全國機械創(chuàng)新設(shè)計大賽說明書

1、 /17機械創(chuàng)新設(shè)計大賽參賽作品設(shè)計說明書作品名稱：設(shè)計者：指導教師：參賽單位：硬幣分類清點裝置設(shè)計說明書設(shè)計者：指導老師：摘要：本設(shè)計圍繞服務社會的主題，針對目前公交公司、商超等對大量硬幣進行分類、清點的實際需求，開展了一種可對目前流通的所有不同種類的硬幣實施快速分類與清點的機械裝置的設(shè)計工作。制造出的裝置原型在實際運行中，有效的將混雜在一起的硬幣進行了分類收集與清點。本設(shè)計結(jié)構(gòu)精巧，使用方便，有望得到廣泛應用，服務社會。關(guān)鍵詞：硬幣分離清點；離心筒；轉(zhuǎn)盤；滑道作品內(nèi)容簡介通過對第七屆全國大學生的主題為“服務社會高效、便利、個性化”、內(nèi)容為“錢幣的分類、清點、整理機械裝置”詳細分析，以及結(jié)合

2、日常生活和市場調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)目前城市公交公司、超市和銀行關(guān)于硬幣的分類主要依賴于人工，人力成本高且效率低下，為此我們設(shè)計了一種硬幣分類清點裝置。本裝置主要由分離、篩選、清點和收集四個功能模塊組成，主體為金屬框架結(jié)構(gòu)，長50cm，寬30cm，高50cm，適用于新舊1元、新舊0.5元、新舊0.1元等現(xiàn)有流通硬幣。本設(shè)計源于社會實際需要，在銀行、公交以及超市等硬幣流通現(xiàn)狀調(diào)研的基礎(chǔ)上，開發(fā)設(shè)計符合實際、高效可靠的硬幣分類清點裝置，市場適應性強。設(shè)計背景及意義在日常生活中，由人工對錢幣進行清點是一件非常繁瑣的工作，效率低，速度慢，造成了人力資源的巨大浪費。硬幣伴隨著人們的衣食住行，在社會中大量流通，超

3、市，公交公司，銀行等地方是硬幣大量集中的地點，每天都會有數(shù)以萬計的硬幣。這些硬幣如果由人工清點，將會造成巨大的人力資源浪費，因此用機械來代替人工進行清點將是以后發(fā)展的趨勢。近年來，伴隨科技在各個領(lǐng)域的突破，計算機和機械設(shè)備的結(jié)合并應用于日常生活中，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)以萬計的硬幣需要清點，為了解決這一生活中的難題，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)計制造硬幣自動分選機構(gòu)，雖然已有多種錢幣自動分揀機構(gòu)，但未在社會上廣泛使用。隨著工業(yè)生產(chǎn)自動化的發(fā)展，能將大量的混雜在一起的硬幣快速且準確的分類與清點的機械將擁有巨大的市場前景

4、。設(shè)計方案本設(shè)計的具體思路如圖2-1所示：設(shè)計一款硬幣分類清點裝置，要求高效、低價、美觀能實現(xiàn)分離、篩選、清點、整理四個功能根據(jù)功能模塊進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，進行校核，要求結(jié)構(gòu)簡單，便于維護對各功能模塊進行裝配，使結(jié)構(gòu)緊湊且裝配合理對裝置模擬測試，發(fā)現(xiàn)問題并解決問題總結(jié)設(shè)計過程中遇到的問題，完成設(shè)計說明書所有調(diào)整完成后進行成品展示圖2-1具體設(shè)計思路2.1市場調(diào)研經(jīng)調(diào)查，目前市場上流通的硬幣有如下7種，參數(shù)如表1表1各硬幣尺寸質(zhì)量參數(shù)表質(zhì)量（g）直徑（mm）厚度（mm）新一元6.1251.85舊一元6.05251.85新五角3.820.51.65舊五角3.820.51.65舊一角2.222.52.40

5、新一角1.15191.673.2191.67通過對市場上已有硬幣分揀設(shè)備進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)大部分設(shè)備都存在功能不夠完善或者體積過大等問題，調(diào)研結(jié)果如下圖:圖2-2收納盒體積圖2-3體積過大較為笨重EWIAM*4444.HH1if-機占二JfMfdU*-A-i.-iitdi4#BBdwHs艘?guī)艤[分機WM圖2-4一次只能清分一種硬幣圖2-5價格過高經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)：目前市場上缺乏一種能夠集分類清點和整理一體且成本不高的硬幣分揀設(shè)備，因此設(shè)計出一款高效、便捷的硬幣分揀機會有良好的研究價值和市場前景。2.2總體方案構(gòu)想 /17 /17根據(jù)市場需求，我們可設(shè)計一款小型、高效、功能完善的錢幣清點裝置。根據(jù)裝置能實現(xiàn)

6、的功能將其分為分離、篩選、清點和整理四個部分進行設(shè)計，采用較輕的材料減輕重量，在保證效率的情況下盡可能減小體積。2.3方案的選擇i.分離部分方案選擇為實現(xiàn)錢幣的區(qū)分，應首先將混雜的硬幣分離開，由此產(chǎn)生以下兩種方案：方案一：如圖2-6，利用傳送帶提供硬幣運動初速度，分離時控制裝幣盒與傳送帶高度差以實現(xiàn)單個硬幣離開傳送帶。但這樣會導致整個分離裝置橫向尺寸過大；方案二：如圖2-7，利用轉(zhuǎn)盤離心力使硬幣進入滑道，這樣可減小橫向尺寸，提高空間利用率；綜合考慮，采用方案二。圖2-6方案一圖2-7方案二ii動力傳動方案選擇動力傳動部分應滿足節(jié)約空間、較高的傳動效率、輕便等優(yōu)點，這樣就產(chǎn)生了兩種傳動方案：方案

7、一：如圖2-8，采用錐齒輪傳動，其優(yōu)點在于傳動效率高，傳動平穩(wěn)，壽命長，缺點則是重量大，噪音大，需要經(jīng)常潤滑。轉(zhuǎn)軸電機觸電軸圖2-8方案一圖2-9方案二方案二：如圖2-9，采用帶傳動，其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，能緩沖吸振且維護方便，缺點是外廓尺寸大，不能保證精確的傳動比。綜合考慮，選用方案一。iii.篩選部分方案選擇由于各類硬幣尺寸和質(zhì)量都不一樣，故可以根據(jù)質(zhì)量的不同或尺寸的差異來進行篩選，由此產(chǎn)生以下兩種方案：方案一：如圖2-10，根據(jù)杠桿原理，設(shè)計一個可分離出質(zhì)量較輕的硬幣的裝置，使重的硬幣掉落，但這種方案效率較低；方案二：如圖2-11，在滑道上開孔是體積較大的硬幣通過而分離出體積較小的硬幣，這

8、樣硬幣可連續(xù)經(jīng)過滑道，效率相對較高且節(jié)約成本；綜合考慮，選用方案二。圖2-10方案一圖2-11方案二iv.清點部分方案選擇由于傳感器種類較多，可以選擇安裝方便、計數(shù)精確和體積小巧的傳感器經(jīng)篩選產(chǎn)生以下兩種方案：方案一：如圖2-12，采用金屬探測儀檢測通過硬幣的數(shù)量，其優(yōu)點在于檢測結(jié)果精確，缺點是體積較大，不便安裝。方案二：如圖2-13，采用紅外傳感器計數(shù)，其優(yōu)點在于體積小巧便于安裝，缺點是有時會產(chǎn)生誤差。綜合考慮，一元硬幣計數(shù)采用金屬探測儀，其余硬幣計數(shù)采用紅外傳感器。圖2-12方案一圖2-13方案二理論設(shè)計計算整體尺寸設(shè)計可設(shè)計一款高效、便捷、功能齊全的硬幣分揀機，初定作品為一個長500mm

9、，寬250mm，高400mm的箱體，箱體材料選用成本低且輕便的鋁合金，此作品可實現(xiàn)硬幣的分類、清點和整理三個功能。箱體的內(nèi)部由分離、篩選、清點、整理四個功能模塊組成。i.分離部分設(shè)計如圖3-1所示，轉(zhuǎn)盤直徑為213mm，轉(zhuǎn)壁內(nèi)徑為215mm，當硬幣在轉(zhuǎn)盤上時，只有當離心力大于摩擦力時硬幣才能飛出轉(zhuǎn)盤，為保證硬幣飛離轉(zhuǎn)盤時有一定的初速度，初選電機轉(zhuǎn)速為300r/min,錐齒輪傳動比為1:1?？紤]各硬幣的厚度，一元硬幣厚度為1.85mm，舊一毛硬幣為2.40mm，五毛硬幣為1.65mm，新一毛硬幣為1.67mm，為防止分離時硬幣堆疊在一起，應使上面兩個硬幣出口高度滿足2.43.32mm，最下面硬幣

10、出口高度滿足1.673.30mm，故設(shè)計三個硬幣出口的高度分別為2.5mm，2.5mm，2mm。由于硬幣下落時會對轉(zhuǎn)盤造成一定量的沖擊，故轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)壁材料均選用316不銹鋼，轉(zhuǎn)軸要承受較大軸向力和少量轉(zhuǎn)矩，故轉(zhuǎn)軸材料也選用316不銹鋼，轉(zhuǎn)軸軸徑為18mm。新一毛湮幣滑這-Ti.P?幣厭庾幣出E舊二哩幣；土乜陛幣滑迫圖3-1分離部分結(jié)構(gòu)示意圖圖3-2篩選部分結(jié)構(gòu)示意圖ii.篩選部分設(shè)計如圖3-2所示，此部分應保證每層滑道只允許一種硬幣通過，已知一元硬幣直徑為25mm,舊一毛硬幣直徑為22.5mm,五毛硬幣直徑為20.5mm,新一毛硬幣直徑為19mm，可設(shè)計出各層滑道寬度和孔的尺寸分別如圖3-3（一元

11、硬幣滑道）、圖3-4（舊一毛硬幣滑道）、圖3-5（五毛硬幣滑道）、圖3-6（新一毛硬幣滑道）所示。滑道材料選取質(zhì)量較輕的鋁合金,為防止硬幣速度過快而不能掉進孔里,故多設(shè)置一個孔且加長滑道,查閱資料可知鋁合金與鋼之間摩擦系數(shù)為0.30,由于滑道過長可能會出現(xiàn)硬幣無法通過滑道的現(xiàn)象,故給滑道5的下傾角,硬幣可以在重力沿斜面向下的分力作用下向下滑動。圖3-3一元硬幣滑道尺寸圖3-4舊一毛硬幣滑道尺寸252119.202125圖3-5五毛硬幣滑道尺寸圖3-6新一毛硬幣滑道尺寸iii動力傳動部分設(shè)計選用30X2.5錐齒輪對（傳動比為1:1）,齒輪材質(zhì)為45#鋼表面淬火，精度等級為7級，為保證轉(zhuǎn)數(shù)可調(diào)，選

12、用500W調(diào)速電機（調(diào)速范圍為01800r/min）,輸出轉(zhuǎn)矩為2.5Nm，由于轉(zhuǎn)軸承受較大軸向力和少量徑向力且有較高轉(zhuǎn)速，查閱機械設(shè)計手冊可選用7209B角接觸球軸承，為保證轉(zhuǎn)軸同心度，在轉(zhuǎn)軸頂端添加一個軸承，此軸承只須承受較高轉(zhuǎn)速和少量徑向力，查閱手冊選用6000深溝球軸承。強度與剛度校核經(jīng)稱量，整體質(zhì)量為33kg,其中轉(zhuǎn)軸質(zhì)量為0.6kg轉(zhuǎn)盤質(zhì)量為0.24kg,單個齒輪質(zhì)量為0.73kg，下軸承需承重8.6kg。i.錐齒輪強度校核根據(jù)齒根彎曲疲勞強度校核：FKf*丫卩/，Ysa2+1申R(10.5申R)2m3Z2VU已知傳遞轉(zhuǎn)矩T=2500Nmm，錐齒輪大端模數(shù)m=2.5mm，齒數(shù)z=3

13、0，傳動比u=1，查閱資料可知齒寬系數(shù)申r=0.3，載荷系數(shù)Kf=1.3，齒形系數(shù)YFa=2.4，應力修正系數(shù)Ysa=1.67，彎曲疲勞強度安全系數(shù)S=1.4，壽命系數(shù)Kfn=0.85，齒根彎曲疲勞極限aFlim=610Mpa，即齒根彎曲疲勞許用應力oF=KFN%im=370.3Mpa,FS /17而載荷在齒根處產(chǎn)生的彎曲應力為:oF=KFTYFaYsa=1.35&2DUOGTBM5PSLM1&T7護Hn丄璽劇孔SlMbuifhlTomIDetan-TidZianTypifiilcrlalOefarmadonUhrtemmTm:3-7轉(zhuǎn)盤變形量O.DOANSYSR15.0El伽虛更站忡謙1Ta

14、LdDAFarrnjcionTjpeiTotjlDc+cn-njlionLit!fllfTiTirri!:122i01畑吟詢帖旳閔】IZ3375fl0LJM-u.idL-SSSTa-lDIjXQAp-IOe-J.75ftll1181,343-XTMm圖3-8轉(zhuǎn)軸整體變形圖3-9轉(zhuǎn)軸局部變形H:融beStnucSeeaiGcTjr-AlentStHH!：Tjjn:EquiJaniicvjijh-amiUnkiMPaTimes12口10舊27AHB18.42Wuift1GJ552ANSYSR15.0LZhILI圖3-10轉(zhuǎn)軸的平均應力經(jīng)分析可知，轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)軸變形量都很小，轉(zhuǎn)盤最大變形量在邊緣處，轉(zhuǎn)軸

15、在鍵槽處產(chǎn)生最大應力，最大應力約為18Mpa小于屈服強度，故轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)盤的選用滿足強度要求。滾動軸承的校核由于上軸承只是起保證同心度的作用，不承受載荷，故只需進行下軸承的校核計算。查滾動軸承樣本可知角接觸球軸承7209B的基本額定動載荷C=45KN,基本額定靜載荷C=30.5KN由于軸承只受到少量徑向力，故徑向力可忽略即Fr=0,已知軸向力Fa=86N,ra查表和插值運算得徑向載荷系數(shù)和軸向載荷系數(shù)為：X=0.35,Y=0.57因軸承運轉(zhuǎn)中無沖擊或輕微沖擊，載荷系數(shù)fd=1.01.2，取fd=1.1則軸承當量動載荷P=fXF+YF)=1.1X(0.35X0+0.57X86)N=dra53.992

16、N軸承預期使用壽命Lh=2000030000h軸承的基本額定壽命S=106(C)=x(45000)3h=3.216X109h(因為是h60nP60X30053.992球軸承，所以=3)約為367萬年。因為LLh故所選軸承滿足壽命條件。hh連接件強度校核圖3-11各連接件安裝位置如圖3-11所示，每根支撐架與底板用三顆M6螺釘固定，而支撐架主要起支撐上板的重量，經(jīng)稱量，上板質(zhì)量為4.424kg，每根支撐架質(zhì)量為0.184kg,即螺釘承受的剪力Fs=(4.424+0.184X4)X9.8N=50.568N,圖3-11轉(zhuǎn)軸零件圖 /17共有12顆螺釘，故每顆螺釘承受剪力4.214N，螺釘危險截面面積

17、A=nd2=28.27mm2,4則螺釘危險截面剪切應力t=Fs=Mpa=0.149Mpa,A28.27許用剪切應力t=冬取安全系數(shù)St=2.5，查得8.8級螺釘屈服極限os=640Mpa,tsSt即t=s=640Mpa=256MpaSt2.5=3mm，則有TT，故剪切應力校核安全。由于支撐架厚度為3mm,即螺釘與孔壁擠壓面的最小高度Lmin則螺釘危險截面擠壓應力o=4Mpa=0.234MpaPEmin6x3許用擠壓應力Op=冬取安全系數(shù)Sp=1.25,Sp即o=仝=640Mpa=518MpaSp1.25則有oo,故擠壓應力校核安全。pp綜上所述，連接件的選用滿足強度要求。部分工程圖z*ris1

18、.411kr屯山軌HL34昧f啊、均.4和亦刖曲SMM陽i虹址M常*it*!I*JCJIS /17/0:1Ao&-B1畔科去Hl州鞍SHSWh.不應h耳亀.鼻曲綁tflftj塔靜左面的鈦軀a2?k列飛迪乂卻譏：択酋加詞科住.札2fllE/3/H1；2fhC-IH2刑畀】粧圖3-12五毛硬幣滑道零件圖“昌黠制函r直余&i_#怦孫圍U極il；!寧卄E匸盤曲丄耶也打劃#人張tti壽扭亦啡件牠ui的廉吐主舟陽E刺詢4品I：圧狀詹曲尼蒂仆胡】凹燉的玄累24LEi/3/2fitw|-5fHJC-O03m；w圖3-13底板零件圖4工作原理及性能分析4.1工作原理轉(zhuǎn)疑捂道金屬採測牧紅外棒感署動力輸人與告動進市

19、口of帀出口收納盒圖4-1作品外形圖圖4-2局部細節(jié)圖如圖4-1所示，此作品由電機提供動力，可實現(xiàn)把不同種類的硬幣分類、清點和整理的功能，根據(jù)功能不同可分為分離、篩選、清點、整理四個部分，工作原理如下：機器運轉(zhuǎn)時，硬幣從上層進幣口滑落，進入第一層轉(zhuǎn)盤；硬幣在轉(zhuǎn)盤上時，由于轉(zhuǎn)盤在高速轉(zhuǎn)動，硬幣會集中在轉(zhuǎn)盤邊緣；每層轉(zhuǎn)盤上安裝有帶有斜度的圓臺，這種設(shè)置可有效的防止硬幣堆積在轉(zhuǎn)盤中央；上兩層轉(zhuǎn)盤上開有若干直徑為21mm的孔，目的是使五毛和新一毛硬幣直接落入下層滑道，提高工作效率；當硬幣飛離轉(zhuǎn)盤時，由于硬幣出口高度的限制，每次只有一個硬幣能進入滑道，可防止硬幣堆疊起來產(chǎn)生誤差；如圖4-2，當硬幣進入滑道后，大于孔寬的硬幣會通過滑道，而小于孔寬的硬幣則在重力作用下掉入下一層轉(zhuǎn)盤；每層滑道都只能通過一種硬幣，共有四層滑