硬币分拣、计数及其控制电路设计.doc

课 题：_硬币分拣、计数及其控制电路设计一、 引言在日常生活中，由人工清点硬币，包装硬币是一项非常烦琐的工作，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，在社会中大量的流通，超市、公交公司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，如果由人工清点，将会造成巨大的人力资源浪费，因此用机械清点并包装硬币将是以后的发展趋势。近年来，随着科学家们在各个领域的突破，计算机、工业机器人和机械设备等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缺的东西，每天数以亿计的硬币需要分选清点，为了解决这一生活生产中的难题，近年来越来越的人开始关注这方面的问题，也有研究所开始着手设计制硬币自动分选机构，现己有多种硬币自动分选机构，但还不广泛，这些机构也未在社会上广泛使用。本设计源自于流通市场实际需要，针对自动售货机、公交车收款机等硬币流通的现状，开发设计适合实际、高效可靠的硬币自动清点包装机械，以适应市场的需求。二、 总体方案设计：方案：多个硬币同时分拣具体的分离步骤如下：首先将混币倒入一个滚筒型的装置中去，通过电动机工作带动滚筒进行圆周运动以便混币的清洗。经过一段时间的清洗之后通过入币口，进入到硬币分拣系统装置的分拣系统中，硬币主要落在分键盘中心附近出（目的在于防止5角，1角硬币在初进入分离盘便进过分键盘边缘的一元硬币分拣孔流出）。混币进入到图中所示的分离盘，在第一层分离盘上有若干个直径为23.5mm的分拣孔，因此在装置启动后，5角，1角的硬币便会经过分拣孔落入到第二层分离盘。因此，1元的硬币和其它币值的硬币就区分了出来。同理，在第二层分离盘也有若十直径为21.5mm的分拣孔，第四套l角硬币和5角硬币会经过这些分拣孔进入第三层分离盘。因而，5角和1角（新）和l角（旧）的分拣便自动区分开了。同理，在第三层分离盘也有若十直径为20.5mm的分拣孔，第四套l角硬币会经过这些分拣孔进入第四层分离盘，而5角硬币就留在了第三层分离盘上。因而，5角和1角（新）便自动区分开了。其工作原理如下：启动电动机，电动机带动曲柄摇杆装置转动，则I层分离盘上的硬币由于曲柄摇杆装置的作用作上下摆幅运动，5角和1角硬币开始被拨到第二层，第三层及第四层分离盘中从而对不同直径的硬币进行分离，依次分离l元，1角铝，5角，1角4种硬币。其装置简图如图所示：图 01图 02硬币计数步骤：光敏二极管和光敏三极管的对比：光敏二极管在没有受到光照时，反向电阻很人，反向电流却很小，反向电流就暗电流。当光照射到其时光子打在PN结附近，使PN结附近产生光电子空穴对，这些光电子和光生空穴在PN结的闪电场作用卜，会作定向运动，形成光电流。光的照射越强，光电流越大。因此，在不受光照射时，光敏二极管处于截止状态，而受光照时，光敏二极管处于导通状态。 图 01光敏三极管图 02光敏二极管光敏三极管具有PNP型和NPN型两种，其结构和一般三极管相似。仅仅只是它的发射极一般做的很小以扩大光的照射面积。当光照射到PN结附近时，使PN结附近产生光生电子空穴，它们在PN结内电场的作用下，做定向运动形成光电流，因此，PN结的反向电流大人增加。由于光照射发射结产生的光电流相当于三极管的基极电流，因此，集电极电流时光电流的倍，则光敏三极管比光敏二极管有更高的灵敏度。本装置是采用光敏传感器作为基本的传感器来实现计数的，计数部分以光电三极管作为装置中的检测元件，当分拣后的硬币陆续经过三角形滑倒到达指定圆形储币管道口处储币管道口处的光敏传感器的接受端会收到光信号，通过一枚硬币就会收到一个光信号，通过N个硬币就会接收到N个光信号，对应在输出端也会输出N个脉冲信号。之后使用单片机对输出的电脉冲信号的下降沿进行计数，并通过LED数码显示管将分拣的硬币技术最终结果在显示屏上显示出来。分拣计数完成后，用V带进行传送。利用光电传感器发射信号，机械手进行搬运硬币到指定的地点。三、主要零部件的设计考虑到设计的硬币分拣装置的使用对象是零售行业、公交公司、银行业以及个体商户等等。故选用22OV电源电压，再考虑到装置所承受的载荷不大，所需动力也不是很大。而电动机转速也不需要很高，故选用直流减速电机综合各方面因索，选用J-55ZYT-PX系列直流减速电动机。J-SZ(ZYT)-PX系列微型直流减速电动机，分别由SZ(ZYT)系列直流电动机与PX型普通精度行星减速器构成，且配带电源，可实现无级调速。调整范围宽、体积小、重量轻、效率高、结构紧凑、输出转矩大，广泛使用于引进设备及国产机械。如：四色印刷机、塑料平封机、食品及工业包装机械、输油管道保暖检测装置、焊接设备以及其它需要低速高转矩、无级调速的驱动装置。所配电源采用脉宽调制技术，具有先进的短路保护功能，输出0220V连续可调的直流稳压电源，使电动机转速实现无级变速等优点。J-55ZYT-PX系列直流减速电机电动机的主要参数：型号:J一55ZYT-PX电压：27V功率：29W外形尺寸：72x72x199电动机的安装方式：A3法兰安装电机外形及法兰图等：图 03 电机外形图图 04 法兰安装图图 05 电动机相关数据图V带传动的设计带传动的主要优点：带传动的中心距比较大传动带是弹性体结构，具有能缓冲，吸振，传动平稳，噪声小的特点带传动的结构简单，成本低，装拆比较方便带传动在发生过载时，带会在带轮上打滑能够防止其他零件发生损坏综上所述，该装置的动力传动系统以带传动为主。下面，我们要进行以下的设计：电动机V带轮的设计主轴V带轮的设计V带轮的设计要求设计V带轮时应满足的要求有：质量小：结构工艺性好，无过大的铸造内应力，质量分布均匀，转速高时要经过动平衡，轮槽工作面要经过精细加工（表面粗糙度一般为3.2）以减少V带的磨损，各槽的尺寸和角度应保持一定的精度，以使载荷分布较为均匀。带轮的材料此处带轮的材料采用铸铁，材料牌号为HT200。V带轮的结构铸铁制V带轮的典型结构白以卜儿种形式：1.实心式 2.腹板式 3.孔板式 4.椭圆轮轴式当带轮的革准直径dd2.5d时,可采用实心式：当dd300mm时，可采用腹板式：当d1-d2100mm时，可采用孔板式:当dd300mm时，可采用轮辐式。相关计算图 01 参数图己知电动机的额定功率为29KW，转速n1=83r/min，选取传动比为i=2，采用普通V带下传动。1 确定计算功率Pc表 01 工作情况系数Ka由参考文献1表8-8查得工作情况系数KA=1.1，故Pc=KAP=1.129=31.9KW2 选取带型：图 02 普通V带选型图表 02 普通V带轮的基准直径系列根据Pc,n1由表3.2-2确定选用Y型3确定带轮从准直径由参考文献2取主动轮基准直径dd1=20mm,则从动轮基准直径dd2=dd1i=202=40mm,则根据参考资料dd2=40mm按机械设计8-13验算带的速度V=n1dd1601000=2083601000ms=0.087ms35ms所以带的速度合适4确定V带的基准长度和传动中心距根据0.7（dd1+dd2）a2(dd1+dd2)得到42a120,那么我们初步设定中心距为a=80mm计算相应的带长Ld0Ld02a0+2dd1+dd2+dd1-dd224a0=254.6mm带的基准长度Ld根据表8-2选取 Ld0=250mm传动的实际中心矩近似为：aa0+Ld-Ld02=80+250-254.62=77.7mm5验算小带轮上的包角1 通常小带轮上的包角1小于大带轮上的包角2，小带轮上的临界摩擦力小于大带轮上的临界摩擦力。因次，打滑通常发生在小带轮上。为了提高带传动的工作能力，应使 1=180-dd2-dd157.3a=180-40-20*57.577.7=165.2120所以主轮上的包角合适。6确定带的根数z由机械设计式8-26知：z=PcaPr=KAPP0+P0KKL由n1=83rmin , dd1=20mm ,i=2 ,查阅资料得P0=0.03KW , P0=0.0061KW ,K=0.9 , KL=0.84则z=0.0290.03+0.0061*0.9*0.84=1.074,取z=1K包角系数Kl长度系数P0-单根v带的草本额定功率P0计入转动比的影响时，单根v带额定功率的增量7.确定带的初拉力F0初拉力F0小，则带传动的传动能力小，易出现打滑。初拉力F0过大，则带的寿命低，带对轴及轴承的压力大。因此，确定初拉力时，既要发挥带的传动能力，又要保证带的寿命。单根V带的初拉力可由下式确定：F0=5002.5-KPcaKzv+qv2 通过查表可知，q=0.06kg/m,代入上述公式，得到F0=311.8N8 计算带传动的压轴力Fp为了设计安装带轮的轴和轴承，需要计算带传动作用在轴上的压轴力Fp，如果不考虑带两边的拉力差，则压轴力可以近似地按两边的初拉力的合力来计算（图8.13），即Fp=2zF0sin12=21311.8sin165.22=618.4N,式中，a1是小带轮的包角图 03 压轴力计算示意图4.带轮的结构设计带轮的结构设计，主要是根据带轮的基准直径选择结构形式，根据带的截型确定轮槽尺寸，参考机械设计图（8-14），表（8-11）确定了带轮的各部分尺寸后，即可绘制出零件，并按工艺要求注出相应的技术条件等。由以上的计算可知：电动机的V带轮选实心式；主轴V带轮选腹板式。5V带轮的结构参数图 04 V带轮参数图图 05 各参数值外径d1=20mm.d2=40mm带轮宽B=28mm轮槽角=40最小凸缘厚=5mm先初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为15号钢调质处理。取AO=10mm。轴的结构设计l）拟定轴上零件的装配方案为使装置的结构更加简单，考虑到具体的轴上各零件的安装细节。将轴的固定采取“一端与曲柄滑杆的末尾相固定，另一端的各个节点与各分离盘的一边连接”。2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度(l）为了满足装置的周向和轴向定位要求，上半轴需加工出4个定位孔，从而使用4个铰接螺栓对装置进行固定。(2）带轮与轴之间采用弹性档圈定位。(3）带轮的下端是与曲柄滑杆装置连接，其中传动轴就是滑杆。(4）确定轴上的圆角和倒角尺寸:取轴端倒角2x45(公式出处，编号，书写格式; 减速器算出输入、输出参数后尽量选用现成的， 还要标明电机、减速器、轴等在装配简图里或的编号。曲柄摇杆装置作为本装置结构的一部分，主要是通过与摇杆的联接，在摇杆的转动过程中，传动轴随着摇杆的旋转，带动硬币堆作行侠摆幅运动，使得杂乱的硬币堆充分搅拌均匀，使对应的硬币依次落到向对应的分离盘保证分拣的准确性。曲柄摇杆装置在旋转过程中受到传动轴带来的压力，往复的惯性力，以及旋转的离心力和各运动副之间的摩擦力。因次我们需对它进行力学分析 图 01 曲柄、滑块机构示意图（注:将图中的滑块换位设计中的滑杆）上图为曲柄滑块机构的受力分析示意图从曲柄r传到连杆l上的力pc与滑块发出的压力p之间，存在如下关系：Pccos=p(3-1)曲柄颈A处，沿半径方向的力pr和pc的关系：Pr=Pccos(+)(3-2)将上2式联立，可得到：Pr=pcos(+)/cos (6-1)曲柄颈沿r方向承受与pr力大小相等的压力。曲柄颈沿圆周方向所受切线力pT与半径r的乘积，就是转矩T。T=PTr (6-2)根据上图可知：PT=Pcsin(+)(3-5)将（1）、（4）式代入（5）式，则T=psin(+)/cosr (6-3)从上式求出Pp=Tcos/sin(+)1/r (6-4) 一般曲柄连杆机构l4r，所以，可将l看成比r大很多，即lr ，这时，j角趋近于零。则上式可以写成：P=T/rsin (6-5)按平面几何圆部分的勾股定理，可以导出:sin=r2-r-s2r=2rs-s2/r将上式代入，可得p=T/(s2rs-1) (6-6)而我们结合上述的设计，可以知道r=5cm,l=8cm.图 02 电动机传动机构示意图 上图5.2-2示意图为电动机传动机构示意图，通过电机的工作，使曲柄滑杆装置转动从而驱动分离盘的上下摆幅。曲柄滑块机构中包含有作往复运动的滑块和作复合运动的连杆和作转动的曲柄,它们质心加速度以及角加速度的存在会导致周期性变化的振动力和振动力矩。这种力和力矩将造成机械的强烈振动和噪声,加剧机件的磨损和疲劳失效,降低机构的运动精度和运动平稳性,限制了机械性能的提高。对运动机构的振动力和振动力矩平衡方面的研究,主要集中在两个方面:振动力和振动力矩的平衡方法和平衡问题的分析方法。目前对机器传动系统中的曲柄滑块机构进行振动力和振动力矩平衡方法主要有:(1)质量重分配法,这种方法是通过在构件上加平衡重的方法,使机构的总质心位置始终处于机架上,机构的总质心不会随构件的运动而运动,从而达到振动力的完全平衡;(2)平衡机构平衡法,即在机构上附加其它机构来平衡原机构的惯性作用。分析机构振动力和振动力矩平衡问题的方法主要有:(1)质量替代法,就是根据替代前后构件质量和质量矩不变的原则,将构件的质量代为相应点处的质量。这种方法有利于机构振动力和振动力矩平衡的研究;(2)线性独立向量法,这种方法就是首先建立机构总质心位置的向量表达式,然后利用机构环路方程使表达式各项向量线性独立,最后设法使总质心位置不动,即使表达式中所有与时间有关的各项系数全部为零。四、控制系统的设计（含传感器的选择）用传感器来控制，接收信号，发射信号，来控制动作的产生。本次设计我们在计数和运输方面采用了光电传感器进行对系统的一部分的控制。光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。我们将光电传感器安放在硬币分拣、计数部分的三角形滑道末端，二滑道末端是与储币筒相连接，所以硬币在通过储币筒管口处时，储币管道口处的光敏传感器的接受端会收到光信号，通过一枚硬币就会收到一个光信号，通过N个硬币就会接收到N个光信号，对应在输出端也会输出N个脉冲信号。而当物体没有通过管道口时，光电传感器没有感应到信号，所以没有信号输出到计数单片机中。考虑到本次设计的经济型以及试验的实用性，本次我们选用的光电传感器为红外光电传感器，它的型号是E18-B03N1型号，该红外光电传感器使用简单，有三根引脚，棕色接VCC正极，蓝色接GND负极，黑色接单片机P3.3口。原理如下：红外传感器没有检测到外部信号时处于高电平状态，当检测到外部物体时有高电平状态变为低电平状态，通过与单片机连接单片机I/O接收检测的高低电平变化。 当计数器被翻转计数达到100时，系统复位，计数器下次从000计数循环。而同时储满100个硬币的储币筒通过运输装置进行运输到传送带末端准备进行机械手的转移。我们在传送带的末端也安装一个红外光电传感器，当储币筒运输到该检测位置时，传感器发送信号给机械手，使机械手开始进行动作。知道完成动作，若此时没有信号传送到机械手，则一套动作完成后，停止运动。 (控制系统设计按照设计的去写，慧鱼、PLC