全国机械创新设计大赛说明书

1/17机械创新设计大赛参赛作品设计说明书作品名称：设计者：指导教师：参赛单位：2/17硬币分类清点装置设计说明书设计者：指导老师：摘要：本设计围绕服务社会的主题，针对目前公交公司、商超等对大量硬币进行分类、清点的实际需求，开展了一种可对目前流通的所有不同种类的硬币实施快速分类与清点的机械装置的设计工作。制造出的装置原型在实际运行中，有效的将混杂在一起的硬币进行了分类收集与清点。本设计结构精巧，使用方便，有望得到广泛应用，服务社会。关键词：硬币分离清点；离心筒；转盘；滑道作品内容简介通过对第七届全国大学生的主题为“服务社会——高效、便利、个性化”、内容为“钱币的分类、清点、整理机械装置”详细分析，以及结合日常生活和市场调研，我们发现目前城市公交公司、超市和银行关于硬币的分类主要依赖于人工，人力成本高且效率低下，为此我们设计了一种硬币分类清点装置。本装置主要由分离、筛选、清点和收集四个功能模块组成，主体为金属框架结构，长50cm，宽30cm，高50cm，适用于新旧1元、新旧0.5元、新旧0.1元等现有流通硬币。本设计源于社会实际需要，在银行、公交以及超市等硬币流通现状调研的基础上，开发设计符合实际、高效可靠的硬币分类清点装置，市场适应性强。1设计背景及意义在日常生活中，由人工对钱币进行清点是一件非常繁琐的工作，效率低，速度慢，造成了人力资源的巨大浪费。硬币伴随着人们的衣食住行，在社会中大量流通，超市，公交公司，银行等地方是硬币大量集中的地点，每天都会有数以万计的硬币。这些硬币如果由人工清点，将会造成巨大的人力资源浪费，因此用机械来代替人工进行清点将是以后发展的趋势。近年来，伴随科技在各个领域的突破，计算机和机械设备的结合并应用于日常生活中，为人们的生活提供了极大的便利。硬币是人们生活中不可或3/17缺的东西，每天数以万计的硬币需要清点，为了解决这一生活中的难题，近年来越来越多的人开始关注这方面的问题，也有研究所开始着手设计制造硬币自动分选机构，虽然已有多种钱币自动分拣机构，但未在社会上广泛使用。随着工业生产自动化的发展，能将大量的混杂在一起的硬币快速且准确的分类与清点的机械将拥有巨大的市场前景。2设计方案本设计的具体思路如图2-1所示：2.1市场调研经调查，目前市场上流通的硬币有如下7种，参数如表1：表1各硬币尺寸质量参数表质量（g）直径（mm）厚度（mm）设计目标功能设计设计一款硬币分类清点装置，要求高效、低价、美观能实现分离、筛选、清点、整理四个功能结构设计根据功能模块进行结构设计，进行校核，要求结构简单，便于维护整体装配对各功能模块进行装配，使结构紧凑且装配合理调试对装置模拟测试，发现问题并解决问题分析整理数据总结设计过程中遇到的问题，完成设计说明书成品展示所有调整完成后进行成品展示图2-1具体设计思路4/17新一元6.1251.85旧一元6.05251.85新五角3.820.51.65旧五角3.820.51.65旧一角2.222.52.40新一角1.15191.673.2191.67通过对市场上已有硬币分拣设备进行调研，发现大部分设备都存在功能不够完善或者体积过大等问题，调研结果如下图:经对比发现：目前市场上缺乏一种能够集分类清点和整理一体且成本不高的硬币分拣设备，因此设计出一款高效、便捷的硬币分拣机会有良好的研究价值和市场前景。2.2总体方案构想图2-2收纳盒体积过小图2-3体积过大较为笨重图2-4一次只能清分一种硬币图2-5价格过高5/17根据市场需求，我们可设计一款小型、高效、功能完善的钱币清点装置。根据装置能实现的功能将其分为分离、筛选、清点和整理四个部分进行设计，采用较轻的材料减轻重量，在保证效率的情况下尽可能减小体积。2.3方案的选择i.分离部分方案选择为实现钱币的区分，应首先将混杂的硬币分离开，由此产生以下两种方案：方案一：如图2-6，利用传送带提供硬币运动初速度，分离时控制装币盒与传送带高度差以实现单个硬币离开传送带。但这样会导致整个分离装置横向尺寸过大；方案二：如图2-7，利用转盘离心力使硬币进入滑道，这样可减小横向尺寸，提高空间利用率；综合考虑，采用方案二。ii.动力传动方案选择动力传动部分应满足节约空间、较高的传动效率、轻便等优点，这样就产生了两种传动方案：方案一：如图2-8，采用锥齿轮传动，其优点在于传动效率高，传动平稳，寿命长，缺点则是重量大，噪音大，需要经常润滑。图2-6方案一图2-7方案二6/17方案二：如图2-9，采用带传动，其优点在于结构简单，能缓冲吸振且维护方便，缺点是外廓尺寸大，不能保证精确的传动比。综合考虑，选用方案一。iii.筛选部分方案选择由于各类硬币尺寸和质量都不一样，故可以根据质量的不同或尺寸的差异来进行筛选，由此产生以下两种方案：方案一：如图2-10，根据杠杆原理，设计一个可分离出质量较轻的硬币的装置，使重的硬币掉落，但这种方案效率较低；方案二：如图2-11，在滑道上开孔是体积较大的硬币通过而分离出体积较小的硬币，这样硬币可连续经过滑道，效率相对较高且节约成本；综合考虑，选用方案二。iv.清点部分方案选择由于传感器种类较多，可以选择安装方便、计数精确和体积小巧的传感器，经筛选产生以下两种方案：图2-10方案一图2-11方案二图2-8方案一图2-9方案二7/17方案一：如图2-12，采用金属探测仪检测通过硬币的数量，其优点在于检测结果精确，缺点是体积较大，不便安装。方案二：如图2-13，采用红外传感器计数，其优点在于体积小巧便于安装，缺点是有时会产生误差。综合考虑，一元硬币计数采用金属探测仪，其余硬币计数采用红外传感器。3理论设计计算3.1整体尺寸设计可设计一款高效、便捷、功能齐全的硬币分拣机，初定作品为一个长500mm，宽250mm，高400mm的箱体，箱体材料选用成本低且轻便的铝合金，此作品可实现硬币的分类、清点和整理三个功能。箱体的内部由分离、筛选、清点、整理四个功能模块组成。i.分离部分设计如图3-1所示，转盘直径为213mm，转壁内径为215mm，当硬币在转盘上时，只有当离心力大于摩擦力时硬币才能飞出转盘，为保证硬币飞离转盘时有一定的初速度，初选电机转速为300r/min，锥齿轮传动比为1:1。考虑各硬币的厚度，一元硬币厚度为1.85mm，旧一毛硬币为2.40mm，五毛硬币为1.65mm，新一毛硬币为1.67mm，为防止分离时硬币堆叠在一起，应使上面两个硬币出口高度满足2.4～3.32mm,最下面硬币出口高度满足1.67～3.30mm，故设计三个硬币出口的高度分别为2.5mm，2.5mm，2mm。由于硬币下落时会对转盘造成一定量的冲击，故转盘转壁材料均选用316不锈钢，转轴要承受较大轴向力和少量转矩，故转轴材料也选用316不锈钢，转图2-12方案一图2-13方案二8/17轴轴径为18mm。ii.筛选部分设计如图3-2所示，此部分应保证每层滑道只允许一种硬币通过，已知一元硬币直径为25mm，旧一毛硬币直径为22.5mm，五毛硬币直径为20.5mm，新一毛硬币直径为19mm，可设计出各层滑道宽度和孔的尺寸分别如图3-3（一元硬币滑道）、图3-4（旧一毛硬币滑道）、图3-5（五毛硬币滑道）、图3-6（新一毛硬币滑道）所示。滑道材料选取质量较轻的铝合金，为防止硬币速度过快而不能掉进孔里，故多设置一个孔且加长滑道，查阅资料可知铝合金与钢之间摩擦系数为0.30，由于滑道过长可能会出现硬币无法通过滑道的现象，故给滑道5°的下倾角,硬币可以在重力沿斜面向下的分力作用下向下滑动。图3-1分离部分结构示意图图3-2筛选部分结构示意图图3-3一元硬币滑道尺寸图3-4旧一毛硬币滑道尺寸9/17iii.动力传动部分设计选用30×2.5锥齿轮对（传动比为1:1），齿轮材质为45#钢表面淬火，精度等级为7级，为保证转数可调，选用500W调速电机（调速范围为0～1800r/min），输出转矩为2.5N·m，由于转轴承受较大轴向力和少量径向力且有较高转速，查阅机械设计手册可选用7209B角接触球轴承，为保证转轴同心度，在转轴顶端添加一个轴承，此轴承只须承受较高转速和少量径向力，查阅手册选用6000深沟球轴承。3.2强度与刚度校核经称量，整体质量为33kg，其中转轴质量为0.6kg转盘质量为0.24kg，单个齿轮质量为0.73kg，下轴承需承重8.6kg。i.锥齿轮强度校核根据齿根弯曲疲劳强度校核：σF=KF·T·YFa·YsaφR(1−0.5φR)2m3z2√u2+1已知传递转矩T=2500N·mm，锥齿轮大端模数m=2.5mm，齿数z=30，传动比u=1，查阅资料可知齿宽系数φR=0.3，载荷系数KF=1.3，齿形系数YFa=2.4，应力修正系数Ysa=1.67，弯曲疲劳强度安全系数S=1.4，寿命系数KFN=0.85，齿根弯曲疲劳极限σFlim=610Mpa，即齿根弯曲疲劳许用应力[σF]=KFN∙σFlimS=370.3Mpa，图3-5五毛硬币滑道尺寸图3-6新一毛硬币滑道尺寸10/17而载荷在齿根处产生的弯曲应力为:σF=KF·T·YFa·YsaφR(1−0.5φR)2m3z2√u2+1=1.3×2500×2.4×1.670.3×（1−0.5×0.3）2×2.53×302×√12+1Mpa=2.467Mpa[σF]根据齿面弯曲疲劳强度校核：σH=√4KH∙TφR(1−0.5φR)2d3∙u∙ZH∙ZE齿轮分度圆直径d=m·z=75mm，查阅资料可知齿宽系数φR=0.3，载荷系数KH=1.3，区域系数ZH=2.5，弹性影响系数ZE=189.8Mpa12⁄，接触疲劳寿命系数KHN=0.90，接触疲劳安全系数S=1，齿轮接触疲劳极限σHlim=550Mpa，即齿面接触疲劳许用应力[σH]=KHN∙σHlimS=495Mpa，而齿轮的赫兹应力为:σH=√4KH∙TφR(1−0.5φR)2d3∙u∙ZH∙ZE=√4×1.3×25000.3×(1−0.5×0.3)2×753×1×2.5×189.8Mpa=178.91Mpa[σH]综上所述，齿轮的齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度均满足强度要求。ii.转轴、转盘强度与刚度校核查阅资料可知316不锈钢屈服强度为205Mpa，抗拉强度为520Mpa，安全系数取S=1.4，故许用应力[σ]为146.43Mpa（205Mpa/1.4），许用切应力[τ]为(0.6～0.8)×[σ],即[τ]=86.86Mpa。经试验取转轴最佳转速为240r/min，利用ansys15.0软件可计算出在转速为240r/min时转盘和转轴的变形量和平均应力如图3-7（转盘变形量）、图3-8（转轴整体变形）、图3-9（转轴局部变形）、图3-10（转轴的平均应力）所示3-7转盘变形量11/17图3-8转轴整体变形图3-9转轴局部变形图3-10转轴的平均应力12/17经分析可知，转盘和转轴变形量都很小，转盘最大变形量在边缘处，转轴在键槽处产生最大应力，最大应力约为18Mpa小于屈服强度，故转轴和转盘的选用满足强度要求。iii.滚动轴承的校核由于上轴承只是起保证同心度的作用，不承受载荷，故只需进行下轴承的校核计算。查滚动轴承样本可知角接触球轴承7209B的基本额定动载荷C=45KN，基本额定静载荷C0=30.5KN由于轴承只受到少量径向力，故径向力可忽略即Fr=0，已知轴向力Fa=86N，查表和插值运算得径向载荷系数和轴向载荷系数为：X=0.35，Y=0.57因轴承运转中无冲击或轻微冲击，载荷系数fd=1.0～1.2,取fd=1.1则轴承当量动载荷P=fd(X∙Fr+Y∙Fa)=1.1×(0.35×0+0.57×86)N=53.992N轴承预期使用寿命Lh′=20000~30000h轴承的基本额定寿命Lh=10660n(CP)ε=10660×300×(4500053.992)3h=3.216×109h（因为是球轴承，所以ε=3)约为367万年。因为LhLh′故所选轴承满足寿命条件。iv.连接件强度校核如图3-11所示，每根支撑架与底板用三颗M6螺钉固定，而支撑架主要