产品创新项目设计-硬币分拣机.docx

安徽建筑大学CDIO产品创新项目学 院： 机械与电气工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 指导教师： 设计时间： 2015年11月至2016年1月 目录一、硬币分拣机的发展情况21.1硬币分拣机的课题背景21.2国内外硬币清分机发展现状21.2.1国外硬币清分发展现状21.2.2国内硬币清分机发展现状2二、方案确定4三、分步设计73.1送料过程73.2传动设计73.2.1电动机的选型73.2.2 V带传动的设计73.2.3传送带的参数103.3分拣斜板的设计103.3.1分拣斜板材料的选定，103.3.2斜板纵向倾斜角度的确定123.3.3斜板宽度、壁高。壁厚的确定133.3.4分拣口大小的确定143.3.5分拣口之间的间距153.4计数步骤设计163.5包装173.6整体三维图19总结20参考文献21一、硬币分拣机的发展情况1.1硬币分拣机的课题背景银行等一些特殊部门要对大量的硬币进行高效的处理，如计数、分类、包装等以使其再流通，无人售票车、投币电话等需要对硬币进行实时识别，自动售货机除了识别之外，还要提供找零功能等。而且在目前在世界范围内，硬币以其成本低，流通次数多、耐磨损、易回收等无可替代的优势将占领小面额货币市场是大势所趋。市场需要一种成熟可靠的硬币自动处理机具。鉴于此需要，我们研制用于处理上述问题的机具。 硬币清分机是金融行业设备中的用于清点硬币的技术产品，它的主要功能是硬币的计数和硬币币种的清分。目前主要适用于超市、公交、自动售货行业，零售业等行业。硬币清分机外型简单大方，设备原理清晰。操作简单易懂，价格适中，在超市，零售等行业颇受欢迎。硬币清分机的最大优点在于它不仅可以清点硬币的数目，更能将各币种清分开来，并且面对不同的国家的硬币不需要调整软件，只需要调整机器的硬件设备就可以满足不同的国家的硬币清点需求。因此不仅占据了很大的市场份额，而且对于生产成本也有所降低。1.2国内外硬币清分机发展现状1.2.1国外硬币清分发展现状硬币清分机至今已有30年的历史，发展到今天，硬币清分机已具有可靠的传动系统和先进的计数清分功能，其智能化的设计为解决硬币清点的困难提供了完美的选择。国外著名厂家有日本的荣光、瑞典的SCANCOIN AB。由于国外硬币清分机发展比较早，其技术也较为成熟。硬币清分机的传动系统技术具有低噪声、传动平稳、性能可靠等优点；计数功能采用光敏传感器，有功能齐全，操作更简便等优点；采用数字显示屏，进行可视化设计，全面显示硬币的数量等信息。如图1.1所示为最新硬币分拣机。图1.1国外硬币分拣机图1.2.2国内硬币清分机发展现状1、硬币清分机在我国的市场前景：随着我国国民经济持续稳定地增长，2008年北京申奥成功和WTO的加入。从本世纪开始，我国进入了全面建设小康社会的新阶段，创造美好生活环境是金融行业发展的巨大推动力。我国第五版人民币的发行，辅币(10元以下)硬币化已经成为一种趋势，硬币的投放量还将大幅度增加。由于硬币手工清分成本大，利润小，一般不复点且误差多，因此硬币流通自动化成为迫切的社会需求，所以硬币清分机将会成为国内金融市场的一个主流机器。2、硬币清分机国内生产：在国内，清华大学、北京科技大学、上海交通大学、杭州电子科技大学、苏州大学、福州大学等多家单位均对如何进行正确的硬币识别做过深入研究，在机理上普遍采用电涡流法。这些单位的研究在可能涉及的硬币范围内取得了较好的效果，但对硬币的鉴别都局限于项目本身，存在不系统、不完整，对伪币效果识别不好等问题。 3、硬币清分机是对高速通过的硬币进行识别、计数，同时对伪币、残币进行剔除的系统。它是分类机、计数机、包装机、销毁机等众多硬币处理器具的基础。由于国情和货币体系不同，研制各国统一的硬币清分系统不现实，因此，需要针对不同的货币体系研制相应的清分系统。 在这个领域里，国外较早的开展了研究，并且做了大量的工作。开发的产品大致也分为三个档次，低档、中档和高档。低档清分速度在1000枚/min以下，中档为10001500枚/min左右，高档则在1500枚/min以上。所使用的清分方法上主要有两大类，一类是根据物理技术进行清分，另一类是根据性能指标进行清分。高速清分基本上都是采用性能指标来进行清分。综观来看，当今国内外硬币清分装置，或者设计原理简单，抗振动、抗电磁干扰能力差，识别伪币能力差；要么制造复杂、价格昂贵、缺少实用价值表1-1 我国目前流通币种及其基本信息币种材质直径（mm）重量 （g）厚度（mm）边形形状发行年份中国第三套普通流通硬币菊花1角铝镁合金22.52.2.2.4平边外圆内九边形1991-1999梅花5角铜锌合金20.53.81.65间断丝齿圆形1991-2001牡丹1元钢芯镀镍256.051.85平边圆形1991-1999中国第四套普通流通硬币兰花1角铝镁合金191.151.67平边圆形1999-2003不锈钢193.21.67平边圆形2005-2011荷花5角钢芯镀铜20.53.81.65间断丝齿圆形2002-2011菊花1元钢芯镀镍256.051.85平边圆形1999-2011二、方案确定硬币清分机主要设计是从硬币的送料，分离，计数等几个方面进行考虑。方案一：首先混币通过传输装置，定时定量的（定时定量的目的在于防止一次送进过多的硬币而导致分离盘负担过大，引起堵塞和分离不流畅）传输一部分混币到图中所示的分离盘，起先我们分离的是币值为1分的硬币，所以第一个传感器挡币块与导轨的距离设计的要比1分的硬币略大，比其它币值的硬币直径都要小，以此为标准再经过实验产生的分离效果，我们确定一个合适的直径，这样一来，1分的硬币和其它币值的硬币就区分了出来。 其工作原理如下：启动电动机，电动机带动分离盘，使得分离盘转动，则分离盘中的硬币作离心运动，硬币被拨到导轨中（导轨上端对应6个传感器挡币块,挡币块与导轨的距离大小循序从上到下依次变大），然后根据硬币的尺寸由小到大的循序对挡币块与导轨之间的距离进行调整，从而对不同直径的硬币进行分离。其装置简图如图2.1所示。图2.1方案一硬币分离简图 方案二：根据硬币的形状特点，用币盆直接和储币斗相通，币盆的底部有转盘直接和电机联接，这样在电机转动时，硬币由于离心力的作用会被甩到币盆的边缘。币盆边缘会有引导弧和硬币轨道相通，并且入口处有间隙可调节的压片称为选币口，根据硬币厚度不同而设定它的出口标准，轨道间距按照不同面值硬币的直径设置，保证每次只有规定面值的硬币通过。之后进行检伪，它利用电涡流传感器进行检测，可以根据通过物体的的材料不同进行分辨，并在出现假币、残币时利用电磁铁将伪币弹出。之后对堆币套筒堆好的硬币，由调整机械手夹紧移动到包卷胶辊1、2处。三个辊子向硬币圆心移动，压紧硬币后，机械手松开，随后包卷辊子带动硬币堆和包卷纸高速旋转，将纸裹紧在币堆上。随后进行勾至此包卷完成，如图2.2所示。图2.2方案二工艺流程示意图方案三：当机器做好启动准备工作后，在投料口投入硬币，启动电机带动传送带和硬币传动，运行过程中过滤硬币使其只能单一一个通过传送带并通过带有空洞，根据尺寸的不同，不同的硬币掉落不同的孔内，孔在斜板上侧边分布，并且孔洞大小由小到大，达到筛分硬币的目的，并在掉落过程中添加计数机，计数机工作并计数。计数完成后电机暂停工作。然后完成硬币堆的包装。示意如图2.3所示。图2.3方案三示意图最终方案选用：经过比较与分析，方案三适合现如今的设计思路与创新，结构简单，可用性高，所以选择方案三的筛分办法并加以改进。由于一个传送带直接传送并且下落时易出现分离不开的情况，所以增加一个传送带；由于斜板的孔未必实用，所以改成类似长方形的孔槽，方便分拣。斜板图如图2.4所示。图2.4分拣板平面示意图图2.5分拣板三维示意图三、分步设计3.1送料过程硬币通过投料口进入漏斗中，并由漏斗进入传送带1，经过传送带末端时设立一个单个硬币高（不能两个硬币叠起）挡板讲硬币变为层，并通过梯形钢板使硬币变成一列进入下一个传送带2，经由传送带2到达筛分板。3.2传动设计3.2.1电动机的选型考虑到设计的硬币清分机机适用对象为零售业、银行和个体商户户,故电动机电压应选用220V.再考虑到所受的载荷不大,所需动力不是很大,选用小功率的电动机.综合各方面因素,选用YL系列电动机.YL系列电动机是新型高效节能产品,具有体积小、容量大,起动及运转性能优越等特点,符合国际标准IEC的有关规定,并实现同一机座号单、三相异步电动机等级相同,提高了单、三相电动机的互换性和通用性,被广泛应用于冷冻机、泵、风机、,小型机床以及农副业和家用电器等方面.电动机的主要参数：型号:YL801-4；电压:220V；功率:0.55KW；同步转速:1500r/min；频率:50HZ；效率:68%；功率因数:0.92；外形尺寸:295165200。0 电动机的安装方式：选择IBM3型3.2.2 V带传动的设计已知电动机的额定功率为0.55KW,转速n1=1500r/min,选取传动比为i=4.9,采用普通V带传动.（1）.确定计算功率P由参考资料1表8-6查得工作情况系数 KA=1.1,故P=KAP=1.10.55=0.605KW （2）.选取带型 根据P，n 由参考资料1图8-9确定选用Z型 （3）.确定带轮基准直径 由1表8-3和表8-7取主动轮基准直径 d=71mm则从动轮基准直径 d=i d=4.971=329mm 根据参考资料1表8-7 取d=280mm 按参考资料1式(8-13)验算带的速度 V=m/s=5.5735m/s 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), 即245.7 a120主轮上的包角合适（6）.计算V带的根数Z由参考资料1式(8-22)知由n1=1500r/min, dd1=71mm, i=4.9 查由参考文献1表8-5a和参考文献1表8-5b,得P=0.31kw, P=0.03kw查参考资料1表8-8,得K=0.92查参考资料1表8-2,得K=1.14 则=1.697 取z=2式(8-22)中 K包角系数 K长度系数 P单根V带的基本额定功率 P计入传动比的影响时,单根V带额定功率的增量（7）.计算预紧力F由参考资料1式(8-23)知 F=查参考资料1表8-4, 得q=0.06kg/m,故 F=49.687584N（8）.计算作用在轴上的压轴力F由参考资料1式(8-24), 得F=192.3NV带轮的结构参数如表3.1所示。 表 3.1项目符号参数值（mm）基准宽度8.5基准线上槽深2.0基准线下槽深7.0槽间距e12第一槽对称面至端面的距离f8最小轮缘厚5.5带轮宽B28外径轮槽角3.2.3传送带参数传送带1、2材料:普通橡胶带；传送带转速：76r/min;其余参数如下表3.2所示。表3.2 传送带参数表参数值传送带1传送带2槽顶宽Wa12mm12mm带轮基准宽度Wd11mm11mm带轮外径da55mm22mm带轮基准直径dd50mm20mm轮槽基准宽以上高bmin2.75mm2.5mm轮槽基准宽以下高hmin8.7mm7.35mm槽角中心矩E445mm178mm带长L500mm200mm带宽B80mm30mm3.3分拣斜板的设计3.3.1分拣斜板材料的选定，因为是通过重力驱动硬币延斜板运动，所以因选择表面光滑的材料以减少摩擦阻力，提高机构的可行性。本设计为小批量硬币分拣机械，故所选材料因具有价格低廉，便于加工，密度轻等优点。查阅机械设计手册选取如下两种材料塑料，铝合金。两种材料的优缺点如下（1）塑料a大部分塑料的抗腐蚀能力强，不与酸、碱反应。b塑料制造成本低。c耐用、防水、质轻。d容易被塑制成不同形状。e是良好的绝缘体。f塑料可以用于制备燃料油和燃料气，这样可以降低原油消耗。缺点 a.回收利用废弃塑料时，分类十分困难，而且经济上不合算。b.塑料容易燃烧，燃烧时产生有毒气体。例如聚苯乙烯燃烧时产生甲苯，这种物质少量会导致失明，吸入有呕吐等症状，PVC燃烧也会产生氯化氢有毒气体，除了燃烧，就是高温环境，会导致塑料分解出有毒成分，例如苯等。c.塑料是由石油炼制的产品制成的，石油资源是有限的。d.塑料埋在地底下几百年、几千年甚至几万年也不会腐烂。e.塑料的耐热性能等较差，易于老化。(2)铝合金 a.密度小 铝及铝合金的密度接近2.7g/,约为铁或铜的1/3。 b.强度高铝及铝合金的强度高。经过一定程度的冷加工可强化基体强度,部分牌号的铝合金还可以通过热处理进行强化处理。 c.导电导热性好 铝的导电导热性能仅次于银、铜和金。 d.耐蚀性好铝的表面易自然生产一层致密牢固的AL2O3保护膜，能很好的保护基体不受腐蚀。通过人工阳极氧化和着色，可获得良好铸造性能的铸造铝合金或加工塑性好的变形铝合金。 e.易加工添加一定的合金元素后，可获得良好铸造性能的铸造铝合金或加工塑性好的变形铝合金由于硬币的尺寸相差不大，为了使精确的分拣各币种因使用铝合金材料较为稳妥，塑料易变形，热胀冷缩对于尺寸影响较大。3.3.2斜板纵向倾斜角度的确定(1)确定摩擦因数对硬币的受力进行分析，首先查机械设计手册确定摩擦因数，分币斜板材料为铝合金，查阅机械设计手册知道摩擦因数在手册中并不全面，因此一些材料间的摩擦因数按照较大值来估算。第四版一角硬币为铝镁合金材质，而两种一元都是钢芯镀铬材料，杜宇这两种材质均已较大的铝对钢的摩擦因数0.3来估算；其余的一角为不锈钢材料，以钢对铝的摩擦因数0.17来估算，旧版五角为铜铬合金，一较大的铝对黄铜的摩擦因数0.27来估算；新版五角为铜芯镀铬，因此同样以铝对黄铜的0。27计算，如表3.2所示。表3.2各种硬币摩擦参数摩擦因数直径质量厚度旧版一角0.322.52.22.4新版一角0.3191.151.67不锈钢一角0.17193.21.67五角硬币0.2720.53.81.65一元硬币0.3256.051.85由于各币种摩擦因数不同为了确保硬币延底边下滑取其最大值即=0.3(2)受力分析硬币贴底边的前提条件是重力延斜面的分力大于其摩擦力即G*sinG*cos*tanarctan=16.69(=0.3)故取=30受力分析如图3.1所示。图3.1 硬币在斜面上的受力分析图3.3.3斜板宽度、壁高。壁厚的确定为了确保硬币一个个按序进入分拣口，需确保斜板的宽度要大于各硬币的最大宽度（一元硬币的宽度为25毫米）小于各硬币的最小宽度（一角硬币的宽度为19毫米）的两倍。故斜板的宽度介于25到38毫米之间。为考虑空间、材料等因素取宽度为30毫米因硬币的质量轻，铝合金材料的刚度足够高，故在考虑斜板的壁厚和高度时可以忽略硬币对斜板底面以及侧面的压力。从节约材料以及美观的角度考虑初步选定壁厚为2毫米高度为5毫米。至此可作出斜板的纵剖面图3.2图3.2分拣斜板的纵剖面3.3.4分拣口大小的确定初选分拣口与斜面下底边的距离为2毫米，根据各币种的直径选取分拣口的宽度，各直径如下表3.3所示。表3.3旧版一角新版一角不锈钢一角五角硬币一元硬币直径22.5191920.525（1）第一个分拣口 斜面下底边与分拣口上边距离取新版和不锈钢一角硬币直径与五角硬币直径平均值，即19.7毫米故分拣口宽度为17.7毫米；长度取40毫米（大约两倍直径长度）。从此分拣口分拣出新版一角硬币和不锈钢一角硬币。（2）第二个分拣口 依次类推取分拣口宽度为19.5毫米；长度为40毫米。从此分拣口分拣出五角硬币。（3）第三个分拣口 依次类推取分拣口宽度为21.75毫米；长度为40毫米。从此分拣口分拣出旧版一角硬币（4）第四个分拣口 由于分拣斜板宽度为30毫米，一元硬币为25毫米，分拣口与斜面下底边的距离为2毫米，故取分拣口宽度为25毫米；长度为50毫米，从此分拣口分拣出一元硬币。3.3.5分拣口之间的间距为了保证整体尺寸以及系统结构的稳定性初步选取分拣口之间的距离为20mm。分拣斜板示意图如图3.3所示，三维图如图3.4所示。 图3.3分拣板平面图图3.4分拣板三维图3.4计数步骤设计3.4.1计数设计光电计数器是通过红外线发射和接收进行计数，采用直射式的发射、接收分体，发生器和接收器分别置于分拣口两边，中间没有阻挡时发射器的红外线射到接收器，接收器收到发射来的红外线，经相反处理使之没有信号输出，有硬币经过时挡住光路，接收机失去红外线信号的便输出一个脉冲信号到运算累加器进行计数1电源部分采用独立的稳压电源。此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟电路可供选用2、发射部分发射部分由LM555CJ时基集成电路及外围元件构成。555及R3,R4,C3构成多谐振荡器，振荡频率约为5KHz。这个振荡信号由555的3脚输出，经R1加到Q1放大。随着Q1的导通与截止，红外发射管发出频率为5KHz的断续红外信号。R2为限流电阻。实用新型是一种红外线接收器，适用于报警、计数和遥控。该红外线收发器有一个发射机和一个接收机。发射机是由发射组件及其相应的电路组成，接收机是由接收组件及相应的电路组成。发射组件是一个其焦点上放置一个红外线发射管的抛物面的反罩。接收组件是一个在焦点上放置一个发光二极管抛物面的反罩并用一个橡胶圈将所说的发射罩固定在线路板上3、接收部分接收电路中红外接收管Q2接收红外信号，再经C4耦合后加到U3B的5脚，由运放U3B放大后从7脚输出。R6,R7决定U3B的5脚直流电平，R8,R9为这一级的负反馈电阻，同时又和C5构成高通滤波器，以有效滤除杂散光干扰。这一级主要起电流放大作用。U3B的7脚输出5KHz间歇信号经过由C6,D5,D6构成的二倍压整流电路倍压整流，在C7两端得到双倍于信号峰值的电压。这个电压使U3A同相端3脚电压超过2脚，U3A的1脚输出高电平，加在四位BCD计数器SN74160N的时钟端，同时，经R11使发光二极管DS1发光。4、显示部分采用 LED与点阵LCD相结合的方法因为设计既要求倒计时数字输出，又要求有汉字信息提示及图形输出等，为方便观看并考虑到现实情况，用LED与LCD分别显示时间与提示信息。这种方案既满足系统功能要求，又减少了系统实现的复杂度。5计数方案采用74KS160实现计数功能，用与门和或门实现反馈或控制功能，最后采用74LS47共阳数码管显示计数值。如下图3.5所示。图3.5 74KS160计数器电路图3.2 单元电路工作原理3.2.1 信号采集电路部分该电路主要由，光电转换电路，信号滤波比较电路组成。 光电转换电路采用红外发光二极管和光敏三极管作为光电转换传感器，采用典型电路，如图3.6所示。 图3.6 信号采集电路 3.2.2 计数电路 计数电路主要采用计数器统计信号采集电路输出的脉冲个数，实现对物件计数的功能。为了使电路简单化，减少其它器件的使用，通过查看各种计数器芯片的技术手册，选取74LS160为该电路计数元件。下图3.7所示为计数电路：图3.7计数电路图图3.8 74160管脚图 3.2.3 数码显示电路 该电路是实现将计数电路的计数值以直观的数字方式显现出来，只需实现基本要求即可，无特殊要求。图3.9 数码管组成的显示电路计数电路输出两组BCD码，为了使电路简单，应选用BCD码七段数码管译码驱动器，而七段数码管的选择与之配套。译码器无特殊功能要求。这里选用了常用的74LS47共阳数码管驱动器，配套选取共阳八段数码管，但小数点位不用。74LS47为内部有上拉电阻的BCD七段数码管译码器/驱动器，输出端为低电平有效，可用于驱动缓冲器或共阳数码管。其功能表如图3.10所示：图3.103.5包装 如图3.11采用透明的塑料包装管 图3.11 硬币包装管示意图3.5.1封口装置的设计（1） 整体构思路 整体分为薄膜供给部分和封口部分。（2）薄膜供给部分作用是将未使用的薄膜材料源源不断地输送到压力棒下方，塑料包装管上方等待封口；（3）封口部分与奶茶封口机原理类似，压力棒在落下的时候，通过能量转换，压紧塑料薄膜，使其与塑料包装管紧密接触，使两者粘连，如图3.12所示。图3.12 压力棒地面的加热环示意图（4） 整体结构构思图如图3.13所示。图3.13包装古城整体结构思路3.6整体三维图图3.14 硬币分拣机整体三维示意图总结本机采用根据硬币直径的大小对币值进行清分的方法，虽然不具备辩伪功能，但可以对中国现行硬币快速准确按币值进行清分。主要特色是设计简便、清分准确、使用可靠、维护简便、价格低廉等。而且系统具备扩展的潜能，可以满足将来硬币清分机发展的需求。笔者与苏州日宝科技有限公司共同开发，应用此技术生产的硬币清分计数机。已成功地在银行、公交公司等部门先行试用，大大提高了他们的工