiàn)機構(gòu)與豎直平面成20°，接幣筒是外接。硬幣分揀機整體重量約4Kg。
圖 3 機構(gòu)外觀圖
圖 4整體尺寸圖
轉(zhuǎn)盤直徑150mm，出幣盒長230mm，因此箱體長度L
為了節(jié)約材料，零件布局合理，取L為390mm 。
3.3. 機構(gòu)爆炸圖
圖5為整個機構(gòu)爆炸圖。
1.軸承組件；2.軸；3.轉(zhuǎn)盤組件；4.電機；5.主板；6.滑軌；7.計數(shù)通道；8.接幣筒；9.接幣筒支架。
圖 5 機構(gòu)爆炸圖
4. 主要機構(gòu)
4.1. 轉(zhuǎn)盤
如下圖所示，硬幣由上至下投入容幣殼體之中，轉(zhuǎn)盤與豎直方向成20度夾角，大圈半徑是73mm，小圈半徑是45.5mm，它們之間的距離稍大于一元硬幣的直徑，可以容納要分揀硬幣并將其帶到上面滑軌。
電機帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速100轉(zhuǎn)/分； 凸臺之間的夾角為30度，兩者之間只能夾一個硬幣往上傳送，同時凸臺可以為硬幣提供支持力，從而提高帶著硬幣從下帶到上容易度。
由于篩幣裝置通道寬度只能允許一個硬幣通過，所以硬幣只能是一個一個排隊進入篩幣裝置。
轉(zhuǎn)盤內(nèi)圈厚度的確定。由于硬幣厚度最薄為1.67mm，為了讓硬幣不會出現(xiàn)兩個硬幣疊放到一起而導(dǎo)致硬幣與滑軌卡到一起，所以小圈凸起厚度要小于硬幣最小厚度，故取厚度為1.5mm。同時硬幣擋板上設(shè)計有隔板，隔板與轉(zhuǎn)盤之間的距離小于兩個硬幣疊在一起的厚度，故可以有效防止兩個硬幣在進入滑軌時引起卡幣現(xiàn)象發(fā)生。
轉(zhuǎn)盤要能夠輕松的帶硬幣上去，則必須具有一定的粗糙度，由于硬幣是金屬，若轉(zhuǎn)盤用金屬制作，會致使轉(zhuǎn)盤與硬幣的摩擦中最底面的一圈越來越光滑，從而致使最后一個硬幣在其中打滑帶不上去，經(jīng)過試驗對比，選用ABS塑料效果良好，故選用其為制造材料。
圖 6轉(zhuǎn)盤示意圖
4.2. 篩選滑軌
硬幣由前面的轉(zhuǎn)盤帶入到下圖所示右側(cè)的分幣滑軌，開始分揀硬幣。如下圖，先分出一元，圖示中存在一個安裝在滑軌上的斜坡臺，因為斜臺底部到滑軌底部的距離小于一元直徑大于舊一角直徑，從而改變一元硬幣運動方向，導(dǎo)致1號處的一元硬幣沿著斜臺出來，而其他的硬幣不改變方向，繼續(xù)進入下一個軌道。同理，2號和3號出依次分出舊一角和五角。而最后的一角由于沒有凸臺改變軌道方向從最后的出口處出來。
為了讓硬幣順著斜坡臺完全導(dǎo)出滑軌，故斜坡臺的斜度必須讓硬幣重心偏離豎直平面。
圖 7 轉(zhuǎn)盤滑軌連接圖
圖 8 滑軌示意圖
4.3. 計數(shù)通道
硬幣是由篩幣裝置篩選后落入圖9所示的計數(shù)通道之中。由于硬幣是一個一個排隊進入其中，而且計數(shù)通道出口最小尺寸也大于硬幣的直徑，所以不會出現(xiàn)卡幣現(xiàn)象。硬幣落入計數(shù)通道中會經(jīng)過安裝在計數(shù)通道上的光電傳感器，實現(xiàn)擋光，從而達到計數(shù)的目的。最后落入計數(shù)通道出口處的收集筒之中。
圖 9 計數(shù)通道示意圖
4.4. 接幣筒
在收集筒中放好已經(jīng)折好的硬幣紙，當收集滿時，只需拔下收集筒，順著把筒中的包裝紙倒出來并折好就完成了硬幣的半包裝。
圖 10接幣筒
5. 主要機構(gòu)尺寸與動力分析計算
5.1. 裝置尺寸計算
設(shè)計殼體內(nèi)圈直徑比轉(zhuǎn)盤大5mm，殼體厚度為2mm。尺寸都與轉(zhuǎn)盤配合。
圖 11殼體尺寸圖
5.1.1. 轉(zhuǎn)盤尺寸
圖 12 轉(zhuǎn)盤尺寸
(1)容幣殼體
為了保證硬幣隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動到篩選幣道而不脫離轉(zhuǎn)盤根據(jù)實驗設(shè)定殼體與水平面夾角為 ，
圖 13容幣殼體截面圖
由硬幣沿斜面下滑的條件可知
即
由上可知硬幣與殼體的摩擦系數(shù)需小于0.36才能保證硬幣能與轉(zhuǎn)盤接觸，查閱資料可得，殼體選擇較為輕質(zhì)的鋁合金和ABS滿足要求，為了節(jié)省成本，選用ABS。
（2） 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)體
轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)體與豎直方向成20°夾角，為了使硬幣更容易被轉(zhuǎn)盤帶到篩幣滑道，應(yīng)該把提高轉(zhuǎn)盤的表面粗糙度，增大硬幣與轉(zhuǎn)盤摩擦系數(shù)，同時為使產(chǎn)品輕質(zhì)，可選ABS轉(zhuǎn)盤。
圖 14 轉(zhuǎn)盤帶動硬幣示意圖
5.1.2. 滑道尺寸
滑軌內(nèi)壁較為光滑，從而保證硬幣有較小的滑動摩擦，從而順利分出硬幣。且為了輕質(zhì)，選材可為ABS樹脂。
（1）安裝在滑軌上的斜坡凸臺的坡度計算：以滑軌側(cè)面局部視圖作為參考進行計算
圖15 滑軌側(cè)面示意圖
以一元硬幣的滑軌坡度為例，進行計算，
一元出口斜坡底面離滑軌底面為L1=24滑軌厚度為L2=6
要使硬幣百分百從滑軌落到計數(shù)通道中，必須保證硬幣重心偏離豎直面，已知滑軌與豎直面成20°夾角，可計算得斜坡高度為
我們設(shè)計尺寸為15.8滿足所需條件
同理，其他斜坡長度都比一元的要小，故設(shè)計尺寸都為15.8mm滿足所需要求。
（2）特定結(jié)構(gòu)設(shè)計：
為了讓硬幣更好的導(dǎo)入下面的計數(shù)通道中，斜坡最后設(shè)計有一個大一點的斜坡面，讓硬幣與斜坡臺的接觸面積增大，更好的改變硬幣的運動軌跡，從而使它落入下面的計數(shù)通道當中。
（3）尺寸設(shè)計：
硬幣在滑道中滑動，滑道寬度在入口保證3mm，讓硬幣一個一個進來，分揀滑道口則為4毫米，讓硬幣能在滑道中改變軌跡時不會發(fā)生卡幣現(xiàn)象。
斜坡高度正好讓硬幣重心能偏離豎直平面，從而保證凸臺能順利導(dǎo)出硬幣，使其進入計數(shù)通道。
圖 16滑軌尺寸圖
圖17 安裝在滑軌上的一元斜臺
5.1.3. 計數(shù)通道尺寸
計數(shù)通道出口最小尺寸也大于硬幣的直徑，所以不會出現(xiàn)卡幣現(xiàn)象。設(shè)計在計數(shù)通道當中掏出一個傾斜角為20°的滑道，讓滑軌有一定的傾斜角度，好讓硬幣可以自發(fā)的順著滑軌向下落。計數(shù)通道尺寸如下圖所示。
圖18計數(shù)通道尺寸圖
5.2. 馬達選型計算
1）轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動慣量
轉(zhuǎn)盤選材為ABS塑料，由Creo分析可得，
轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動慣量 (r為轉(zhuǎn)盤半徑)
一元硬幣自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動慣量（一元硬幣質(zhì)量m1為6.1g,半徑R為12.5mm）
本產(chǎn)品設(shè)計殼體內(nèi)最多容納計算容納200個一元硬幣時，硬幣繞轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動慣量
所以轉(zhuǎn)盤和硬幣總轉(zhuǎn)動慣量
（2）轉(zhuǎn)盤角加速度：
假設(shè)轉(zhuǎn)盤在1S內(nèi)從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速2r/s,所以角加速度為
（3）轉(zhuǎn)盤軸所需的力矩：
表 2 馬達參數(shù)表
型號
額定電壓
額定力矩
JGB37-550
DC12V
1N.M
所選馬達的力矩為1Nm，遠大于所需的0.1N.m，所以滿足要求。
（4）校核計算：
則所需最小轉(zhuǎn)速為
由于n<2所以硬幣能夠被帶到最高點，符合設(shè)計要求。
（5）轉(zhuǎn)速選擇：
轉(zhuǎn)速達到130r/min時，會導(dǎo)致硬幣還未進入篩幣滑道之前就從容幣殼體中彈飛，因此經(jīng)過調(diào)解電機轉(zhuǎn)速，確定轉(zhuǎn)速大約100轉(zhuǎn)左右恰好合適。
（6）分揀機分幣速度：
由上選擇轉(zhuǎn)速為100r/min，轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)能帶6個到滑軌當中，所以每分鐘最多可以帶600個進入滑軌當中，排除概率性事件，轉(zhuǎn)盤每次最少能帶一個進入滑軌，一分鐘就帶100個。所以分揀機的分揀速度為每分鐘400-600個。
5.3. 軸的選擇
軸的選材為鋁合金，由選用電機、傳動方式和軸承設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)如下，軸承內(nèi)徑設(shè)計下列尺寸。
圖19軸尺寸圖
軸的強度校核：對軸進行受力分析，如下圖。
圖20 軸的受力分析示意圖
帶輪給軸上的拉力 F1=2N ; 轉(zhuǎn)盤對軸上的拉力F3=2.27N;
故軸承上的支持力 F2=F1+ F3=4.27N
軸承上的彎矩M=F3×17-F1×45 = 2.27×17-2×45=51N.mm
軸上軸承處所受的彎矩M1=F1×45=90N.mm
軸上所受扭矩T=1000N.mm做出彎矩圖和扭矩圖如下圖所示。
圖21軸的彎矩圖（上）和扭矩圖（下）
軸上的應(yīng)力
故校核通過。
5.4. 主要參數(shù)代號
序號
代號
解釋
序號
代號
解釋
1
a
殼體與水平面夾角
10
J
轉(zhuǎn)盤和硬幣總轉(zhuǎn)動慣量
2
f
摩擦系數(shù)
11
ā
角加速度
3
L1
一元出口斜坡底面離滑軌底面距離
12
w
角速度
4
L2
滑軌厚度
13
n
轉(zhuǎn)速
5
X
斜坡高度
14
F1
帶輪給軸上的拉力
6
m
轉(zhuǎn)盤質(zhì)量
15
F2
軸承上的支持力
7
J0
轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動慣量
16
F3
轉(zhuǎn)盤對軸上的拉力
8
J1
一元硬幣自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動慣量
17
M
軸承上的彎矩
9
J2
硬幣繞轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動慣量
18
M1
軸上軸承處所受的彎矩
5.5. 傳感器主要控制程序硬幣計數(shù)原理
5.5.1. 單片機
根據(jù)對硬幣計數(shù)的要求，STC89C51RC型單片機對硬幣進行計數(shù)處理，其引腳圖如下。
（1） P0、P2作為顯示器輸入端，外部需接上拉電阻；
（2） P1作為傳感器信號輸入端，其內(nèi)部具有上拉電阻；
（3） VCC接電源+5V，GND接地；
（4） RST此腳高電平時執(zhí)行CPU復(fù)位及顯示屏清零功能。
圖22 STC89C51RC型單片機引腳圖
5.5.2. 光電傳感器
光電傳感器是將光信號轉(zhuǎn)化為電信號的一種傳感器。本計數(shù)部分選用遮光式傳感器，使用時通過硬幣遮擋傳感器光線使傳感器檢測到的光信號變?nèi)?，傳感器把這種光信號變化通過傳感器轉(zhuǎn)化為低電信號輸入單片機實現(xiàn)硬幣計數(shù)。
5.5.3. 主要計數(shù)程序
1）延時函數(shù)，主要用于滿足程序響應(yīng)時間要求
void delaylog(uint z)
{ uint x,y;
for(x=z; x>0; x--)
for(y=100; y>0; y--)； }
void delay(unsigned char n)
{ unsigned char i,j;
for(j=0; j
=99)
{ vas1=99;
Irin1Led=0； } }
}
if(Irin2==0) //傳感器輸入低電平
{
if(Irin2==0)
{ while(!Irin2);
vas2++; //五角硬幣加1
if(vas2>=99)
{ Irin2Led=0;
vas2=99; } }
}
if(Irin3==0) // 如果傳感器輸入低電平
{ if(Irin3==0)
{ while(!Irin3);
vas3++; //一角硬幣加1
if(vas3>=99)
{ Irin3Led=0;
vas3=99； }
}
}
}
}
光電計數(shù)傳感器基本參數(shù)選擇如表3。
表 3 光電計數(shù)傳感器型號和數(shù)量選擇
電壓
電流
響應(yīng)時間
有效距離
個數(shù)
5VDC
5mA
2ms
0~300mm
4對
5.5.4. 控制機構(gòu)
啟動功能：控制馬達的啟動來帶動整個機器的工作。
暫停功能：暫停馬達的工作來控制整個機器的運動。
清零功能：將計數(shù)顯示清零。
5.6. 設(shè)計計算結(jié)果匯總
表 4 產(chǎn)品功能和組件裝置選擇匯總表
序號
組件
數(shù)量
尺寸
重量
材料
1
基本功能
硬幣轉(zhuǎn)盤傳送
1
如尺寸圖12和圖14
84.4g
ABS
2
篩選滑道
1
如尺寸圖16和尺寸圖17
60.2g
ABS
3
計數(shù)通道
4
如尺寸圖18
12.3g
塑料
4
硬幣收集筒
4
如圖10
8g
塑料
5
輔助功能
計數(shù)傳感器
4
光電傳感器
6
數(shù)字指示器
1
LED顯示屏
7
馬達
1
額定電壓
DC12V
扭矩
1N.m
轉(zhuǎn)速
100r/min
8
控制器
1
開始
暫停
復(fù)位
總計
17
表 5 硬幣分揀機產(chǎn)品參數(shù)表
電源需求
AV220V 50HZ
額定電流
0.85A
功率
25W
單臺凈重
約4kg
外箱尺寸
長390×寬200×高300mm
適用硬幣
第五套人民幣硬幣：1元、5角、1角、1角（舊版）
分揀速度
400~600個/分鐘
計數(shù)模式
連續(xù)計數(shù)模式、累計計數(shù)模式
6. 硬幣分揀機特點與創(chuàng)新點
6.1. 特點
本產(chǎn)品可實現(xiàn)硬幣的分類、清點、整理三種功能，同時具有如下特點：
1）體積小巧：裝置體積小巧（長390mm×寬200mm×高300mm），不用專門騰出空間放置使用；
2）清撿速度快：每分鐘最快可達600個。
3）具有多種計數(shù)模式：連續(xù)計數(shù)模式，累計計數(shù)模式。
6.2. 創(chuàng)新點
本設(shè)計產(chǎn)品的創(chuàng)新點總結(jié)如下：
1）基于分區(qū)斜盤的硬幣分揀機構(gòu)。設(shè)計的轉(zhuǎn)盤，斜置的圓臺狀容幣殼體能使得硬幣依次從容幣殼體滑動到分區(qū)斜盤，同時斜盤內(nèi)圓周上均勻布置了硬幣分區(qū)片，使得硬幣依次排序進入篩選滑軌，提高了分揀效率。
2）基于斜坡凸臺的硬幣篩選滑軌機構(gòu)。利用不同高度的斜坡凸臺巧妙地改變不同直徑硬幣的運動軌跡，達到分揀的目的（實現(xiàn)對一元、舊一角、五角、一角的依次分揀），設(shè)計巧妙，精度高；
3）采用“計數(shù)通道-接幣筒-硬幣包裝紙”的硬幣整理半包裝機構(gòu)。設(shè)計計數(shù)通道，快速收集分出的硬幣，硬幣滑入到已放置硬幣包裝紙的接幣筒中，收集好后即可將接幣筒中已經(jīng)包好的硬幣倒出來，從而達到硬幣包裝的效果。同時在在計數(shù)通道支架上設(shè)置了一個光電傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)計數(shù)功能。該硬幣整理半包裝機構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，可同時實現(xiàn)硬幣的整理、半包裝和計數(shù)三種功能。
7. 應(yīng)用前景
我們設(shè)計的硬幣分揀機可在便利店等個體商戶或居家使用。通過調(diào)研分析，硬幣分揀的應(yīng)用需求很大。比如，就學(xué)校附近的普通個體商戶數(shù)就超百家，用戶群大，市場前景廣闊。
我們設(shè)計的小型硬幣分揀機同時具有分揀、篩選、整理、包裝和計數(shù)五種主要功能，機構(gòu)設(shè)計巧妙，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，同時成本較低，性能優(yōu)，將能滿足超市，游樂場，便利店，居家等廣大用戶的需求。
8. 參考文獻
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