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世界最新機(jī)械設(shè)計(jì)理念
來(lái)源:中國(guó)科技期刊
摘要:根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)學(xué)者進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)的主要思維特點(diǎn)，將產(chǎn)品方案的設(shè)計(jì)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(shí)和智能。這幾種方法的特點(diǎn)及其相互間的有機(jī)聯(lián)系，提出產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的努力方向。
關(guān)鍵詞：機(jī)械產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)方法發(fā)展趨勢(shì)
設(shè)計(jì)文件是將語(yǔ)義設(shè)計(jì)網(wǎng)作為設(shè)計(jì)工具，在其開(kāi)發(fā)的活性語(yǔ)義設(shè)計(jì)網(wǎng)ASK中，采用結(jié)點(diǎn)和線條組成的網(wǎng)絡(luò)描述設(shè)計(jì)，結(jié)點(diǎn)表示元件化的單元(如設(shè)計(jì)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(diǎn)間不同的語(yǔ)義關(guān)系，由此為設(shè)計(jì)過(guò)程中的所有活動(dòng)和結(jié)果預(yù)先建立模型，使早期設(shè)計(jì)要求的定義到每一個(gè)結(jié)構(gòu)的具體描述均可由關(guān)系間的定義表達(dá)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過(guò)程由抽象到具體的飛躍。
系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法
系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)是：將設(shè)計(jì)看成由若干個(gè)設(shè)計(jì)要素組成的一個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)設(shè)計(jì)要素具有獨(dú)立性，各個(gè)要素間存在著有機(jī)的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設(shè)計(jì)要素結(jié)合后，即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需完成的任務(wù)。
系統(tǒng)化設(shè)計(jì)思想于70年代由德國(guó)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(jì)的一般模式，倡導(dǎo)設(shè)計(jì)工作應(yīng)具備條理性。德國(guó)工程師協(xié)會(huì)在這一設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上，制訂出標(biāo)準(zhǔn)VDI2221技術(shù)系統(tǒng)和產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)方法。
1. 將用戶(hù)需求作為產(chǎn)品功能特征構(gòu)思、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零件設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、作業(yè)控制等的基礎(chǔ)，從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的宏觀過(guò)程出發(fā)，利用質(zhì)量功能布置方法，系統(tǒng)地將用戶(hù)需求信息合理而有效地轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)各階段的技術(shù)目標(biāo)和作業(yè)控制規(guī)程的方法。
2. 將產(chǎn)品看作有機(jī)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(jì)過(guò)程劃分成功能需求層次、實(shí)現(xiàn)功能要求的概念層次和產(chǎn)品的具體設(shè)計(jì)層次。同時(shí)采用了生命系統(tǒng)圖符抽象地表達(dá)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(jī)械設(shè)計(jì)中系統(tǒng)科學(xué)的應(yīng)用歸納為兩個(gè)基本問(wèn)題：一是把要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品作為一個(gè)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(jì)過(guò)程看成一個(gè)系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，正確、合理地確定設(shè)計(jì)中各個(gè)方面的工作和各個(gè)不同的設(shè)計(jì)階段。
由于每個(gè)設(shè)計(jì)者研究問(wèn)題的角度以及考慮問(wèn)題的側(cè)重點(diǎn)不同，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)方法。
4. 設(shè)計(jì)元素法
用五個(gè)設(shè)計(jì)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(rèn)為一個(gè)產(chǎn)品的五個(gè)設(shè)計(jì)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(guó)亦有設(shè)計(jì)學(xué)者采用了類(lèi)似方法描述產(chǎn)品的原理解。
5. 圖形建模法
研制的“設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)劃分成輔助方法和信息交換兩個(gè)方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用圖形符號(hào)、具有內(nèi)容豐富的語(yǔ)義模型結(jié)構(gòu)、可以描述集成條件、可以劃分約束類(lèi)型、可以實(shí)現(xiàn)關(guān)系間的任意結(jié)合等特點(diǎn)，將設(shè)計(jì)方法解與信息技術(shù)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)”法
將產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)分成“構(gòu)思”和“設(shè)計(jì)”兩個(gè)階段。“構(gòu)思”階段的任務(wù)是尋求、選擇和組合滿(mǎn)足設(shè)計(jì)任務(wù)要求的原理解?！霸O(shè)計(jì)”階段的工作則是具體實(shí)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(mǎn)足設(shè)計(jì)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(shí)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(jī)械運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖)。方案的“設(shè)計(jì)”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(jì)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(dòng)參數(shù)間相互關(guān)系的若干種簡(jiǎn)圖，把設(shè)計(jì)專(zhuān)家憑直覺(jué)設(shè)計(jì)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(shí)的方法，并將其應(yīng)用于“構(gòu)思”和“設(shè)計(jì)”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(lèi)型，并借用鍵合圖表達(dá)元件的功能解，希望將基于功能的模型與鍵合圖結(jié)合，實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的自動(dòng)生成和功能結(jié)構(gòu)與鍵合圖之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，尋求由鍵合圖產(chǎn)生多個(gè)設(shè)計(jì)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(gè)或幾個(gè)模塊化的基本結(jié)構(gòu)，通過(guò)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(gè)系統(tǒng)。
本結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有標(biāo)準(zhǔn)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(jì)化，具有互換性、相容性和相關(guān)性。我國(guó)結(jié)合軟件構(gòu)件技術(shù)和CAD技術(shù)，將變形設(shè)計(jì)與組合設(shè)計(jì)相結(jié)合，根據(jù)分級(jí)模塊化原理，將加工中心機(jī)床由大到小分為產(chǎn)品級(jí)、部件級(jí)、組件級(jí)和元件級(jí)，并利用專(zhuān)家知識(shí)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(jì)為目錄作為選擇變異機(jī)械結(jié)構(gòu)的工具，提出將設(shè)計(jì)的解元素進(jìn)行完整的、結(jié)構(gòu)化的編排，形成解集設(shè)計(jì)目錄。并在解集設(shè)計(jì)目錄中列出評(píng)論每一個(gè)解的附加信息，非常有利于設(shè)計(jì)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(jì)與制造，以及從用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品的功能需求→設(shè)計(jì)→加工→裝配→成品這一并行工程的實(shí)現(xiàn)成為可能。但是，達(dá)到這些目標(biāo)的重要前提條件之一，就是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)效果的三維可視化。為此，不僅三維圖形軟件、智能化設(shè)計(jì)軟件愈來(lái)愈多地應(yīng)用于產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及多媒體、超媒體工具也在產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)中初露鋒芒。目前，德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家正著力于研究超媒體技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)STEP，以及標(biāo)準(zhǔn)虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言上基于虛擬環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)交換格式)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。
機(jī)械產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)正朝著計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)、智能化設(shè)計(jì)和滿(mǎn)足異地協(xié)同設(shè)計(jì)制造需求的方向邁進(jìn)，由于產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法的研究起步較晚，目前還沒(méi)有成熟的、能夠達(dá)到上述目標(biāo)的方案設(shè)計(jì)工具軟件。作者認(rèn)為，綜合運(yùn)用文中四種類(lèi)型設(shè)計(jì)方法是達(dá)到這一目標(biāo)有效途徑。雖然這些方法的綜合運(yùn)用涉及的領(lǐng)域較多，不僅與機(jī)械設(shè)計(jì)的領(lǐng)域知識(shí)有關(guān)，而且還涉及到系統(tǒng)工程理論、人工智能理論、計(jì)算機(jī)軟硬件工程、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等各方面的領(lǐng)域知識(shí)，但仍然是產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)必須努力的方向。國(guó)外在這方面的研究已初見(jiàn)成效，我國(guó)設(shè)計(jì)學(xué)者也已意識(shí)到CAD技術(shù)與國(guó)際交流合作的重要性，及其應(yīng)當(dāng)采取的措施。
基于產(chǎn)品特征知識(shí)設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)是：用計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的語(yǔ)言描述產(chǎn)品的特征及其設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)，建立相應(yīng)的知識(shí)庫(kù)及推理機(jī)，再利用已存儲(chǔ)的領(lǐng)域知識(shí)和建立的推理機(jī)制實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)。
機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)主要是依據(jù)產(chǎn)品所具有的特征，以及設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推量和決策，完成機(jī)構(gòu)的型、數(shù)綜合。欲實(shí)現(xiàn)這一階段的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，必須研究知識(shí)的自動(dòng)獲取、表達(dá)、集成、協(xié)調(diào)、管理和使用。為此，國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)學(xué)者針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)知識(shí)的自動(dòng)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(jì)背景 1
2. 設(shè)計(jì)思路 1
3. 分揀機(jī)整體效果外觀 2
3.1. 主要功能實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)圖 2
3.2. 硬幣分揀機(jī)外觀圖 2
3.3. 機(jī)構(gòu)爆炸圖 3
4. 主要機(jī)構(gòu) 4
4.1. 轉(zhuǎn)盤(pán) 4
4.2. 篩選滑軌 5
4.3. 計(jì)數(shù)通道 6
4.4. 接幣筒 7
5. 主要機(jī)構(gòu)尺寸與動(dòng)力分析計(jì)算 7
5.1. 裝置尺寸計(jì)算 7
5.1.1. 轉(zhuǎn)盤(pán)尺寸 8
5.1.2. 滑道尺寸 10
5.1.3. 計(jì)數(shù)通道尺寸 12
5.2. 馬達(dá)選型計(jì)算 12
5.3. 軸的選擇 13
5.4. 主要參數(shù)代號(hào) 15
5.5. 傳感器主要控制程序硬幣計(jì)數(shù)原理 16
5.5.1. 單片機(jī) 16
5.5.2. 光電傳感器 16
5.5.3. 主要計(jì)數(shù)程序 16
5.5.4. 控制機(jī)構(gòu) 19
5.6. 設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果匯總 19
6. 硬幣分揀機(jī)特點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn) 20
6.1. 特點(diǎn) 20
6.2. 創(chuàng)新點(diǎn) 20
7. 應(yīng)用前景 21
8. 參考文獻(xiàn) 21
1. 設(shè)計(jì)背景
日常生活中，每天都有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的硬幣流通，超市、游樂(lè)場(chǎng)、公交公司等是硬幣大量集中的場(chǎng)所，如果由人工清點(diǎn)包裝硬幣，效率低、速度慢，將會(huì)造成人力資源的巨大浪費(fèi)，因此用機(jī)械清點(diǎn)包裝硬幣已成為未來(lái)趨勢(shì)。針對(duì)超市、小型游樂(lè)場(chǎng)等硬幣流通場(chǎng)所，設(shè)計(jì)出適合現(xiàn)狀的硬幣清點(diǎn)包裝機(jī)械，以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。本設(shè)計(jì)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(jì)思路
設(shè)計(jì)的硬幣分揀機(jī)功能流程與實(shí)現(xiàn)裝置流程示意圖為圖1。
先將硬幣分揀機(jī)的啟動(dòng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)，待電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)起來(lái)后，再向容幣殼體中投入硬幣，投入的硬幣經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)帶動(dòng)，帶到上面的分幣滑軌當(dāng)中，通過(guò)安裝在滑軌上的的凸臺(tái)將進(jìn)入到滑軌上的硬幣分類(lèi)，然后落入滑軌下面的計(jì)數(shù)通道中，經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)通道上的光電傳感器，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)，最后落入最下面的接幣筒中，通過(guò)接幣筒中的硬幣包裝紙來(lái)將已經(jīng)裝好的硬幣包裝起來(lái)。
圖 1 硬幣分揀機(jī)功能流程與實(shí)現(xiàn)裝置
3. 分揀機(jī)整體效果外觀
3.1. 主要功能實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)圖
硬幣分揀機(jī)主要機(jī)構(gòu)構(gòu)成包括（圖2）：（1）轉(zhuǎn)盤(pán)；（2）篩幣軌道；（3）計(jì)數(shù)通道；（4）接幣筒。
圖 2 功能實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)圖
3.2. 硬幣分揀機(jī)外觀圖
硬幣分揀機(jī)總體外觀如圖3所示，整個(gè)硬幣分揀機(jī)長(zhǎng)390mm，寬200mm，高300mm（圖4）。內(nèi)部主要功能實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)與豎直平面成20°，接幣筒是外接。硬幣分揀機(jī)整體重量約4Kg。
圖 3 機(jī)構(gòu)外觀圖
圖 4整體尺寸圖
轉(zhuǎn)盤(pán)直徑150mm，出幣盒長(zhǎng)230mm，因此箱體長(zhǎng)度L
為了節(jié)約材料，零件布局合理，取L為390mm 。
3.3. 機(jī)構(gòu)爆炸圖
圖5為整個(gè)機(jī)構(gòu)爆炸圖。
1.軸承組件；2.軸；3.轉(zhuǎn)盤(pán)組件；4.電機(jī)；5.主板；6.滑軌；7.計(jì)數(shù)通道；8.接幣筒；9.接幣筒支架。
圖 5 機(jī)構(gòu)爆炸圖
4. 主要機(jī)構(gòu)
4.1. 轉(zhuǎn)盤(pán)
如下圖所示，硬幣由上至下投入容幣殼體之中，轉(zhuǎn)盤(pán)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(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速100轉(zhuǎn)/分； 凸臺(tái)之間的夾角為30度，兩者之間只能夾一個(gè)硬幣往上傳送，同時(shí)凸臺(tái)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(gè)硬幣通過(guò)，所以硬幣只能是一個(gè)一個(gè)排隊(duì)進(jìn)入篩幣裝置。
轉(zhuǎn)盤(pán)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(huì)出現(xiàn)兩個(gè)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(shí)硬幣擋板上設(shè)計(jì)有隔板，隔板與轉(zhuǎn)盤(pán)之間的距離小于兩個(gè)硬幣疊在一起的厚度，故可以有效防止兩個(gè)硬幣在進(jìn)入滑軌時(shí)引起卡幣現(xiàn)象發(fā)生。
轉(zhuǎn)盤(pán)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(pán)用金屬制作，會(huì)致使轉(zhuǎn)盤(pán)與硬幣的摩擦中最底面的一圈越來(lái)越光滑，從而致使最后一個(gè)硬幣在其中打滑帶不上去，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，選用ABS塑料效果良好，故選用其為制造材料。
圖 6轉(zhuǎn)盤(pán)示意圖
4.2. 篩選滑軌
硬幣由前面的轉(zhuǎn)盤(pán)帶入到下圖所示右側(cè)的分幣滑軌，開(kāi)始分揀硬幣。如下圖，先分出一元，圖示中存在一個(gè)安裝在滑軌上的斜坡臺(tái)，因?yàn)樾迸_(tái)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(yùn)動(dòng)方向，導(dǎo)致1號(hào)處的一元硬幣沿著斜臺(tái)出來(lái)，而其他的硬幣不改變方向，繼續(xù)進(jìn)入下一個(gè)軌道。同理，2號(hào)和3號(hào)出依次分出舊一角和五角。而最后的一角由于沒(méi)有凸臺(tái)改變軌道方向從最后的出口處出來(lái)。
為了讓硬幣順著斜坡臺(tái)完全導(dǎo)出滑軌，故斜坡臺(tái)的斜度必須讓硬幣重心偏離豎直平面。
圖 7 轉(zhuǎn)盤(pán)滑軌連接圖
圖 8 滑軌示意圖
4.3. 計(jì)數(shù)通道
硬幣是由篩幣裝置篩選后落入圖9所示的計(jì)數(shù)通道之中。由于硬幣是一個(gè)一個(gè)排隊(duì)進(jìn)入其中，而且計(jì)數(shù)通道出口最小尺寸也大于硬幣的直徑，所以不會(huì)出現(xiàn)卡幣現(xiàn)象。硬幣落入計(jì)數(shù)通道中會(huì)經(jīng)過(guò)安裝在計(jì)數(shù)通道上的光電傳感器，實(shí)現(xiàn)擋光，從而達(dá)到計(jì)數(shù)的目的。最后落入計(jì)數(shù)通道出口處的收集筒之中。
圖 9 計(jì)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(dāng)收集滿(mǎn)時(shí)，只需拔下收集筒，順著把筒中的包裝紙倒出來(lái)并折好就完成了硬幣的半包裝。
圖 10接幣筒
5. 主要機(jī)構(gòu)尺寸與動(dòng)力分析計(jì)算
5.1. 裝置尺寸計(jì)算
設(shè)計(jì)殼體內(nèi)圈直徑比轉(zhuǎn)盤(pán)大5mm，殼體厚度為2mm。尺寸都與轉(zhuǎn)盤(pán)配合。
圖 11殼體尺寸圖
5.1.1. 轉(zhuǎn)盤(pán)尺寸
圖 12 轉(zhuǎn)盤(pán)尺寸
(1)容幣殼體
為了保證硬幣隨轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)到篩選幣道而不脫離轉(zhuǎn)盤(pán)根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(pán)接觸，查閱資料可得，殼體選擇較為輕質(zhì)的鋁合金和ABS滿(mǎn)足要求，為了節(jié)省成本，選用ABS。
（2） 轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)體
轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)體與豎直方向成20°夾角，為了使硬幣更容易被轉(zhuǎn)盤(pán)帶到篩幣滑道，應(yīng)該把提高轉(zhuǎn)盤(pán)的表面粗糙度，增大硬幣與轉(zhuǎn)盤(pán)摩擦系數(shù)，同時(shí)為使產(chǎn)品輕質(zhì)，可選ABS轉(zhuǎn)盤(pán)。
圖 14 轉(zhuǎn)盤(pán)帶動(dòng)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(dòng)摩擦，從而順利分出硬幣。且為了輕質(zhì)，選材可為ABS樹(shù)脂。
（1）安裝在滑軌上的斜坡凸臺(tái)的坡度計(jì)算：以滑軌側(cè)面局部視圖作為參考進(jìn)行計(jì)算
圖15 滑軌側(cè)面示意圖
以一元硬幣的滑軌坡度為例，進(jìn)行計(jì)算，
一元出口斜坡底面離滑軌底面為L(zhǎng)1=24滑軌厚度為L(zhǎng)2=6
要使硬幣百分百?gòu)幕壜涞接?jì)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(jì)算得斜坡高度為
我們?cè)O(shè)計(jì)尺寸為15.8滿(mǎn)足所需條件
同理，其他斜坡長(zhǎng)度都比一元的要小，故設(shè)計(jì)尺寸都為15.8mm滿(mǎn)足所需要求。
（2）特定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
為了讓硬幣更好的導(dǎo)入下面的計(jì)數(shù)通道中，斜坡最后設(shè)計(jì)有一個(gè)大一點(diǎn)的斜坡面，讓硬幣與斜坡臺(tái)的接觸面積增大，更好的改變硬幣的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而使它落入下面的計(jì)數(shù)通道當(dāng)中。
（3）尺寸設(shè)計(jì)：
硬幣在滑道中滑動(dòng)，滑道寬度在入口保證3mm，讓硬幣一個(gè)一個(gè)進(jìn)來(lái)，分揀滑道口則為4毫米，讓硬幣能在滑道中改變軌跡時(shí)不會(huì)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(tái)能順利導(dǎo)出硬幣，使其進(jìn)入計(jì)數(shù)通道。
圖 16滑軌尺寸圖
圖17 安裝在滑軌上的一元斜臺(tái)
5.1.3. 計(jì)數(shù)通道尺寸
計(jì)數(shù)通道出口最小尺寸也大于硬幣的直徑，所以不會(huì)出現(xiàn)卡幣現(xiàn)象。設(shè)計(jì)在計(jì)數(shù)通道當(dāng)中掏出一個(gè)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(jì)數(shù)通道尺寸如下圖所示。
圖18計(jì)數(shù)通道尺寸圖
5.2. 馬達(dá)選型計(jì)算
1）轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
轉(zhuǎn)盤(pán)選材為ABS塑料，由Creo分析可得，
轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (r為轉(zhuǎn)盤(pán)半徑)
一元硬幣自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)殼體內(nèi)最多容納計(jì)算容納200個(gè)一元硬幣時(shí)，硬幣繞轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
所以轉(zhuǎn)盤(pán)和硬幣總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
（2）轉(zhuǎn)盤(pán)角加速度：
假設(shè)轉(zhuǎn)盤(pán)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(pán)軸所需的力矩：
表 2 馬達(dá)參數(shù)表
型號(hào)
額定電壓
額定力矩
JGB37-550
DC12V
1N.M
所選馬達(dá)的力矩為1Nm，遠(yuǎn)大于所需的0.1N.m，所以滿(mǎn)足要求。
（4）校核計(jì)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(diǎn)，符合設(shè)計(jì)要求。
（5）轉(zhuǎn)速選擇：
轉(zhuǎn)速達(dá)到130r/min時(shí)，會(huì)導(dǎo)致硬幣還未進(jìn)入篩幣滑道之前就從容幣殼體中彈飛，因此經(jīng)過(guò)調(diào)解電機(jī)轉(zhuǎn)速，確定轉(zhuǎn)速大約100轉(zhuǎn)左右恰好合適。
（6）分揀機(jī)分幣速度：
由上選擇轉(zhuǎn)速為100r/min，轉(zhuǎn)盤(pán)每轉(zhuǎn)能帶6個(gè)到滑軌當(dāng)中，所以每分鐘最多可以帶600個(gè)進(jìn)入滑軌當(dāng)中，排除概率性事件，轉(zhuǎn)盤(pán)每次最少能帶一個(gè)進(jìn)入滑軌，一分鐘就帶100個(gè)。所以分揀機(jī)的分揀速度為每分鐘400-600個(gè)。
5.3. 軸的選擇
軸的選材為鋁合金，由選用電機(jī)、傳動(dòng)方式和軸承設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)如下，軸承內(nèi)徑設(shè)計(jì)下列尺寸。
圖19軸尺寸圖
軸的強(qiáng)度校核：對(duì)軸進(jìn)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(pán)對(duì)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(guò)。
5.4. 主要參數(shù)代號(hào)
序號(hào)
代號(hào)
解釋
序號(hào)
代號(hào)
解釋
1
a
殼體與水平面夾角
10
J
轉(zhuǎn)盤(pán)和硬幣總轉(zhuǎn)動(dòng)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(pán)質(zhì)量
15
F2
軸承上的支持力
7
J0
轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
16
F3
轉(zhuǎn)盤(pán)對(duì)軸上的拉力
8
J1
一元硬幣自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
17
M
軸承上的彎矩
9
J2
硬幣繞轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)數(shù)原理
5.5.1. 單片機(jī)
根據(jù)對(duì)硬幣計(jì)數(shù)的要求，STC89C51RC型單片機(jī)對(duì)硬幣進(jìn)行計(jì)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(hào)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(shí)執(zhí)行CPU復(fù)位及顯示屏清零功能。
圖22 STC89C51RC型單片機(jī)引腳圖
5.5.2. 光電傳感器
光電傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的一種傳感器。本計(jì)數(shù)部分選用遮光式傳感器，使用時(shí)通過(guò)硬幣遮擋傳感器光線使傳感器檢測(cè)到的光信號(hào)變?nèi)?，傳感器把這種光信號(hào)變化通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)化為低電信號(hào)輸入單片機(jī)實(shí)現(xiàn)硬幣計(jì)數(shù)。
5.5.3. 主要計(jì)數(shù)程序
1）延時(shí)函數(shù)，主要用于滿(mǎn)足程序響應(yīng)時(shí)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(jì)數(shù)傳感器基本參數(shù)選擇如表3。
表 3 光電計(jì)數(shù)傳感器型號(hào)和數(shù)量選擇
電壓
電流
響應(yīng)時(shí)間
有效距離
個(gè)數(shù)
5VDC
5mA
2ms
0~300mm
4對(duì)
5.5.4. 控制機(jī)構(gòu)
啟動(dòng)功能：控制馬達(dá)的啟動(dòng)來(lái)帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器的工作。
暫停功能：暫停馬達(dá)的工作來(lái)控制整個(gè)機(jī)器的運(yùn)動(dòng)。
清零功能：將計(jì)數(shù)顯示清零。
5.6. 設(shè)計(jì)計(jì)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(hào)
組件
數(shù)量
尺寸
重量
材料
1
基本功能
硬幣轉(zhuǎn)盤(pán)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(jì)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(jì)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(dá)
1
額定電壓
DC12V
扭矩
1N.m
轉(zhuǎn)速
100r/min
8
控制器
1
開(kāi)始
暫停
復(fù)位
總計(jì)
17
表 5 硬幣分揀機(jī)產(chǎn)品參數(shù)表
電源需求
AV220V 50HZ
額定電流
0.85A
功率
25W
單臺(tái)凈重
約4kg
外箱尺寸
長(zhǎng)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(gè)/分鐘
計(jì)數(shù)模式
連續(xù)計(jì)數(shù)模式、累計(jì)計(jì)數(shù)模式
6. 硬幣分揀機(jī)特點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)
6.1. 特點(diǎn)
本產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)硬幣的分類(lèi)、清點(diǎn)、整理三種功能，同時(shí)具有如下特點(diǎn)：
1）體積小巧：裝置體積小巧（長(zhǎng)390mm×寬200mm×高300mm），不用專(zhuān)門(mén)騰出空間放置使用；
2）清撿速度快：每分鐘最快可達(dá)600個(gè)。
3）具有多種計(jì)數(shù)模式：連續(xù)計(jì)數(shù)模式，累計(jì)計(jì)數(shù)模式。
6.2. 創(chuàng)新點(diǎn)
本設(shè)計(jì)產(chǎn)品的創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下：
1）基于分區(qū)斜盤(pán)的硬幣分揀機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)盤(pán)，斜置的圓臺(tái)狀容幣殼體能使得硬幣依次從容幣殼體滑動(dòng)到分區(qū)斜盤(pán)，同時(shí)斜盤(pán)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(jìn)入篩選滑軌，提高了分揀效率。
2）基于斜坡凸臺(tái)的硬幣篩選滑軌機(jī)構(gòu)。利用不同高度的斜坡凸臺(tái)巧妙地改變不同直徑硬幣的運(yùn)動(dòng)軌跡，達(dá)到分揀的目的（實(shí)現(xiàn)對(duì)一元、舊一角、五角、一角的依次分揀），設(shè)計(jì)巧妙，精度高；
3）采用“計(jì)數(shù)通道-接幣筒-硬幣包裝紙”的硬幣整理半包裝機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)計(jì)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(lái)，從而達(dá)到硬幣包裝的效果。同時(shí)在在計(jì)數(shù)通道支架上設(shè)置了一個(gè)光電傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)數(shù)功能。該硬幣整理半包裝機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)硬幣的整理、半包裝和計(jì)數(shù)三種功能。
7. 應(yīng)用前景
我們?cè)O(shè)計(jì)的硬幣分揀機(jī)可在便利店等個(gè)體商戶(hù)或居家使用。通過(guò)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(gè)體商戶(hù)數(shù)就超百家，用戶(hù)群大，市場(chǎng)前景廣闊。
我們?cè)O(shè)計(jì)的小型硬幣分揀機(jī)同時(shí)具有分揀、篩選、整理、包裝和計(jì)數(shù)五種主要功能，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，同時(shí)成本較低，性能優(yōu)，將能滿(mǎn)足超市，游樂(lè)場(chǎng)，便利店，居家等廣大用戶(hù)的需求。
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22