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硬幣自動(dòng)分選清點(diǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)
附錄Ⅰ 外文翻譯（中文）
反饋控制電磁振動(dòng)給料器
（應(yīng)用雙自由度比例加積分加微分控制器的非線性元）
Tomoharu DOI**，Koji YOSHIDA***，
Yutaka TAMAI* ***，Katsuaki KONO****，
Kazufumi NAITO****and Toshiro ONO*****
電磁式振動(dòng)給料機(jī)是一種用于自動(dòng)稱重機(jī)的傳輸設(shè)備?，F(xiàn)有的送料器是由前饋控制，所謂的“發(fā)射角控制” ，無法使突然出現(xiàn)的干擾無效。在這項(xiàng)研究中，我們考慮采用一種反饋控制這種饋線系統(tǒng)。首先，我們給出對(duì)于振動(dòng)部分和電磁力部分模型的兩個(gè)細(xì)節(jié)。其次，反饋控制系統(tǒng)是為電磁振動(dòng)給料器構(gòu)建的，我們提出一個(gè)運(yùn)用非線性元件兩自由度比例加積分加微分（ PID控制器）控制器。下一步，我們還采用反饋控制的饋線與標(biāo)準(zhǔn)槽。最后，我們考慮一種方法兼容多種槽調(diào)整的非線性因素。在一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，我們證實(shí)了雙自由度PID控制比傳統(tǒng)的角發(fā)射控制更加有效。
關(guān)鍵詞：振動(dòng)控制，喂料機(jī)，非線性控制，電磁作動(dòng)器，雙自由度PID控制，建模
1、緒論
對(duì)于各種食品制造業(yè)的包裝過程，自動(dòng)秤是一個(gè)非常重要的設(shè)備。自動(dòng)秤發(fā)展于1973年，后來得到改進(jìn)，從而成為高度精確和有效的。電磁振動(dòng)給料器在這篇文章中被認(rèn)為是一個(gè)重要的用于系統(tǒng)地傳輸材料給稱重單位的傳輸設(shè)備。然而，在發(fā)射角控制（前饋控制）被用于給料器至今，仍未得到進(jìn)一步的完善。在這項(xiàng)研究中，我們提出一個(gè)運(yùn)用非線性元件的兩自由度的PID控制器的反饋控制系統(tǒng)構(gòu)建于電磁振動(dòng)給料器下。首先，我們給予振動(dòng)部分和電磁力部分模型的細(xì)節(jié)。下一步，我們還采用對(duì)于給料器標(biāo)準(zhǔn)槽的反饋控制。然后，我們考慮一個(gè)方法兼容各種槽調(diào)整的非線性因素的兩自由度PID控制器。在一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，我們證實(shí)了雙自由度PID控制比傳統(tǒng)的角發(fā)射控制更加有效。
2、電磁振動(dòng)給料器
2.1給料器的概要及其傳輸原理
圖1.顯示的是一個(gè)給料器。術(shù)語“料槽”是指用于運(yùn)輸?shù)匿摪逍螤畹墓艿?。料槽可以很容易地改變，以配合運(yùn)輸對(duì)象。料槽是靠平行板彈簧和位于料槽底下的電磁線圈支持的。板彈簧和線圈是固定在基座上的。該基座是由三根螺旋彈簧支承著的。所有部件，除了料槽，被稱為“直屬零件”和所有設(shè)定的部分，包括料槽，被稱為“送料器”。 料槽連接到基座的鋼板彈簧，因此，這一系統(tǒng)基本上相當(dāng)于一個(gè)質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的共振頻率ω。如果在共振頻率ω下被驅(qū)動(dòng)，送料器將做共振運(yùn)動(dòng)。共振現(xiàn)象是高效率的，因?yàn)樯倭康碾娫醋鳛檩斎肟梢栽斐纱笪灰屏康某霈F(xiàn)。
圖1 電磁振動(dòng)送料器 圖2 輸送過程
圖2所示為運(yùn)輸物料的過程。陰影箭頭表示料槽振動(dòng)時(shí)物料的移動(dòng)方向。圖2（i）表明送料器處于平衡位置。最初，當(dāng)電流流向電磁鐵線圈（以下簡稱“線圈” ），由電磁力的作用料槽向左移動(dòng)到更低的位置（見灰色箭頭），就如圖2（ii）所示的那樣。在此期間，料槽內(nèi)輸送的物料向重力方向移動(dòng)（見白箭）。
當(dāng)關(guān)閉電源開關(guān)，板彈簧和料槽將推進(jìn)運(yùn)輸對(duì)象向右上方移動(dòng)（見灰色箭頭），如圖2（iii）所示。在這種方式下，被輸送的物料緩慢前行。送料器將在共振頻率ω的驅(qū)動(dòng)下重復(fù)圖2（ii）和（iii）中的步驟。
2.2 振動(dòng)機(jī)械因素的模型
圖3所示為送料器振動(dòng)因素的模型。這一模型中術(shù)語的坐標(biāo)軸，使用的變量和參數(shù)被列表1中。模型的一個(gè)關(guān)鍵要素是料槽的移動(dòng)方向是被固定了的。然后，下面的線性動(dòng)態(tài)模型，四階可得出的詳細(xì)模型的振動(dòng)。
M ，K是對(duì)稱矩陣（符號(hào)*顯示對(duì)稱元素）如下所示：
因此，本模型（1）是有用的設(shè)計(jì)振動(dòng)因素。模型（1）對(duì)應(yīng)的特征頻率符合實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的結(jié)果。
圖3 振動(dòng)因素模型 圖4 電磁線圈模型
送料器的主振彈簧是由一些板彈簧組成的。該模型沒有考慮非線性特性的彈簧元（1）（2），這改變了共振頻率按照振幅變化的共振。
表1 模型中用到的參數(shù) 表2 料槽的特性
2.3 電磁驅(qū)動(dòng)要素
我們采用的電磁懸?。?）模型技術(shù)就如圖4中模型顯示的那樣。在圖4中e，i和R分別表示線圈的電壓，線圈電流和線圈電阻。線圈和料槽之間的電感z被表達(dá)的功能為。其結(jié)果是，電磁力F可表示為
（2）
線圈和電流之間的關(guān)系可以表達(dá)為
（3）
Q、和為線圈決定的常數(shù)。使用公式（1）、（2）、（3）可以在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建一個(gè)仿真的送料器。此外，狀態(tài)空間模型可以由公式（1）、（2）、（3）得出一個(gè)線性均衡器。
3.實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
3.1 反饋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
圖5顯示的是一個(gè)反饋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。反饋系統(tǒng)的操作變量（以下簡稱“振幅能量”為AP，AP是個(gè)無綱量）是一個(gè)存在發(fā)射角控制的變量（以下簡稱“FAC”，它的詳情稍后給出）。測(cè)量變量，控制變量，命令變量假定振幅為料槽與線圈表面的距離（以下簡稱“間隙振幅”為）z。由FAC、激勵(lì)系統(tǒng)和振動(dòng)因素組成的部分被稱為控制系統(tǒng)。圖5顯示的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)取消和干擾，以改善其跟蹤特性的命令變量的兩自由度PID控制器。這種結(jié)構(gòu)成為一個(gè)現(xiàn)有FAC系統(tǒng)的內(nèi)置結(jié)構(gòu)，，它描述了兩自由度PID控制器的一般結(jié)構(gòu)（5）（6）。因此，如果操縱變量如圖5所示，當(dāng)由于反饋控制器而使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定時(shí)將會(huì)關(guān)閉，這結(jié)構(gòu)將符合當(dāng)前的常規(guī)系統(tǒng)。因此，這種結(jié)構(gòu)已成為故障安全系統(tǒng)。
圖5 反饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
3.2 送料器和料槽在實(shí)驗(yàn)中的使用
圖6顯示了設(shè)立的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)送料器可運(yùn)輸約10公斤的最高質(zhì)量，但是送料器通常由約0.1公斤的質(zhì)量驅(qū)動(dòng)。這個(gè)送料器的共振頻率f是40Hz。當(dāng)送料器運(yùn)輸最大質(zhì)量是，共振頻率的變化約4%。然而，因?yàn)檫\(yùn)輸0.5千克或更多是罕見的，我們忽視了由共振的運(yùn)輸物料質(zhì)量變化引起的共振頻率的變化。關(guān)于料槽形狀和類型，根據(jù)運(yùn)輸物料的不同有100多個(gè)品種的料槽。對(duì)于我們的實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用到了五種特別類型的料槽。這些料槽的參數(shù)列在表2中，并在圖7中給出了料槽的形狀。在下面，料槽B是所謂的“標(biāo)準(zhǔn)料槽”。由于料槽E的質(zhì)量是最大的，我們改變組合鋼板彈簧等要素的共振頻率的支線為40赫茲。
圖7 料槽的形狀 圖8 在FAC中電流電壓的循環(huán)曲線
3.3 送料器驅(qū)動(dòng)部分
在現(xiàn)有送料器系統(tǒng)中，F(xiàn)AC常用作驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。圖8顯示的是FAC的操作綱要。曲線圖8分別指出了交流源，線圈電壓和線圈電流。FAC是一個(gè)利用交流源過境時(shí)間（ZAT：零跨越時(shí)間）的重復(fù)控制方法。從ZAT延遲時(shí)間L后，經(jīng)處理進(jìn)入線圈的電流開始進(jìn)行。L是從（常量）和AP（操縱量）中獲得的，并表達(dá)如下：
（4）
這里是交流電流入的時(shí)間。當(dāng)AP變大時(shí)，延遲時(shí)間L與函數(shù)F將變短。FAC會(huì)在此基礎(chǔ)上運(yùn)作的延遲時(shí)間如下：（i）由延遲時(shí)間L和線圈電流作用后，交流源的電壓將直接激起線圈的電壓。（ii）在高峰期過后，該線圈電流開始下降。（iii）當(dāng)線圈電流變?yōu)?A時(shí)，交流電源將關(guān)閉。在共振期間，像（i）——（iii）這類非線性處理的方案將被多次重復(fù)執(zhí)行。在FAC中，線圈電流靠AP而增加并且變大以致于振幅變大。AP決定了一個(gè)共振周期的輸入功率。共振期符合更新期間的操縱變量。因此，在控制實(shí)驗(yàn)中的取樣時(shí)間變?yōu)?.025秒。取決于FAC驅(qū)動(dòng)硬件的AP采取的整數(shù)值從0到127（7位）。
3.4 間隙振幅測(cè)量部分
因?yàn)榧铀俣葌鞲衅鲗?duì)環(huán)境變化的低敏感度和易于維護(hù)，所以用來測(cè)量測(cè)量變量。加速度傳感器和金屬配件被安裝在實(shí)驗(yàn)送料器的料槽固定部分。如果要取得一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的價(jià)值差距測(cè)量，將光學(xué)位移傳感器安裝在實(shí)驗(yàn)送料器中。然而，位移信號(hào)的光學(xué)傳感器不是用于反饋控制對(duì)加速度傳感器信號(hào)測(cè)量精度的研究中的。
3.4.1 從加速度到間隙振幅的變化
由于送料器驅(qū)動(dòng)是由發(fā)射角控制的，加速度傳感器的輸出信號(hào)a（t）的加速度傳感器，可以假定為是一個(gè)正弦波的振幅和共振頻率。
從這個(gè)假設(shè)，間隙z（t）是由整合加速的a（t）的兩倍獲得的。因此，間隙可由料槽位移和送料器的幾何關(guān)系表達(dá)如下：
（5）
換言之，差距環(huán)z（t）是不通過整合輸出信號(hào)a（t）的兩倍得到的，但乘以輸出信號(hào)為常數(shù)，因?yàn)樗梢约僭O(shè)為一個(gè)輸出信號(hào)正弦波。從間隙z（t）中獲得的方法也是被制定了的。當(dāng)是由公式（5）計(jì)算的間隙z（t）的最大和最小值計(jì)算得出的，有可能會(huì)直接受到噪聲造成的影響。首先，在圖9中陰影部分的可通過用加速度傳感器獲得的輸出信號(hào)a（t）算出。其次，的獲得基于。如果輸出信號(hào)為一個(gè)正弦波，則變?yōu)椋優(yōu)槿缦滤荆?
因此，可以由通過加速度a（t）算出的對(duì)進(jìn)行測(cè)量。
圖9 振幅的測(cè)量曲線 圖10 與的關(guān)系
可由下列步驟計(jì)算出：(i) 為了使正弦波將集中在0V，一個(gè)補(bǔ)償（-1.397V）被刪除。（ii）一個(gè)絕對(duì)值波是通過步驟（i）中的絕對(duì)值正弦波產(chǎn)生的。（iii）梯形規(guī)則的一體化算法應(yīng)用于步驟（ii）中的絕對(duì)波和最后的計(jì)算。間隔時(shí)間為0.25毫秒一體化和采樣時(shí)間的加速度傳感器也是0.25毫秒。共振周期1/f的整合時(shí)間為25毫秒，區(qū)域是由這一周期計(jì)算出的。我們考慮獲得由[VS]轉(zhuǎn)換為光學(xué)位移傳感器輸出值的表達(dá)式。圖10所示為光學(xué)傳感器算出的和由加速度傳感器計(jì)算出的的關(guān)系。在圖10中和的關(guān)系顯示它在12.6VS邊界時(shí)開關(guān)。這種開關(guān)特性被認(rèn)為是由于一套鋼板彈簧引起的非線性（1）（2）。因此，轉(zhuǎn)化率的表達(dá)逼近兩直線，改變邊界的表達(dá)式如下：
3.4.2 輸送物料造成的噪聲
當(dāng)固體物質(zhì)運(yùn)輸時(shí)，運(yùn)送物體料槽產(chǎn)生一個(gè)沖擊力。因此，加速度受到?jīng)_擊力的影響，并且噪聲隨著加速度傳感器輸出信號(hào)的出現(xiàn)而出現(xiàn)。當(dāng)料槽和輸送物料被替代時(shí)，噪聲的頻率也隨之變化。然而，有人證實(shí)了實(shí)驗(yàn)的頻率為0.5 kHz或更多，即使是進(jìn)行更換。0.5Hz或更多的噪聲被三階數(shù)字低通濾波器[Hz]過濾掉，并且運(yùn)用低通濾波器的預(yù)處理可以計(jì)算出。在我們的實(shí)驗(yàn)中，下面的過濾器被使用。
當(dāng)噪聲被通過原來的加速度傳感器輸出影響的數(shù)字濾波器刪除時(shí)，為圖11所示。
圖11 數(shù)字低通濾波器的影響 圖12 在測(cè)量過程中的信號(hào)流出
3.4.3 在測(cè)量過程中的數(shù)據(jù)處理
圖12所示為在測(cè)量過程中簡要的數(shù)據(jù)處理。首先，由加速度傳感器產(chǎn)生的輸出信號(hào)是在4KHz下采樣，噪聲是被數(shù)字濾波器刪除的。是通過濾波信號(hào)計(jì)算出來的，是通過公式（6）中共振周期1/f的關(guān)系得到的。圖13所示為安裝在運(yùn)用FAC，68AP的標(biāo)準(zhǔn)料槽的的有效力是通過數(shù)據(jù)處理獲得的。驅(qū)動(dòng)測(cè)試期間，50g的測(cè)試片（質(zhì)量0.5g的木欄一塊；直徑8mm；長15mm。）被放到料槽上四次。測(cè)量使用光學(xué)傳感器和那些從刪除噪聲后計(jì)算出的所獲得的值將得到相似的輸出。然而，在中間圖像的測(cè)量結(jié)果中，測(cè)試片造成了噪聲的出現(xiàn)，就是通過噪聲的一個(gè)最大和最小值得出的。因此，確認(rèn)獲得的位移加速度傳感器，并顯示了類似的測(cè)量性能的光學(xué)傳感器。從得的數(shù)據(jù)處理方法的成效通過結(jié)果而被證明了。
圖13 檢測(cè)方法的比較 圖14 γ和AP的關(guān)系
3.5 控制部分
控制器的結(jié)構(gòu)類似于雙自由度PID控制器。PID控制器（以下稱為“反饋控制器”）負(fù)責(zé)取消干擾，命令變量過濾器負(fù)責(zé)在命令變量的跟蹤特性中進(jìn)行改進(jìn)。命令變量過濾器被在圖5中所示的“變換參考AP”的塊所顯示出來。
3.5.1 反饋控制器
數(shù)字反饋控制器的功能可表達(dá)為如下：
（7）其中是錯(cuò)誤，是采樣時(shí)間，是比例增益，是整合的時(shí)間和是分化時(shí)間。在控制實(shí)驗(yàn)中，這些參數(shù)的粗值是通過靈敏度估算方法獲得的，通過調(diào)整假設(shè)=12.0，=0.1，=0.25。
3.5.2 命令變量過濾器
基于命令變量，命令變量濾波器可計(jì)算出穩(wěn)態(tài)振幅能量。衍生控制器參照?qǐng)D5的參考值（命令）工作以改善對(duì)于命令變量的跟蹤特性。在這項(xiàng)研究中，我們采用一種非線性函數(shù)f（r）能夠命令變量過濾器，但比例控制器通常用作命令變量過濾器。體系的穩(wěn)定性不是問題，因?yàn)檫@一非線性因素通過命令變量產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)特的輸出。非線性因素在反饋系統(tǒng)中也是獨(dú)立的。圖14所示為通過利用標(biāo)準(zhǔn)料槽所做實(shí)驗(yàn)獲得的命令變量和AP之間的關(guān)系?；谶@些結(jié)果獲得命令變量過濾器的具體情況如下：
（8）
改善其跟蹤性能命令變量的衍生控制器，假定是一個(gè)近似分化根據(jù)一階傳遞函數(shù)如下：
（9）
衍生控制器和命令變量過濾器（8）在采樣時(shí)間實(shí)現(xiàn)在離散時(shí)間中獲得，并命令變量過濾器得到如下：
和作為相反的一對(duì)離散系數(shù)是必要的，關(guān)系如下：
，
參數(shù)為=6.0和=0.1是用于控制實(shí)驗(yàn)。
4.標(biāo)準(zhǔn)料槽控制實(shí)驗(yàn)
4.1 輸送物料的質(zhì)量變化
當(dāng)輸送物料的質(zhì)量變化時(shí)，通過料槽的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了干擾取消的表現(xiàn)。
當(dāng)?shù)妹钭兞考俣?.2mm，重200g的測(cè)試片扔到空料槽中時(shí)，如圖15所示的時(shí)間行為。短虛線表示的是FAC，實(shí)線表示的是反饋控制。當(dāng)輸送物料下放時(shí)（通過輸送和測(cè)試片的質(zhì)量在料槽上減小，測(cè)試片從料槽上掉下），利用FAC，減少后的將恢復(fù)。另一方面，用反饋控制，在測(cè)試片從料槽上掉下后，將在8秒內(nèi)恢復(fù)。
因此，反饋控制可以取消的干擾從而突然增加了運(yùn)輸物體的質(zhì)量。
圖15 輸送木塞的結(jié)果 圖16 2-d.o.f控制器的每步驟結(jié)果
4.2 關(guān)于命令變量的跟蹤特性
命令變量跟蹤特性的改進(jìn)被確認(rèn)是通過一個(gè)使用標(biāo)準(zhǔn)料槽的階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的。圖16顯示了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。虛線表明了利用FAC控制的結(jié)果，實(shí)線顯示了使用反饋控制的結(jié)果。當(dāng)命令變量增加時(shí)，振動(dòng)和穩(wěn)態(tài)偏差的結(jié)果是被FAC監(jiān)視的。另一方面，利用反饋控制的結(jié)果顯示改善了跟蹤特性，并消除了穩(wěn)態(tài)偏差。特別是，針對(duì)反饋控制在1.0mm顯示良好的跟蹤響應(yīng)，因?yàn)镻ID參數(shù)的調(diào)整在1.0mm。然而，送料器變化的特點(diǎn)主要取決于。因此，當(dāng)G有一個(gè)其他值時(shí)，結(jié)果會(huì)比G去1.0mm時(shí)的結(jié)果還壞。
5.不同料槽的控制實(shí)驗(yàn)
5.1 分組料槽
被提到的料槽種類已經(jīng)超過了100種。因此，調(diào)整PID參數(shù)為個(gè)別槽增加花費(fèi)。所以，我們認(rèn)為這種方法可以控制幾種料槽使用相同的PID參數(shù)。在這項(xiàng)研究中，我們考慮的一種方法，這種方法是基于在表2中提到的5種料槽的實(shí)驗(yàn)結(jié)果調(diào)整命令變量過濾器。
圖17所示為5種料槽的AP和的關(guān)系（見表2）。我們進(jìn)行了以下自動(dòng)實(shí)驗(yàn)：（i）送料器通過AP每0.2秒增加一次從0增加到127來驅(qū)動(dòng)，接著再從127到0每0.2秒減小一次來驅(qū)動(dòng)。（ii）在這個(gè)過程中，AP和被自動(dòng)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)繪制在圖17內(nèi)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)花費(fèi)了大約50秒，因?yàn)檫@個(gè)關(guān)系可以很容易的從各種料槽中得到。
圖17 和AP的關(guān)系 圖18 料槽組G每步驟結(jié)果
圖17顯示的料槽C、D和標(biāo)準(zhǔn)料槽B也有相似的關(guān)系。料槽A是最輕的，振動(dòng)和其他料槽相比要好，還有振幅范圍也更寬。換句話說，料槽E是最重的，要求更大的AP和相對(duì)要小的振幅范圍。通過這些結(jié)果，基于AP和的關(guān)系，料槽的形狀和參數(shù)可以被組合在一起。
5.2 料槽組命令變量的跟蹤特性
通過AP和，將由相似關(guān)系的料槽B、C和D組合在一起就成了料槽組G。我們用反饋控制器的相同的PID參數(shù)的料槽組G的反饋控制進(jìn)行試驗(yàn)。圖18顯示了實(shí)驗(yàn)步驟的反應(yīng)。如圖18所示的是與料槽B、C和D相符合的輸出結(jié)果，因此，在這組中AP和的關(guān)系相似。所以，使用相同的PID控制參數(shù)和相同的命令變量過濾器是有可能的。從結(jié)果中我們認(rèn)為，如果AP和的關(guān)系相似，相同的PID參數(shù)和相同的命令變量過濾器可用作控制系統(tǒng)。因此，如果我們組合料槽時(shí)考慮到AP和的關(guān)系，這些數(shù)量的控制器和時(shí)間需要PID參數(shù)的調(diào)整可以降低。
5.3 命令變量過濾器的調(diào)整
據(jù)證實(shí)，對(duì)于命令變量的跟蹤特性可以通過調(diào)節(jié)命令變量過濾器來改善。
在我們的實(shí)驗(yàn)中，基于標(biāo)準(zhǔn)料槽的命令變量過濾器被稱為標(biāo)準(zhǔn)過濾器。此外，基于AP和關(guān)系的可以單獨(dú)調(diào)節(jié)的命令變量過濾器像料槽E那樣被稱為“個(gè)別調(diào)整過濾器”，可表示如下：
（11）
圖19 和每步驟結(jié)果的比較
圖19所示為運(yùn)用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)過濾器和一個(gè)個(gè)別調(diào)節(jié)過濾器實(shí)驗(yàn)的步驟結(jié)果。當(dāng)命令變量0.65mm， 0.75mm， 0.85mm和0.95mm，瞬態(tài)反應(yīng)是不同的方面的差異，命令變量過濾器。如果運(yùn)用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)過濾器，結(jié)果是無效的，然而，它是改進(jìn)個(gè)別調(diào)整濾波器但所得到的結(jié)果不穩(wěn)定。當(dāng)命令變量0.95mm或以上，良好的跟蹤特性表明無論單獨(dú)調(diào)整濾波器。我們認(rèn)為，原因是整體增益反饋控制器因?yàn)槿鐖D17所示不同的關(guān)系中顯示了一些偏差范圍其中大于0.9mm。
由于AP和G的關(guān)系不同使當(dāng)分組困難時(shí)，一個(gè)命令變量過濾器的調(diào)節(jié)時(shí)有效的。因此，如果命令變量過濾器為料槽A調(diào)整，被認(rèn)為可使對(duì)于命令變量的跟蹤特性改進(jìn)。
6.結(jié)論
在這項(xiàng)研究中，我們做出了關(guān)于送料器反饋控制的努力和實(shí)驗(yàn)。結(jié)論總結(jié)如下：
（1） 包含F(xiàn)AC驅(qū)動(dòng)的兩自由度PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是合理的。
（2） 反饋控制系統(tǒng)和FAC控制系統(tǒng)的性能是相當(dāng)?shù)摹?
（3） 通過實(shí)驗(yàn)我們證實(shí)了AP和關(guān)系相似的料槽組可以由相同的PID參數(shù)和相同的命令變量過濾器控制。
（4） 通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了當(dāng)AP和的關(guān)系不同時(shí)，命令變量過濾器的調(diào)節(jié)是有效的。
參考文獻(xiàn)
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硬幣自動(dòng)分選清點(diǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)
目錄
摘 要 Ⅰ
ABSTRACT Ⅱ
1.緒論 1
2. 硬幣分選清點(diǎn)機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì) 5
2.1總體方案的確定 5
2.2幾種機(jī)構(gòu)方案的比較及最終方案的確定 5
2.3驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能分析與方案設(shè)計(jì) 9
2.4控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 9
3. 各部件技術(shù)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇 11
3.1電磁振動(dòng)給料機(jī)的設(shè)計(jì) 11
3.1.1概述 11
3.1.2電振機(jī)工作原理及物料輸送原理 12
3.1.3運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的選擇和計(jì)算 20
3.1.4動(dòng)力學(xué)參數(shù)選擇及計(jì)算 23
3.1.5電振機(jī)電磁參數(shù)計(jì)算 27
3.1.6振動(dòng)料斗參數(shù)選擇及設(shè)計(jì)要點(diǎn) 28
3.2縱向熱封器的設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇 29
3.2.1概述 29
3.2.2縱封器的設(shè)計(jì) 31
3.2.3塑料材料及熱封溫度的選擇 32
3.3熱封切斷機(jī)械手的設(shè)計(jì) 33
3.3.1概述 33
3.3.2機(jī)械手設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算 35
3.4推桿包裝機(jī)構(gòu) 37
3.4.1齒輪的選擇及計(jì)算 37
3.4.2電動(dòng)機(jī)的選擇 37
3.4.3齒輪的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 38
3.4.4齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算 38
3.4.5絲杠螺母參數(shù)的選擇 42
4.結(jié)論 43
致謝 44
參考文獻(xiàn) 45
摘要
硬幣自動(dòng)分選清點(diǎn)機(jī)是一種集自動(dòng)分選、清點(diǎn)和包裝于一體的小型機(jī)械。本設(shè)計(jì)式為了使硬幣的處理更加便捷，解決現(xiàn)今社會(huì)硬幣逐步增大的流通量，以及硬幣的處理不便的問題。經(jīng)對(duì)市場(chǎng)產(chǎn)品的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)今已有的硬幣分選機(jī)構(gòu)基本都不具備包裝功能。在此次的設(shè)計(jì)中，針對(duì)這個(gè)缺陷，設(shè)計(jì)出了以一個(gè)螺旋料槽扭動(dòng)式電磁振動(dòng)給料機(jī)、一個(gè)直線料槽往復(fù)式電磁振動(dòng)給料機(jī)、三個(gè)縱封包裝機(jī)、一個(gè)推桿機(jī)構(gòu)和三個(gè)機(jī)械手，以及電子計(jì)數(shù)器結(jié)合而成的硬幣自動(dòng)分選清點(diǎn)機(jī)構(gòu)。硬幣自動(dòng)分選清點(diǎn)機(jī)利用電磁振動(dòng)給料機(jī)的振動(dòng)以對(duì)硬幣進(jìn)行定向、排列與分選。螺旋料槽扭動(dòng)式電磁振動(dòng)給料機(jī)在本設(shè)計(jì)中承擔(dān)的主要是硬幣的定向與排列，直線料槽往復(fù)式電磁振動(dòng)給料機(jī)主要運(yùn)用于硬幣的分選，縱封包裝機(jī)、機(jī)械手與推桿機(jī)構(gòu)組成了一個(gè)可縱封與橫封的包裝機(jī)構(gòu)，電子計(jì)數(shù)器則用于硬幣的清點(diǎn)。根據(jù)對(duì)電磁振動(dòng)給料機(jī)、縱封包裝機(jī)以及機(jī)械手電磁鐵的選用和吸力參數(shù)設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)械手夾緊力參數(shù)的設(shè)計(jì)和對(duì)推桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核，符合所設(shè)計(jì)機(jī)械的工作要求，通過這些局部設(shè)計(jì)計(jì)算，證明了硬幣自動(dòng)分選清點(diǎn)機(jī)的設(shè)計(jì)理論是可行的。以它的實(shí)用性，將比其他的硬幣分選機(jī)構(gòu)有更高的效率。
關(guān)鍵詞：硬幣清點(diǎn)，自動(dòng)分選，機(jī)械手，電磁振動(dòng)給料機(jī)
ABSTRACT
Automatic coin counting and sorting machine is a small machine having functions with automatically sorting, counting and packaging. The design wants to make the coin processing convenient, and solves the increasing circulation of coins in present-day society and the inconvenient coin processing. Through a research to the products with the coin sorting machines, we found the existing coin sorting machines almost have no the function of package nowadays. In the design, with the shortcoming, a coin counting and sorting machine is designed with a twisting spiral electromagnetic vibratory feeder, an electromagnetic reciprocating linear vibration feeder, three vertical sealing packing machines, a putter machine and three robots grouping together. The coin counting and sorting machine use the electromagnetic vibratory feeder to direct, arrange and sort for coins. The a twisting spiral electromagnetic vibratory feeder is used to direct and arrange, the electromagnetic reciprocating linear vibration feeder is used to sort coins, a machine which group with the vertical sealing packing machine, the robot and the putter machine can finish the vertical seal and horizontal seal, and the digital counter is used to count coins. The parameter design including the selection of electromagnet and electromagnetic suction of the electromagnetic vibratory feeder, the vertical sealing packing machine and the robot, the clamping force of the industrial robot and the putter machine and the strength check satisfy the job requirement. Through these designs and calculating, it is confirmed that the design theory of the automatic coin counting and sorting machine is right. With its practicality, the machine will have a higher practicality than others.
Key Words: Coin counting，Automatic sorting，Robot，Electromagnetic vibratory feeder
1、緒論
本設(shè)計(jì)源自于流通市場(chǎng)實(shí)際需要。針對(duì)自動(dòng)售貨機(jī)、公交車收款機(jī)等硬幣流通的現(xiàn)狀，開發(fā)設(shè)計(jì)適合實(shí)際、高效可靠的硬幣自動(dòng)清點(diǎn)包裝機(jī)械，以適應(yīng)市場(chǎng)的需求。
在日常生活中，由人工清點(diǎn)硬幣，包裝硬幣是一項(xiàng)非常煩瑣的工作，效率低，速度慢，造成了人力資源的巨大浪費(fèi)。硬幣伴隨著人們的衣食住行，在社會(huì)中大量的流通，超市、公交公司等地方是硬幣大量集中的地點(diǎn)，每天都會(huì)有數(shù)以萬計(jì)的硬幣，如果由人工清點(diǎn)，將會(huì)造成巨大的人力資源浪費(fèi)，因此用機(jī)械清點(diǎn)并包裝硬幣將是以后的發(fā)展趨勢(shì)。
近年來，隨著科學(xué)家們?cè)诟鱾€(gè)領(lǐng)域的突破，計(jì)算機(jī)、工業(yè)機(jī)器人和機(jī)械設(shè)備等的結(jié)合并應(yīng)用于日常生活中，為人們的生活提供了極大的便利。硬幣是人們生活中不可或缺的東西，每天數(shù)以億計(jì)的硬幣需要分選清點(diǎn)，為了解決這一生活生產(chǎn)中的難題，近年來越來越多的人開始關(guān)注這方面的問題，也有研究所開始著手設(shè)計(jì)制造硬幣自動(dòng)分選機(jī)構(gòu)，現(xiàn)已有多種硬幣自動(dòng)分選機(jī)構(gòu)，但還不廣泛，這些機(jī)構(gòu)也未在社會(huì)上廣泛使用。隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展，這種由振動(dòng)供料機(jī)、機(jī)械手和包裝機(jī)組成的硬幣分選清點(diǎn)機(jī)構(gòu)將得到大力推廣，其中的振動(dòng)供料機(jī)是輸入傳輸裝置，主要作用是將不同種類的硬幣送入多路分選裝置，包裝機(jī)是用于將清點(diǎn)分選好的硬幣包裝，便于硬幣的存放，機(jī)械手則用于傳送包裝好的硬幣。這種機(jī)構(gòu)設(shè)備主要用于分選和清點(diǎn)1元、0.5元及0.1元的硬幣。
同時(shí)，這種非工業(yè)用途的機(jī)械設(shè)備，其意義遠(yuǎn)不僅是它們自身所能帶來的直接經(jīng)濟(jì)價(jià)值。這類機(jī)械設(shè)備往往是各種領(lǐng)域最新技術(shù)的交叉實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在新型機(jī)器手、振動(dòng)供料機(jī)和包裝機(jī)上應(yīng)用的新技術(shù)有可能很快就出現(xiàn)在其他領(lǐng)域的實(shí)際產(chǎn)品中，不但促進(jìn)了新型機(jī)器手、振動(dòng)供料機(jī)和包裝機(jī)的發(fā)展，也帶動(dòng)了其他相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)品的進(jìn)步[1]。
隨著現(xiàn)今社會(huì)的進(jìn)步，每天市場(chǎng)上流通的硬幣越來越多，隨之而來的硬幣清點(diǎn)分選工作也是大大的加重了，這樣每天不僅加大了員工的工作量和一些不必要的花費(fèi)，所以硬幣自動(dòng)清點(diǎn)分選機(jī)構(gòu)將孕育而生，并得到廣泛的應(yīng)用，擁有良好的發(fā)展前景和良好的實(shí)用性。
近年來，隨著科學(xué)家們?cè)诟鱾€(gè)領(lǐng)域的突破，計(jì)算機(jī)、工業(yè)機(jī)器人和機(jī)械設(shè)備等的結(jié)合并應(yīng)用于日常生活中，為人們的生活提供了極大的便利。硬幣是人們生活中不可或缺的東西，每天數(shù)以億計(jì)的硬幣需要分選清點(diǎn)，為了解決這一生活生產(chǎn)中的難題，近年來越來越多的人開始關(guān)注這方面的問題，也有研究所開始著手設(shè)計(jì)制造硬幣自動(dòng)分選機(jī)構(gòu)，現(xiàn)已有多種硬幣自動(dòng)分選機(jī)構(gòu)，但還不廣泛，這些機(jī)構(gòu)也未在社會(huì)上廣泛使用。隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展，這種由振動(dòng)供料機(jī)、機(jī)械手和包裝機(jī)組成的硬幣分選清點(diǎn)機(jī)構(gòu)將得到大力推廣，其中的振動(dòng)供料機(jī)是輸入傳輸裝置，主要作用是將不同種類的硬幣送入多路分選裝置，包裝機(jī)是用于將清點(diǎn)分選好的硬幣包裝，便于硬幣的存放，機(jī)械手則用于傳送包裝好的硬幣。這種機(jī)構(gòu)設(shè)備主要用于分選和清點(diǎn)1元、0.5元及0.1元的硬幣。
其中運(yùn)用到了振動(dòng)供料機(jī)，包裝機(jī)和上下料機(jī)械手。電磁振動(dòng)給料機(jī)是由電磁激振器驅(qū)動(dòng)的一種振動(dòng)機(jī)械。它的用途很廣，例如，用來向皮帶運(yùn)輸機(jī)、斗式提升機(jī)給料以及為工業(yè)窯爐定量配料等。在輕工業(yè)機(jī)械中電振機(jī)也有廣泛的應(yīng)用，例如在糖果包裝、鐘表元件加工、鉛筆橡皮頭裝配等生產(chǎn)環(huán)節(jié)中均有應(yīng)用。
目前，輕工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的電振機(jī)主要有直線料槽往復(fù)式和螺旋料槽扭動(dòng)式兩種形式。前者料槽作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，適合于不需定向排隊(duì)的輕小物料的供送；后者簡稱振動(dòng)料斗，帶有螺旋槽的圓形料斗作扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，適合于不需定向排隊(duì)的單件物品的供送。
隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，包裝工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中所占比重和作用也越來越大。我國成功加入WTO后，全球經(jīng)濟(jì)貿(mào)易一體化進(jìn)程的發(fā)展促使商品流通領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)更加激烈，人們?cè)谧非笊唐穬?nèi)在質(zhì)量的同時(shí)，對(duì)商品包裝要求也越來越高[4]。
包裝機(jī)械在包裝工業(yè)中的地位十分重要，對(duì)包裝工業(yè)現(xiàn)代化具有舉足輕重的作用。它可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善生產(chǎn)環(huán)境，降低生產(chǎn)成本，提高商品檔次，增加附加值，從而增強(qiáng)商品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、帶來更大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
進(jìn)入到20世紀(jì)80年代后，我國的包裝機(jī)械的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)取得了巨大的發(fā)展，大量填補(bǔ)國內(nèi)空白的包裝機(jī)械問世，品種規(guī)格不斷增加，同時(shí)出現(xiàn)了很多包裝機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)，許多研究機(jī)構(gòu)著手研究包裝機(jī)械，高等院校也紛紛設(shè)立包裝工程專業(yè)，從而形成了一個(gè)獨(dú)立的包裝機(jī)械行業(yè)。進(jìn)入21世紀(jì)，包裝機(jī)械除繼續(xù)增加新品種外，在產(chǎn)品的技術(shù)水平、內(nèi)在質(zhì)量和性能等方面都有很大的進(jìn)步，這一切都與包裝機(jī)械的設(shè)計(jì)有著密切的聯(lián)系。
現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)，如食品、醫(yī)藥、日用品、化工產(chǎn)品、電子產(chǎn)品等生產(chǎn)中，主要包括三大基本環(huán)節(jié)，即原料處理、中間加工和產(chǎn)品包裝。包裝是工業(yè)生產(chǎn)中相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)。包裝機(jī)械是使產(chǎn)品包裝實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化的根本保證，因此包裝機(jī)械在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中起著相當(dāng)重要的作用。
1. 大幅度地提高生產(chǎn)效率 如啤酒灌裝機(jī)的生產(chǎn)率可高達(dá)36000瓶/h，這是手工灌裝機(jī)無法比擬的。有如蛋形巧克力的包裝，用手工包裝每人每班可包裝20kg，而用機(jī)械包裝，每人每班可包裝250kg以上。
2. 降低勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件 如手工包裝糖果，一個(gè)工人8h要重復(fù)動(dòng)作80000多次；再如人工袋裝化肥，粉塵飛揚(yáng)污染環(huán)境等。如果廣泛地采用包裝機(jī)械代替手工包裝，不但能將包裝工人從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來，而且還大大地改善了工人的勞動(dòng)條件。
3. 保護(hù)環(huán)境，節(jié)約原材料，降低成本 手工包裝液體產(chǎn)品時(shí)，易造成產(chǎn)品外濺；包裝粉狀產(chǎn)品時(shí)，往往造成粉塵飛揚(yáng)，既污染環(huán)境，又浪費(fèi)了原材料。采用機(jī)械包裝能防止產(chǎn)品的散失，既保護(hù)了環(huán)境，又節(jié)約了原材料。
4. 有利于被包裝產(chǎn)品的衛(wèi)生，提高產(chǎn)品包裝質(zhì)量，增強(qiáng)市場(chǎng)銷售的競(jìng)爭(zhēng)力 有些產(chǎn)品的衛(wèi)生要求很嚴(yán)格，如藥品、食品等，采用機(jī)械包裝，避免了人手和藥品、食品的直接接觸，減少了對(duì)產(chǎn)品的污染。同時(shí)由于機(jī)械包裝速度快，食品、藥品在空氣中停留時(shí)間短，從而減少了污染機(jī)會(huì)，有利于食品和藥品的衛(wèi)生。
另外，由于包裝機(jī)械的計(jì)量精度高，產(chǎn)品包裝的外形美觀、整齊、統(tǒng)一、封口嚴(yán)密，從而提高了產(chǎn)品包裝的質(zhì)量，提高了產(chǎn)品銷售的競(jìng)爭(zhēng)力，可獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。
5. 延長產(chǎn)品的保質(zhì)期，方便產(chǎn)品的流通 采用真空、換氣、無菌等包裝機(jī)，可使食品和飲料等的流通范圍更加廣泛，延長食品的保質(zhì)期。
6. 可減少包裝場(chǎng)地面積，節(jié)約基建投資 當(dāng)產(chǎn)品采用手工包裝時(shí)，由于包裝工人多，工序不緊湊，所以包裝作業(yè)占地面積大，基建投資多，而采用機(jī)械包裝，產(chǎn)品和包裝材料的供給是比較集中的，各包裝工序安排比較緊湊，因而減少了包裝的占地面積，可以節(jié)約基建投資。
隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，自動(dòng)化程度的迅速提高，實(shí)現(xiàn)的裝卸、轉(zhuǎn)向、輸送或操持焊槍、噴槍、扳手等工具進(jìn)行加工、裝配等作業(yè)的自動(dòng)化，已越來越引起人們的重視。
機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率；可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用[5]。
通過對(duì)本次設(shè)計(jì)題目的深刻理解，對(duì)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)各個(gè)部分的深入分析，對(duì)現(xiàn)市面上已出現(xiàn)的硬幣分選機(jī)的認(rèn)識(shí)，本次設(shè)計(jì)將采用一個(gè)電磁振動(dòng)供料機(jī)，一個(gè)三道的直線振動(dòng)滑道，一個(gè)熱封包裝機(jī)和一個(gè)上下料機(jī)械手組合而成。
2、硬幣分選清點(diǎn)機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)
2.1 總體方案的確定
通過對(duì)各種資料的綜合總結(jié)，以及對(duì)現(xiàn)在市場(chǎng)上或正在研發(fā)的硬幣分選清點(diǎn)機(jī)構(gòu)的研究，依據(jù)現(xiàn)有成熟設(shè)備以及為了獨(dú)具匠心而選定以振動(dòng)原理進(jìn)行硬幣分選，并通過機(jī)械手和包裝機(jī)進(jìn)行包裝。本設(shè)計(jì)通過兩個(gè)電磁振動(dòng)送料器、三個(gè)縱封包裝機(jī)、一個(gè)包裝推桿機(jī)構(gòu)、三個(gè)帶有熱電阻的包裝機(jī)械手和三個(gè)電子計(jì)數(shù)器組合而成，再通過程序控制，以達(dá)到分選清點(diǎn)及包裝的目的。
2.2 幾種機(jī)構(gòu)方案的比較及最終方案的確定
由于機(jī)械傳動(dòng)、機(jī)構(gòu)的多樣性，以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，下面提出兩種硬幣分選清點(diǎn)機(jī)構(gòu)的整體方案，加以比較，并確定最終的總體方案。
方案一：
1．硬幣分檢機(jī)的工作原理
本設(shè)計(jì)利用各種硬幣的小同直徑設(shè)計(jì)一種硬幣分檢機(jī)。
目前我國新版人民幣有三種圓形硬幣，其直徑依次為：一元硬幣25mm；5角硬幣22．5ram；l角硬幣20．5mm。首先設(shè)計(jì)一長方體形的機(jī)體l，該機(jī)體l的頂上有一進(jìn)幣口2，機(jī)體l內(nèi)裝有多個(gè)抽屜，本實(shí)施例有三個(gè)抽屜(圖1)。除最下面抽屜6的底板上沒有圓孔外，上部各抽屜的底板上都有多個(gè)圓孔，各抽屜底板上圓孔的直徑從上到下依次減少(圖2)，最上面抽屜4的底板上圓孔的直徑最大，最下面抽屜6底板上沒有圓孔，中間抽屜5的底板上圓孔的直徑小，能使最小的硬幣通過該圓孑L落到抽屜6中。分檢時(shí)把混合在一起的三種硬幣從進(jìn)幣口2投入機(jī)體l中，這時(shí)混合的各種硬幣將堆積到最上面的抽屜4的底板上，讓硬幣不斷的通過這塊底板， 由于底板上的孔徑取為兩種硬幣之間，因此當(dāng)混合的硬幣通過平板后，兩種硬幣由于直徑不同而被分開。例如，最上面抽屜4底板上圓孔的直徑為24mm，則混合硬幣中只有直徑最大的一元硬幣不能通過直徑為24mm的圓孔，只能留在最上面的抽屜4中，而其它的兩種硬幣直徑較小，則會(huì)通過上述直徑為24ram的圓孔，落到下邊的抽屜5中，抽屜5底板上的圓孔直徑為22mm，可把5角硬幣截留在抽屜5中，最小的l角硬幣通過該圓孔落到抽屜6中，這樣各種硬幣即可依次按其直徑大小分別被截留在各層抽屜中而被分開。
由于要分檢硬幣， 必須使硬幣和抽屜的底板之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使小于規(guī)定孔徑的硬幣有透過圓孔下落的機(jī)會(huì)。要實(shí)現(xiàn)這一相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可以采用不同結(jié)構(gòu)形式的機(jī)器帶動(dòng)【5—6】或人工操作多種形式。
1.1往復(fù)擺動(dòng)式分檢機(jī)
這種分檢機(jī)有上述特殊設(shè)計(jì)的槽體，內(nèi)裝帶規(guī)定孔徑的抽屜，把這個(gè)槽體，用帶有一定角度的彈簧板支撐，再裝上一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的曲柄連于機(jī)構(gòu)，帶著槽體作往復(fù)擺動(dòng)(圖3)。
當(dāng)硬幣放入機(jī)箱槽體的帶孔抽屜底板上后，由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用，分檢機(jī)工作時(shí)槽體作定向擺動(dòng)，硬幣在底板上不斷向前滑拋，小于孔徑的硬幣，通過板孔落人平板下的槽體中向前滑動(dòng)；而大于板孔的硬幣，則留在平板上，不斷向前滑動(dòng)；最后兩種硬幣通過不同的槽口滑出。
1.2定向振動(dòng)式分檢機(jī)
這種分檢機(jī)，也由一個(gè)槽體，內(nèi)帶具有規(guī)定孔徑的多個(gè)抽屜，和一個(gè)旋轉(zhuǎn)的振動(dòng)裝置組成，槽體和振動(dòng)裝置，用彈簧加以支撐，當(dāng)振動(dòng)裝置旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)力，這是一種定向往復(fù)的振動(dòng)力，這種力使槽體作定向振動(dòng)(圖4)，當(dāng)混合的硬幣給人槽體平板上時(shí)，硬幣即沿平板向前移動(dòng)，并帶一定的拋射動(dòng)作，小于孔徑的硬幣，透過孔落人底板之下，大于孔徑的硬幣，則留在平底板上。
以上兩種分檢機(jī)的工作原理很類似，只是使帶孔平板獲得運(yùn)動(dòng)軌跡的傳動(dòng)方式略有不同，運(yùn)動(dòng)軌跡接近直線，并和水平面有一個(gè)夾角α，α可以在30到45度之間，這樣使硬幣有一個(gè)向前上方拋射的作用，使硬幣相互分開，落下，并向前移動(dòng)，同時(shí)小于孔的硬幣透孔下落，完成分檢工作。
1.3人工操作
將機(jī)體l的底部固定在兩根軸8上，每根軸8的兩端均裝有一個(gè)能繞軸8轉(zhuǎn)動(dòng)的輪子7；機(jī)體l的側(cè)上部裝有把手3。機(jī)體l內(nèi)裝有多個(gè)抽屜，分檢好的硬幣可以通過抽屜拿出。
為使硬幣和抽屜的底板之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使小于規(guī)定孔徑的硬幣有透過圓孔下落的機(jī)會(huì)，通過把手3使機(jī)體l的左側(cè)抬起，并靠右邊的兩個(gè)輪子7作傾斜移動(dòng)，傾斜的程度可以改變，使較小的硬幣不斷的依次通過各抽屜底版上相應(yīng)的圓孔，各種硬幣由于直徑不同而被分開[9]。
方案二：
硬幣自動(dòng)分選機(jī)的設(shè)計(jì)依據(jù)是：利用偏心輪電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)，使硬幣定向移動(dòng)進(jìn)入多路分選裝置；再利用絲杠旋轉(zhuǎn)力傳送硬幣，當(dāng)不同規(guī)格的硬幣通過相應(yīng)的檢測(cè)分離孔時(shí)，被檢出進(jìn)入分類收集裝置；利用單片機(jī)編程、光電計(jì)數(shù)控制電路等多種知識(shí)和技術(shù)，使其分選效率好，計(jì)數(shù)準(zhǔn)確。輸入傳輸裝置的主要作用是將不同種類的硬幣自動(dòng)進(jìn)入多路分選裝置。輸入傳輸裝置位于多路分選裝置的上部。輸入傳輸裝置包括硬幣輸送盒、輸入導(dǎo)軌、控制擋板和振動(dòng)等部分組成。輸送盒固定在具有一定位移的絲杠片上。輸送盒的里面的進(jìn)口端略高于出口端，輸送盒出口端裝有3組輸入導(dǎo)軌，引導(dǎo)硬幣進(jìn)入分選裝置；輸送盒的上部安裝控制擋板，防止硬幣疊加進(jìn)入輸入導(dǎo)軌；輸送盒的底部安裝一個(gè)裝有偏心輪的微型電機(jī)，當(dāng)接通電源時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)。
多路分選裝置設(shè)計(jì)為3路，主要作用是將規(guī)格不同的硬幣進(jìn)行分類篩選，規(guī)格相同的硬幣從各路中匯集到同一收集裝置。多路分選裝置包括輸送部分和檢測(cè)分離部分組成。輸送部分為3路，由4個(gè)螺旋絲杠組成。4個(gè)螺旋絲杠水平并列在一起，兩個(gè)絲杠為一組，共構(gòu)成3組，一組兩個(gè)絲杠分別加工為左旋和右旋，傳動(dòng)時(shí)相向旋轉(zhuǎn)，使硬幣在兩個(gè)絲杠之間向前移動(dòng)。每個(gè)絲杠固定在傳動(dòng)軸上，其中一端安裝傳動(dòng)齒輪，相互嚙合，由一微型電機(jī)棗減速器機(jī)組帶動(dòng)。分離檢測(cè)部分位于每對(duì)絲杠下面，根據(jù)硬幣直徑大小設(shè)有檢測(cè)分離孔。
目前市場(chǎng)上主要流通四種面值的硬幣，1元、0.5元和兩種0.1元，直徑分別為25mm、20mm、22mm和19mm（兩種0.1元直徑大小不同）。檢測(cè)分離孔按照硬幣移動(dòng)方向進(jìn)行分布，先小孔后大孔，共有4種，根據(jù)硬幣直徑設(shè)計(jì)為矩形口，4種檢測(cè)分離孔線性連接在一起，使硬幣在其上面能夠連續(xù)移動(dòng),在檢測(cè)分離孔前有一過渡孔，使硬幣落入時(shí)起到定位和過渡作用。因此，每路硬幣分選順序是：0.1元（小）、0.5元、0.1元（大）、1元。由于硬幣直徑差別很小，檢測(cè)分離孔加工精度要求很高，硬幣立面必須垂直位移方向，因此每組絲杠對(duì)稱性要好。
分類收集裝置位于多路分選裝置下面。主要作用是將分選出的硬幣進(jìn)行分類收集。分類收集裝置由4個(gè)導(dǎo)軌和收集盒組成。導(dǎo)軌帶有一定傾斜角度，能夠使落入的硬幣快速滑落到收集盒中。4個(gè)導(dǎo)軌分別接受不同規(guī)格的硬幣，導(dǎo)軌位置與分選裝置的檢測(cè)分離孔相對(duì)應(yīng)。
計(jì)數(shù)顯示裝置的光電計(jì)數(shù)器安裝在分類收集裝置上，主要作用是將每路分選出的不同規(guī)格的硬幣進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。計(jì)數(shù)顯示裝置由數(shù)碼顯示屏（LCD）、單片機(jī)（51系列）、光電計(jì)數(shù)器、光電計(jì)數(shù)控制電路組成。數(shù)碼顯示屏安裝在硬幣分選機(jī)面板上，可以顯示四種硬幣的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，以及總的金額數(shù)。面板上還設(shè)置5個(gè)功能鍵，分別為合計(jì)、1元、0.5元、0.1元、復(fù)位鍵。單片機(jī)用于控制顯示參數(shù)以及各種功能設(shè)置編程。光電控制電路用于硬幣計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)顯示裝置的工作原理是，從多路分選裝置分選出同一規(guī)格的硬幣，進(jìn)入分類裝置時(shí)，由光電計(jì)數(shù)器將落入的硬幣進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果不斷輸入單片機(jī)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和顯示。當(dāng)硬幣分選工作完成時(shí)，可以按下面板按鍵，通過顯示屏查閱硬幣總錢數(shù)，以及不同面值硬幣的總數(shù)。重新工作時(shí)按下復(fù)位鍵，計(jì)數(shù)器清零，可以繼續(xù)進(jìn)行。
硬幣自動(dòng)分選機(jī)，配置3路直流穩(wěn)壓電源，給顯示屏、單片機(jī)、傳輸電機(jī)和振動(dòng)裝置等供電，并且電壓可調(diào)整。圖如下
經(jīng)過以上對(duì)兩種方案比較分析，仔細(xì)對(duì)比兩種方案，都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。兩種方案都只局限于硬幣的分選清點(diǎn)，而沒有硬幣的包裝，這對(duì)于銀行或超市等企業(yè)將是十分頭疼的問題，并且方案一存在自動(dòng)化的缺陷，方案二的分選數(shù)量較小，故在此提出一種新的方案，以電磁振動(dòng)送料機(jī)、包裝機(jī)和工業(yè)機(jī)械手組合成一個(gè)帶有包裝功能的硬幣分選清點(diǎn)機(jī)構(gòu)。
2.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能分析與方案設(shè)計(jì)
一般機(jī)械系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，按動(dòng)力源分為液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)三大類。根據(jù)需要也可由這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)。它具有動(dòng)力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。適于在承載能力大，慣量大以及在防爆環(huán)境中工作的這些機(jī)器中應(yīng)用。但液壓系統(tǒng)需進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換成液壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄漏會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪聲也較高[6]。
氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、價(jià)格低等特點(diǎn)。適于在中、小負(fù)荷的機(jī)器中采用。但因難于實(shí)現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機(jī)器中 [10]。
電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩交、直流伺服電機(jī)及其配套的伺服驅(qū)動(dòng)器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）的廣泛采用，這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在一般醫(yī)療或其它領(lǐng)域的機(jī)械系統(tǒng)中被大量的應(yīng)用。這類系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。大多數(shù)電機(jī)后面需裝精密的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。直流有刷電機(jī)不能直接用于要求防爆的環(huán)境中，成本也較上兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高。但因這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)比較突出，因此在各種機(jī)器中被廣泛的選用[10]。
因此，綜合以上各種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，選用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。
2.4控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)
2.4.1 控制順序
首先，由推桿帶動(dòng)塑料薄膜到機(jī)械手位置，然后由熱封機(jī)械手將薄膜底部進(jìn)行熱封，縱封包裝機(jī)進(jìn)行縱封。接著螺旋料槽扭動(dòng)式送料機(jī)開始工作，將倒入料斗中的硬幣進(jìn)行排列，并通過滑道輸送到直線料槽式送料機(jī)中進(jìn)行硬幣的分選，再由直線料槽式送料機(jī)將硬幣送入鋼筒中，這時(shí)連接鋼筒和直線料槽式送料機(jī)的滑道上的光電計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)硬幣滿100個(gè)以后，電磁振動(dòng)送料機(jī)停止工作，這時(shí)推桿包裝機(jī)開始將裝在鋼筒中的100個(gè) 向下推，同時(shí)縱封包裝機(jī)進(jìn)行縱封包裝，當(dāng)推到機(jī)械手位置，推桿包裝返回，這時(shí)由熱封機(jī)械手進(jìn)行封口，然后電磁振動(dòng)送料機(jī)再次開始運(yùn)轉(zhuǎn)重復(fù)以前的動(dòng)作，進(jìn)行下一次的硬幣分選清點(diǎn)包裝。
2.4.2 控制方案
3、各部件技術(shù)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇
3.1 電磁振動(dòng)給料機(jī)的設(shè)計(jì)
3.1.1 概述
電磁振動(dòng)給料機(jī)是由電磁激振器驅(qū)動(dòng)的一種振動(dòng)機(jī)械。它的用途很廣，例如，用來向皮帶運(yùn)輸機(jī)、斗式提升機(jī)給料以及為工業(yè)窯爐定量配料等。在輕工業(yè)機(jī)械中電振機(jī)也有廣泛的應(yīng)用，例如在糖果包裝、鐘表元件加工、鉛筆橡皮頭裝配等生產(chǎn)環(huán)節(jié)中均有應(yīng)用[1]。
目前，輕工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的電振機(jī)主要有直線料槽往復(fù)式[圖3-1（a）]和螺旋料槽扭動(dòng)式[圖3-1（b）]兩種形式。
圖3-1
這兩種類型的電振機(jī)都由三個(gè)部分組成：
1) 槽體部分：包括料槽或料斗1、銜鐵2、主振彈簧3。
2) 電磁激振部分：包括激振器殼體4、鐵心及線圈5、配重等。
3) 減振器部分：包括心座支撐彈簧或懸掛彈簧6。
電振機(jī)是利用電磁力驅(qū)動(dòng)和機(jī)械共振原理進(jìn)行工作的，它與其它供料機(jī)相比有以下一些優(yōu)點(diǎn)：
1) 無電動(dòng)機(jī)及變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，沒有摩擦運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡單，不需潤滑，而且重量輕，便于維護(hù)。
2) 供料速度可調(diào)，可適應(yīng)多種物料，調(diào)整方便。
3) 靠微小振動(dòng)使物料單方向運(yùn)動(dòng)，無強(qiáng)烈攪拌、撞擊、摩擦等現(xiàn)象，故機(jī)體不易損壞，使用壽命長。
4) 電振機(jī)是在近共振狀態(tài)下工作的，所需激振力較小，節(jié)能。
5) 電振機(jī)可與電子秤聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)定量給料的自動(dòng)控制。
電振機(jī)具有下述缺點(diǎn)：
1) 不適于處理黏性較大或帶有油污、水漬的輕薄片狀物料。
2) 設(shè)計(jì)或調(diào)整不合適時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大振動(dòng)和噪聲。
3.1.2 電振機(jī)工作原理及物料輸送原理
3.1.2.1 工作原理
圖3-2表示了電振機(jī)的工作原理。
圖3-2
圖3-2（a）中物料1放在由主振彈簧3支撐的供料槽體2上，銜鐵4與槽體主振彈簧聯(lián)成一體，繞于鐵心上的線圈5中流過的是經(jīng)過半波整流后的單向脈沖電流，電磁鐵就產(chǎn)生了相應(yīng)的脈沖電磁力。圖3-2（b）表示在正半周內(nèi)線圈中有電流流過，鐵心便產(chǎn)生一次脈沖電磁力吸引銜鐵，使槽體向后運(yùn)動(dòng)，主振彈簧因此而變形，貯存了一定的勢(shì)能；在負(fù)半周內(nèi)線圈中無電流通過，電磁力消失，彈簧就恢復(fù)變形，帶著槽體向前運(yùn)動(dòng)，在達(dá)到振幅位置之后又返回向后運(yùn)動(dòng)。由于電磁力是一個(gè)周期變化的強(qiáng)迫作用力，因此電振機(jī)是一個(gè)以電磁力為周期干擾力的強(qiáng)迫振動(dòng)系統(tǒng)[1]。
當(dāng)電振機(jī)采用不同的運(yùn)動(dòng)參數(shù)時(shí)，物料就在槽體工作面上出現(xiàn)不同形式的運(yùn)動(dòng)。物料的基本運(yùn)動(dòng)形式有以下4種：
1) 相對(duì)靜止 物料隨工作面一起運(yùn)動(dòng)。
2) 正向滑動(dòng) 物料與工作面保持接觸，同時(shí)沿輸送方向?qū)ぷ髅嬗邢鄬?duì)運(yùn) 動(dòng)。
3) 反向滑動(dòng) 物料與工作面保持接觸，同時(shí)逆輸送方向?qū)ぷ髅嬗邢鄬?duì)運(yùn)動(dòng)。
4) 拋擲運(yùn)動(dòng) 物料在工作面上被輕微拋起，騰空沿工作面向前作拋物線運(yùn)動(dòng)。
上述4種形式中，相對(duì)靜止不能供送物料，反向滑動(dòng)對(duì)供物料沒有直接意義。從理論上來說，只有正向滑行和拋擲運(yùn)動(dòng)才有使用意義。但由于運(yùn)動(dòng)參數(shù)的某些限制，在實(shí)際工作中上述幾種運(yùn)動(dòng)形式可能有各種不同的組合形式。輕工業(yè)機(jī)械中的電振機(jī)一般都是采用拋擲運(yùn)動(dòng)形式來工作的。
3.1.2.2 物料輸送原理
物料在槽體中的輸送如圖3-3所示。
圖3-3
圖中α為料槽傾角，φ為振動(dòng)方向角，槽體在電磁力作用下沿S方向作簡諧振動(dòng)，則槽體沿S方向的位移可表示為
（3-1）
式中 ——槽體沿S方向的但振幅；
——振動(dòng)圓頻率。
將槽體振動(dòng)位移分解到x方向和y 方向，便得到槽體在x和y方向的分位移：
（3-2）
（3-3）
依次求上式對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)，便得到沿x方向和y方向的速度分量及加速度分量：
（3-4）
（3-5）
（3-6）
（3-7）
因此可以做出槽體運(yùn)動(dòng)曲線如圖3-4所示。
圖3-4
圖3-5
物料在槽體中受到的力有重力、慣性力、摩擦力，物料的受力狀況如圖3-5所示。圖中，β為主振彈簧與鉛垂線夾角，Q為物料顆粒重量，可分解為
（3-8）
（3-9） (3-10)
式中 N——物料對(duì)工作面的正壓力；
——槽體對(duì)物料的摩擦力；
“-”——物料與工作面間的靜摩擦力因數(shù)。
式中 ——靜摩擦角。
假設(shè)物料對(duì)工作面的相對(duì)位移為和；相對(duì)速度為和；相對(duì)加速度為 和。
1、 正向滑動(dòng)
當(dāng)物料沿x方向滑動(dòng)時(shí)，物料顆粒沿x方向的合力應(yīng)為0，即
（3-11）
正向滑動(dòng)開始瞬間，物料對(duì)工作面的相對(duì)加速度=0，則上式即成為
(3-12)
物料沿y方向?qū)ぷ髅娴恼龎毫?
（3-13）
因物料沒有拋擲運(yùn)動(dòng)，故相對(duì)加速度，則上式即成為
（3-14）
將式（3-6）、（3-7）、（3-14）代入（3-12）可得
（3-15）
化簡整理后可得
（3-16）
令 ，K——機(jī)械指數(shù)（振動(dòng)強(qiáng)度），
，——正向滑行指數(shù)。
則 （3-17）
當(dāng)正向滑行指數(shù)時(shí)無解，這時(shí)物料不能出現(xiàn)正向滑行，可見出現(xiàn)正向滑行的條件是，滿足這一條件時(shí)的稱為正向滑行始角。由于絕大多數(shù)電振機(jī)，，所以和均為正值，這時(shí)的正向滑始角必在范圍內(nèi)，我們稱此區(qū)間為正向起滑區(qū)；當(dāng)反向滑動(dòng)時(shí)，摩擦力與坐標(biāo)正向一致，，同樣可推導(dǎo)出反向滑始角在范圍內(nèi)，如圖3-6所示[1]。
圖3-6
當(dāng)槽體向前向上加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物料由于慣性對(duì)底板的正壓力較大，故摩擦力較大，物料不能發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)槽體作減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物料由于慣性減小了對(duì)槽體的正壓力，致使摩擦力減小，物料就有可能發(fā)生正向相對(duì)滑動(dòng)。
當(dāng)處于滑行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，為了使物料出現(xiàn)比較良好的滑行運(yùn)動(dòng)和獲得較大的輸送速度，選取的正向滑行指數(shù)遠(yuǎn)大于1，通常。
2、 拋擲運(yùn)動(dòng)
物料在槽體內(nèi)出現(xiàn)拋擲運(yùn)動(dòng)時(shí)，槽體受到的無聊的正壓力，并且在開
始出現(xiàn)拋擲的瞬時(shí)相對(duì)加速度，因此由式（3-13）及式（3-7）可得：
（3-18）
則
令機(jī)械指數(shù)，拋擲指數(shù)
則 （3-19）
當(dāng)拋擲指數(shù)時(shí)，有解，因此出現(xiàn)拋擲運(yùn)動(dòng)的條件是，滿足此條件的稱為拋始角。由于電振機(jī)的和均在范圍內(nèi)，因此拋始角必在范圍內(nèi)，此范圍稱為拋始區(qū)，如圖3-7所示。
圖3-7
因?yàn)檎駝?dòng)圓頻率，并將式（3-19）代入（3-18）整理可得：
（3-20）
式中 n——電振機(jī)振動(dòng)次數(shù)，。
當(dāng)激振頻率，拋擲指數(shù)D以及，都已選定時(shí)，則可利用此式求出槽體單振幅。
物料拋離工作面以后，對(duì)工作面的正壓力，但，仍應(yīng)用式（3-13）可得
式中相對(duì)加速度對(duì)相對(duì)時(shí)間積分二次即可求得物料對(duì)工作面在y方向的相對(duì)位移
（3-21）
當(dāng)物料在y方向?qū)ぷ髅娴南鄬?duì)位移重新等于零時(shí)，拋擲運(yùn)動(dòng)告結(jié)束，物料落到工作面上，此時(shí)的陳為拋止角，拋止角與拋始角之差陳為拋離角，這是物料騰空的時(shí)間。
則 （3-22）
將，及式（3-22）代入（3-21）可得
（3-23）
所以
（3-24）
又因
(3-25)
所以 （3-26）
物料在時(shí)被拋起，經(jīng)過后在時(shí)與工作面接觸，假設(shè)槽體每個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)物料被拋起一次，則拋離一次的騰空時(shí)間與一個(gè)振動(dòng)周期之比稱為拋離系數(shù)i，它與拋離角有以下關(guān)系：
（3-27）
拋擲指數(shù)D與拋離系數(shù)i的關(guān)系為
（3-28）
根據(jù)上式可以做出如圖3-8所示的D與i的關(guān)系曲線，由所定的拋擲指數(shù)D可以求出跳躍系數(shù)i或可由i求出D值。
圖3-8
當(dāng)i=0時(shí)D=1，由式（3-27）得=0，說明物料沒有起跳而是隨槽體一起運(yùn)動(dòng)的，這種狀態(tài)無法實(shí)現(xiàn)物料供送，所以不可取。
當(dāng)i=1時(shí)，D=3.3，可知=，說明物料拋離時(shí)間恰與振動(dòng)周期相等，也即物料剛落到工作面上同時(shí)又被重新拋起。
當(dāng)i=2時(shí)，D=6.36，可知=，物料拋起后騰空飛越了2個(gè)振動(dòng)周期后才落到工作面上，同時(shí)又被重新拋起。
絕大多數(shù)電振機(jī)給料機(jī)通常選取，這時(shí)工作面每振動(dòng)一次，物料就出現(xiàn)一次拋擲運(yùn)動(dòng)。假設(shè)物料落下時(shí)與工作面碰撞屬非彈性碰撞，則物料落到工作面后有一段隨槽運(yùn)動(dòng)，然后當(dāng)時(shí)物料又被重新拋起，物料就隨著振動(dòng)頻率而實(shí)現(xiàn)周期性的拋擲運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)提高電振機(jī)的工作效率和減少不必要的能量消耗都是有益的。
假如物料落下時(shí)刻正處于起拋區(qū)內(nèi)，由式（3-13）可知此時(shí)，所以物料落下后馬上又開始第二次拋擲運(yùn)動(dòng)，但其拋擲運(yùn)動(dòng)的速度與前一次拋擲運(yùn)動(dòng)的初速度不同，所以后一次的拋擲周期與前一次的周期不同，故稱為非周期性拋擲運(yùn)動(dòng)[1]。
3.1.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的選擇和計(jì)算
3.1.3.1 機(jī)械指數(shù)K及振動(dòng)次數(shù)n和振幅的選擇
機(jī)械指數(shù)K的選擇主要受機(jī)體材料強(qiáng)度及物體剛度限制，通常取
所以此處取
K=4
選用半波整流電振機(jī)
圖3-9
取 ，故查圖3-9可得
即
所以根據(jù)公式：
mm
3.1.3.2 彈簧安裝角
由于是向上傾斜輸送，所以
3.1.3.3 理論輸送速度和實(shí)際輸送速度的計(jì)算
拋始角
拋離系數(shù)
圖3-10
1、 物料在拋擲段水平位移（x向）
（3-29）
式中 ——物料騰空時(shí)間。
（3-30）
將式（3-4）、（3-30）代入式（3-29）：
（3-30a）
（3-30b）
將式（3-19）、（3-25）、（3-27）、（3-30b）代入式（3-30a）化簡可得
2、 物體隨槽體水平位移
由圖中可知BC段相當(dāng)于段，點(diǎn)相位應(yīng)為，所以
將式（3-2）代入上式可得
（3-31）
由式（3-23）得
將上式代入（3-32）化簡得
3、 物料在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的總位移
4、 理論平均輸送速度
5、 實(shí)際平均速度
——安裝傾角系數(shù)，當(dāng)時(shí)，取，當(dāng)，取1；
——物料對(duì)輸送速度的影響系數(shù)，對(duì)顆粒狀物料取 ，對(duì)塊狀物料取，對(duì)粒末狀物料?。?
——粒層厚度對(duì)輸送速度的影響系數(shù)，取。
根據(jù)硬幣為塊狀物料取
=1，=0.8，=0.5
則
3.1.4 動(dòng)力學(xué)參數(shù)選擇及計(jì)算
3.1.4.1 減振彈簧剛度、
表3-1
根據(jù)表3-1得振動(dòng)料斗質(zhì)量，根據(jù)稱量1元硬幣重6.05g，0.5元硬幣重3.8g，0.1元硬幣重1.15g，設(shè)料斗中三種硬幣各200個(gè)，則槽體及槽體內(nèi)的物料的總質(zhì)量：
查《簡明機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》,主振彈簧全部質(zhì)量
設(shè)機(jī)體除去槽體以外重10kg
故電振機(jī)總質(zhì)量為
、——機(jī)體1和機(jī)體2的質(zhì)量
由于，故可得，
所以兩個(gè)減振彈簧剛度之和：
3.1.4.2質(zhì)體1和質(zhì)體2的計(jì)算質(zhì)量及誘導(dǎo)質(zhì)量
、——減振彈簧歸化后的質(zhì)量
、——主振彈簧的結(jié)合質(zhì)量；
、——主振彈簧按質(zhì)體1和質(zhì)體2分配的質(zhì)量；
——彈簧質(zhì)量結(jié)合系數(shù)，對(duì)板彈簧：，對(duì)圓柱螺旋彈簧：，對(duì)圓柱形壓縮橡膠彈簧：。此處為板彈簧，故。
——物料質(zhì)量向質(zhì)體1結(jié)合的質(zhì)量；
——物料結(jié)合系數(shù)。
故質(zhì)體1和質(zhì)體2的完整的計(jì)算質(zhì)量為：
空載時(shí)：
負(fù)載時(shí)
3.1.4.3 負(fù)載頻率比和空載頻率比
一般按照系統(tǒng)阻尼的大小，在下列范圍內(nèi)選取負(fù)載頻率，故取。
——物料結(jié)合質(zhì)量與質(zhì)體1的空載計(jì)算質(zhì)量之比
——空載下二質(zhì)體計(jì)算質(zhì)量之比
所以
3.1.4.4 電振機(jī)槽體的振幅及相對(duì)振幅
mm
mm
3.1.4.5 阻尼比b及相位角
根據(jù)表3-1實(shí)際調(diào)整阻尼比，取
3.1.4.6 電磁激振力和激振力幅值
電磁激振器工作時(shí)產(chǎn)生的電磁力由電磁學(xué)理論可導(dǎo)出以下近似表達(dá)式
式中 ——平均電磁力，是使彈簧產(chǎn)生靜變形的常力；
——一次諧波力幅值；
——二次諧波力幅值；
、——一次和二次諧波激振力的時(shí)間。
——激振力
3.1.4.7 電振機(jī)的功率N
為電磁鐵的效率，取=0.9
所以
3.1.5 電振機(jī)電磁參數(shù)計(jì)算
3.1.5.1 電磁鐵安裝方法
選用安裝在幾座中央，如圖3-11（a）
圖3-11
3.1.5.2 激磁方式和調(diào)節(jié)方式的選擇
選用半波整流激磁：振動(dòng)頻率為3000次/min，機(jī)體雙振幅一般為。如圖3-12（b）。
圖3-12
3.1.5.3 鐵心型式的選擇
選用“Ⅲ”型鐵心：結(jié)構(gòu)較緊湊，便于安裝，但漏磁較大，用于小型電振機(jī)。
3.1.5.4 鐵心截面積（磁極總面積的一半）
表3-2
查表3-2取、，取、、
——電磁激振力幅值與基本電磁力比值；
——電振機(jī)特征數(shù)；
——電路內(nèi)電阻對(duì)電磁力影響系數(shù)；
——磁力線擴(kuò)張系數(shù)；
——最大許用磁通密度。
3.1.6 振動(dòng)料斗參數(shù)選擇及設(shè)計(jì)要點(diǎn)
3.1.6.1 振動(dòng)料斗設(shè)計(jì)要點(diǎn)
1、料斗材料
選用有機(jī)玻璃，有機(jī)玻璃比較輕，而且表面光滑。
2、料斗基本尺寸確定
基本尺寸如圖3-13所示。
圖3-13
（1） 螺旋料槽螺距t 當(dāng)升角已定時(shí)，螺距t越大則料斗直徑越大，為緊湊尺寸，t以不讓兩個(gè)重疊工件同時(shí)通過為宜；
式中 ——工件在料槽上的高度（mm）；
——料槽板厚度，一般取。
（2） 料斗外徑
3.2 縱向熱封器設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇
3.2.1 概述
包裝機(jī)械屬于自動(dòng)機(jī)范疇，它的種類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，新型包裝機(jī)械不斷涌現(xiàn)，很難將它們的組成分類。但通過對(duì)大量包裝機(jī)械的工作原理和結(jié)構(gòu)性能的分析，可找出其組成的共同點(diǎn)。包裝機(jī)械由動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)等組成。為了便于掌握和研究包裝機(jī)械的工作原理與結(jié)構(gòu)性能，通常又將包裝機(jī)械分成一列組成部分[4]。
（1）包裝材料的整理與供送系統(tǒng) 該系統(tǒng)是將包裝材料（包括剛性、半剛性、剛性包裝材料和包裝容器及輔助物）進(jìn)行定長切斷或整理排列，并逐個(gè)輸送到預(yù)定工位的系統(tǒng)，如糖果包裝機(jī)中包裝紙的供送、切斷機(jī)構(gòu)。有的系統(tǒng)在供送過程中還能完成制袋或包裝容器的豎起、定型、定位等工作，有的封罐機(jī)的供送系統(tǒng)還可以完成罐蓋的定向、供送等工作。
（2）被包裝物品的計(jì)量與供送系統(tǒng) 該系統(tǒng)是將被包裝物品進(jìn)行計(jì)量、整理、排列，并輸送到預(yù)定工位的系統(tǒng)。有的還可完成被包裝物品的定型、分割。如飲料灌裝機(jī)的計(jì)量和液料供送系統(tǒng)；餅干包裝機(jī)的餅干整理、排列和供送系統(tǒng)。
（3）主傳送系統(tǒng) 該系統(tǒng)是將包裝材料和被包裝物品由一個(gè)包裝工位順序傳送到下一個(gè)包裝工位的系統(tǒng)。單工位包裝機(jī)沒有傳送系統(tǒng)。
全部包裝工序在包裝機(jī)上往往分散成幾個(gè)工位來協(xié)同完成供送包裝材料和被包裝物品，直到把產(chǎn)品輸出。主傳送機(jī)構(gòu)的形式影響其外形，所以必須有專門的機(jī)構(gòu)來傳送包裝材料和被包裝物品，直到把產(chǎn)品輸出。
（4）包裝執(zhí)行機(jī)構(gòu) 包裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)是直接完成包裝操作的機(jī)構(gòu)，即完成裹包、灌裝、封口、貼標(biāo)、捆扎等操作的機(jī)構(gòu)。如糖果裹包機(jī)的前、后推糖板，抄紙板，糖鉗手和扭結(jié)手等組成的機(jī)構(gòu)就是包裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)；封罐機(jī)中的兩道卷封滾輪也是包裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
（5）成品輸出機(jī)構(gòu) 成品輸出機(jī)構(gòu)是把包裝好的產(chǎn)品從包裝機(jī)上卸下、定向排列并輸出的機(jī)構(gòu)。有的包裝機(jī)械的成品輸出是由主傳送機(jī)構(gòu)完成的或是靠包裝產(chǎn)品的自重卸下的。
（6）動(dòng)力機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng) 動(dòng)力機(jī)是機(jī)械工作的原動(dòng)力，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中通常為電動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)是指將動(dòng)力機(jī)的動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)傳給執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)，使其實(shí)現(xiàn)預(yù)定動(dòng)作的裝置。通常由傳動(dòng)零件，如帶輪、齒輪、鏈輪、凸輪、渦輪、蝸桿等組成，或者由機(jī)、電、液、氣等多種形式的傳動(dòng)組成。
（7）控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)由各種手動(dòng)、自動(dòng)裝置組成。在包裝機(jī)中從動(dòng)力的輸出、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)、包裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作及相互配合以及包裝產(chǎn)品的輸出，都是由控制系統(tǒng)指令操縱的。它包括包裝過程、包裝質(zhì)量、故障與安全的控制。
現(xiàn)代包裝機(jī)械的控制方法除機(jī)械形式外，還有電氣控制、氣動(dòng)控制、光電控制、電子控制和射流控制，可根據(jù)包裝機(jī)械的自動(dòng)化水平和生產(chǎn)要求選擇。
（8）機(jī)身 機(jī)身用于安裝、固定、支承包裝機(jī)所有的零件，滿足其相互運(yùn)動(dòng)和相互位置的要求。因此，機(jī)身必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。
包裝機(jī)械既具有一般自動(dòng)機(jī)的共性，也具有其自身的特性。包裝機(jī)械的主要特點(diǎn)如下。
（1）大多數(shù)包裝機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)速度快，動(dòng)作精度高。為滿足性能要求，對(duì)零部件的剛度和表面質(zhì)量等都由較高的要求。
（2）用于食品和藥品的包裝機(jī)要便于清洗，與食品和藥品接觸的部位要用不銹鋼或經(jīng)化學(xué)處理的無毒材料制成。
（3）進(jìn)行包裝時(shí)的作用力一般都較小，所以包裝機(jī)的電動(dòng)機(jī)功率較小。
（4）包裝機(jī)一般都采用無極變速裝置，以便靈活調(diào)整包裝速度、調(diào)節(jié)包裝機(jī)的生產(chǎn)能力。因?yàn)橛绊懓b質(zhì)量的因素很多，諸如包裝機(jī)的工作狀態(tài)、包裝材料和包裝物的質(zhì)量等。所以，為了便于機(jī)器的調(diào)整，滿足質(zhì)量和生產(chǎn)能力的需要，往往把包裝機(jī)設(shè)計(jì)成無極可調(diào)的，即采用無極變速裝置。
（5）包裝機(jī)械是特殊類型的專業(yè)機(jī)械，種類繁多，生產(chǎn)數(shù)量有限。為便于制造和維修，減少設(shè)備投資，在各種包裝機(jī)的設(shè)計(jì)中應(yīng)注意標(biāo)準(zhǔn)化、通用性及多功能性。
3.2.2 縱封器的設(shè)計(jì)
帶裝機(jī)上配置的縱封器，主要用來完成袋筒成型后的縱邊封合。根據(jù)熱封器運(yùn)動(dòng)的不同方式，將縱封器分為連續(xù)式和間歇式兩種[4]。
連續(xù)式縱封器的熱封結(jié)構(gòu)是作等速相向回轉(zhuǎn)的一對(duì)輥筒，它對(duì)袋筒兼有施壓、牽引及加熱封邊的作用，又稱輥式縱封器。在加熱期間，熱量由輥筒內(nèi)的電熱絲通電后供給，常熱式輻射加熱，使熱熔性塑料進(jìn)入兩輥筒的熱合接觸面，相互黏合而形成一道密合的縱縫。
間歇式縱封器呈板條狀結(jié)構(gòu)，大都用氣（油）缸作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，又稱板式縱封器。當(dāng)袋筒停歇時(shí)，縱封器可對(duì)其疊合的側(cè)邊壓緊并進(jìn)行脈沖式熱封，使其形成一道密合的縱縫。釋放后，再借其他裝置完成牽引動(dòng)作。
本設(shè)計(jì)中，由于有數(shù)量規(guī)定，每一百個(gè)硬幣后縱封一次，所以應(yīng)選用間歇式縱封器，但由于整個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源均是電力的，所以將縱封器的動(dòng)力源氣（油）缸改為電磁鐵驅(qū)動(dòng)。
圖1
板式縱封器的結(jié)構(gòu)及其應(yīng)實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)一般比較簡單，圖1所示是幾種常見的機(jī)構(gòu)型式。其中（a）圖為直推式：氣缸固定，活塞推動(dòng)縱封板往復(fù)移動(dòng)并壓緊，具有結(jié)構(gòu)緊湊、壓力較均勻等優(yōu)點(diǎn)。（b）圖為拉動(dòng)式：氣缸可以在機(jī)體內(nèi)設(shè)置，整機(jī)外形較平整，拉動(dòng)時(shí)采用杠桿原理，以增大作用力的倍數(shù)，但增加了氣缸的行程，且熱封板橫向受壓不均勻。（c）圖為杠桿式：將氣缸推力通過杠桿轉(zhuǎn)換成熱封板對(duì)縱縫處的壓力，具有上述兩者的某些優(yōu)點(diǎn)，克服了一些不足；但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了傳動(dòng)桿件，傳動(dòng)效果受到一定影響。（d）圖為杠桿夾合式：氣缸擺動(dòng)，適用于對(duì)接式縱縫的封合。上述前三種主要用于搭接式縱縫封口，若對(duì)成型器及料管稍加改裝，同樣可用來對(duì)接縱縫封合。在本設(shè)計(jì)中，選用直推式縱封器進(jìn)行縱封，直推式縱封器如圖1（a）所示。
板式縱封器主要由熱封板、調(diào)壓彈簧及驅(qū)動(dòng)氣缸組成，此處驅(qū)動(dòng)氣缸換成電磁鐵驅(qū)動(dòng)[6]。工作壓力一般為。
故取壓強(qiáng)
銜鐵直徑
則，銜鐵面積
則，電磁鐵吸力為
取
則，氣隙的截面積
3.2.3 塑料材料及熱封溫度的選擇
（一）熱封原理
將兩層以上的塑料薄膜熱熔到一起，這除了與塑料材料本身的性能有關(guān)，如熔融溫度、熱穩(wěn)定性等，還與溫度、壓力、時(shí)間和加熱方式、封頭形式有關(guān)。它們都是在加熱條件下，使薄膜的熱合部位局部地達(dá)到熔融狀態(tài)，并施加壓力，經(jīng)過一段時(shí)間后，分子互相滲透，經(jīng)過冷卻、定型后而起熱封合作用。一般來說，溫度低些、壓力小些，時(shí)間長點(diǎn)，熱封質(zhì)量較好。溫度太高，薄膜容易出現(xiàn)軟化，產(chǎn)生較大的熱收縮變形，影響封口質(zhì)量，甚至燒穿；如果時(shí)間太長，由得塑料會(huì)受熱分解，壓力過大，使封口變形增大，封接強(qiáng)度下降。這三個(gè)參數(shù)的關(guān)系可用圖2來表示，圖中的上限是收縮超過3%，下限是封接強(qiáng)度等于98kPa，它們上下限間的范