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硬币自动分选清点机械设计【分选机】【6张图纸】【全套CAD图纸+毕业论文】【原创资料】

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摘要

硬币自动分选清点机是一种集自动分选、清点和包装于一体的小型机械。本设计式为了使硬币的处理更加便捷，解决现今社会硬币逐步增大的流通量，以及硬币的处理不便的问题。经对市场产品的调查研究发现，现今已有的硬币分选机构基本都不具备包装功能。在此次的设计中，针对这个缺陷，设计出了以一个螺旋料槽扭动式电磁振动给料机、一个直线料槽往复式电磁振动给料机、三个纵封包装机、一个推杆机构和三个机械手，以及电子计数器结合而成的硬币自动分选清点机构。硬币自动分选清点机利用电磁振动给料机的振动以对硬币进行定向、排列与分选。螺旋料槽扭动式电磁振动给料机在本设计中承担的主要是硬币的定向与排列，直线料槽往复式电磁振动给料机主要运用于硬币的分选，纵封包装机、机械手与推杆机构组成了一个可纵封与横封的包装机构，电子计数器则用于硬币的清点。根据对电磁振动给料机、纵封包装机以及机械手电磁铁的选用和吸力参数设计，对机械手夹紧力参数的设计和对推杆机构的参数设计及强度校核，符合所设计机械的工作要求，通过这些局部设计计算，证明了硬币自动分选清点机的设计理论是可行的。以它的实用性，将比其他的硬币分选机构有更高的效率。


关键词：硬币清点，自动分选，机械手，电磁振动给料机


ABSTRACT

Automatic coin counting and sorting machine is a small machine having functions with automatically sorting, counting and packaging. The design wants to make the coin processing convenient, and solves the increasing circulation of coins in present-day society and the inconvenient coin processing. Through a research to the products with the coin sorting machines, we found the existing coin sorting machines almost have no the function of package nowadays. In the design, with the shortcoming, a coin counting and sorting machine is designed with a twisting spiral electromagnetic vibratory feeder, an electromagnetic reciprocating linear vibration feeder, three vertical sealing packing machines, a putter machine and three robots grouping together. The coin counting and sorting machine use the electromagnetic vibratory feeder to direct, arrange and sort for coins. The a twisting spiral electromagnetic vibratory feeder is used to direct and arrange, the electromagnetic reciprocating linear vibration feeder is used to sort coins, a machine which group with the vertical sealing packing machine, the robot and the putter machine can finish the vertical seal and horizontal seal, and the digital counter is used to count coins. The parameter design including the selection of electromagnet and electromagnetic suction of the electromagnetic vibratory feeder, the vertical sealing packing machine and the robot, the clamping force of the industrial robot and the putter machine and the strength check satisfy the job requirement. Through these designs and calculating, it is confirmed that the design theory of the automatic coin counting and sorting machine is right. With its practicality, the machine will have a higher practicality than others.


   Key Words:  Coin counting，Automatic sorting，Robot，Electromagnetic vibratory feeder


目录

摘  要Ⅰ

ABSTRACTⅡ

1.绪论1

2. 硬币分选清点机构的方案设计5

2.1总体方案的确定5

2.2几种机构方案的比较及最终方案的确定5

2.3驱动系统性能分析与方案设计9

2.4控制系统的方案设计9

3. 各部件技术设计及参数选择11

3.1电磁振动给料机的设计11

3.1.1概述11

3.1.2电振机工作原理及物料输送原理12

3.1.3运动学参数的选择和计算20

3.1.4动力学参数选择及计算23

3.1.5电振机电磁参数计算27

3.1.6振动料斗参数选择及设计要点28

3.2纵向热封器的设计及参数选择29

3.2.1概述29

3.2.2纵封器的设计31

3.2.3塑料材料及热封温度的选择32

3.3热封切断机械手的设计33

3.3.1概述33

3.3.2机械手设计及参数计算35

3.4推杆包装机构37

3.4.1齿轮的选择及计算37

3.4.2电动机的选择37

3.4.3齿轮的设计准则38

3.4.4齿轮传动的强度计算38

3.4.5丝杠螺母参数的选择42

4.结论43

致谢44

参考文献45

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1、绪论

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。

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，现已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。随着工业生产自动化的发展，这种由振动供料机、机械手和包装机组成的硬币分选清点机构将得到大力推广，其中的振动供料机是输入传输装置，主要作用是将不同种类的硬币送入多路分选装置，包装机是用于将清点分选好的硬币包装，便于硬币的存放，机械手则用于传送包装好的硬币。这种机构设备主要用于分选和清点1元、0.5元及0.1元的硬币。

同时，这种非工业用途的机械设备，其意义远不仅是它们自身所能带来的直接经济价值。这类机械设备往往是各种领域最新技术的交叉实验平台，在新型机器手、振动供料机和包装机上应用的新技术有可能很快就出现在其他领域的实际产品中，不但促进了新型机器手、振动供料机和包装机的发展，也带动了其他相关领域产品的进步[1]。

随着现今社会的进步，每天市场上流通的硬币越来越多，随之而来的硬币清点分选工作也是大大的加重了，这样每天不仅加大了员工的工作量和一些不必要的花费，所以硬币自动清点分选机构将孕育而生，并得到广泛的应用，拥有良好的发展前景和良好的实用性。


内容简介：
硬币 自动分选清点机械设计 1 附录 外文翻译（中文） 反馈控制电磁振动给料器 （应用双自由度比例加积分加微分控制器的非线性元） Tomoharu DOI*， Koji YOSHIDA*， Yutaka TAMAI* *， Katsuaki KONO*， Kazufumi NAITO*and Toshiro ONO* 电磁式振动给料机是一种用于自动称重机的传输设备。现有的送料器是由前馈控制，所谓的“发射角控制” ，无法使突然出现的干扰无效。在这项研究中，我们考虑采用一种反馈控制这种馈线系统。首先，我们给出对于振 动部分和电磁力部分模型的两个细节。其次，反馈控制系统是为电磁振动给料器构建的，我们提出一个运用非线性元件两自由度比例加积分加微分（ PID控制器）控制器。下一步，我们还采用反馈控制的馈线与标准槽。最后，我们考虑一种方法兼容多种槽调整的非线性因素。在一些实验结果的基础上，我们证实了双自由度 PID控制比传统的角发射控制更加有效。 关键词 ：振动控制，喂料机，非线性控制，电磁作动器，双自由度 PID 控制，建模 1、绪论 对于各种食品制造业的包装过程，自动秤是一个非常重要的设备。自动秤发展于 1973年，后来得到改进，从 而成为高度精确和有效的。电磁振动给料器在这篇文章中被认为是一个重要的用于系统地传输材料给称重单位的传输设备。然而，在发射角控制（前馈控制）被用于给料器至今，仍未得到进一步的完善。在这项研究中，我们提出一个运用非线性元件的两自由度的 PID 控制器的反馈控制系统构建于电磁振动给料器下。首先，我们给予振动部分和电磁力部分模型的细节。下一步，我们还采用对于给料器标准槽的反馈控制。然后，我们考虑一个方法兼容各种槽调整的非线性因素的两自由度 PID 控制器。在一些实验结果的基础上，我们证实了双自由度 PID 控制比传统的角发射控 制更加有效。 2、电磁振动给料器 nts硬币 自动分选清点机械设计 2 2.1给料器的概要及其传输原理 图 1.显示的是一个给料器。术语“料槽”是指用于运输的钢板形状的管道。料槽可以很容易地改变，以配合运输对象。料槽是靠平行板弹簧和位于料槽底下的电磁线圈支持的。板弹簧和线圈是固定在基座上的。该基座是由三根螺旋弹簧支承着的。所有部件，除了料槽，被称为“直属零件”和所有设定的部分，包括料槽，被称为“送料器”。 料槽连接到基座的钢板弹簧，因此，这一系统基本上相当于一个质量弹簧系统的共振频率。如果在共振频率下被驱动，送料器将做共振运动。共振现象是高效 率的，因为少量的电源作为输入可以造成大位移量的出现。 图 1 电磁振动送料器 图 2 输送过程 图 2 所示为运输物料的过程。阴影箭头表示料槽振动时物料的移动方向。图 2（ i）表明送料器处于平衡位置。最初，当电流流向电磁铁线圈（以下简称“线圈” ），由电磁力的作用料槽向左移动到更低的位置（见灰色箭头），就如图 2（ ii）所示的那样。在此期间，料槽内输送的物料向重力方向移动（见白箭）。 当关闭电源开关，板弹簧和料槽将推进运输对象向右上方移动（见灰色箭 头），如图 2（ iii）所示。在这种方式下，被输送的物料缓慢前行。送料器将在共振频率的驱动下重复图 2（ ii）和（ iii）中的步骤。 2.2 振动机械因素的模型 图 3 所示为送料器振动因素的模型。这一模型中术语的坐标轴，使用的变量和参数被列表 1 中。模型的一个关键要素是料槽的移动方向是被固定了的。然后，下面的线性动态模型，四阶可得出的详细模型的振动。 nts硬币 自动分选清点机械设计 3 M ， K是对称矩阵（符号 *显示对称元素）如下所示： 因此，本模型（ 1）是有用的设计振动因素。模型（ 1）对应的特征频率符合实验模态 分析的结果。 图 3 振动因素模型 图 4 电磁线圈模型 送料器的主振弹簧是由一些板弹簧组成的。该模型没有考虑非线性特性的弹簧元 （ 1）（ 2） ，这改变了共振频率按照振幅变化的共振。 表 1 模型中用到的参数 表 2 料槽的特性 nts硬币 自动分选清点机械设计 4 2.3 电磁驱动要素 我们采用的电磁悬浮 （ 3） 模型技术就如图 4 中模型显示的那样。在图 4中 e，i 和 R 分别表示线圈的电压，线圈电流和线圈电阻。线圈和料槽之间 的电感 z被表达的功能为 LzZQL 1)(z ）（ 。其结果是，电磁力 F可表示为 zzLiF )(21 2（ 2） 线圈和电流之间的关系可以表达为 )( izLdtdRie （ 3） Q、 Z 和 L 为线圈决定的常数 。使用公式（ 1）、（ 2）、（ 3）可以在计算机上构建一个仿真的送料器。此外，状态空间模型可以由公式（ 1）、（ 2）、（ 3）得出一个线性均衡器。 3.实验控制系统的结构 3.1 反馈系统的结构 图 5 显示的是一个反馈系统的结构。反馈系统的操作变量（以下简称“振幅能量”为 AP， AP是个无纲量）是一个存在发射角控制的变量（以下简称“ FAC”，它的详情稍后给出）。测量变量，控制变量，命令变量假定振幅为料槽与线圈表面的距离（以下简称“间隙振幅”为mpaG） z。由 FAC、激励系统和振动因 素组成的部分被称为控制系统。图 5 显示的结构来实现取消和干扰，以改善其跟踪特性的命令变量的两自由度 PID 控制器。这种结构成为一个现有 FAC 系统的内置结构，它描述了两自由度 PID控制器的一般结构 （ 5）（ 6） 。因此，如果操纵变量FBu 如图 5所示，当由于反馈控制器而使系统变得不稳定时将会关闭，这结构将符合当前的常规系统。因此，这种结构已成为故障安全系统。 图 5 反馈系统结构 图 6 实验系统 3.2 送料器和料槽在实验中的使用 图 6显示了设立的实验系统。这个实验送料器可运输约 10公斤的最高质量，但是送料器通常由约 0.1 公斤的质量驱动。这个送料器的共振频率 f是 40Hz。nts硬币 自动分选清点机械设计 5 当送料器运输最大质量是，共振频率的变化约 4%。然而，因为运输 0.5 千克或更多是罕见的，我们忽视了由共振的运输物料质量变化引起的共振频率的变化。关于料槽形状和类型，根据运输物料的不同有 100 多个品种的料槽。对于我们的实验，运用到了五种特别类型的料槽。这些料槽的参数列在表 2中，并在图 7中给出了料槽的形状。在下面，料槽 B是所谓的“标准料槽”。由 于料槽 E的质量是最大的，我们改变组合钢板弹簧等要素的共振频率的支线为 40赫兹。 图 7 料槽的形状 图 8 在 FAC中电流电压的循环曲线 3.3 送料器驱动部分 在现有送料器系统中， FAC常用作驱动系统。图 8显示的是 FAC的操作纲要。曲线图 8分别指出了交流源，线圈电压和线圈电流。 FAC是一个利用交流源过境时间（ ZAT：零跨越时间）的重复控制方法。从 ZAT延迟时间 L后，经处理进入线圈的电流开始进行。 L是从 T （常量）和 AP（操纵量）中获得的，并表达如下： ),( APTFL L （ 4） 这里 T 是交流电流入的时间。当 AP变大时，延迟时间 L与函数 F将变短。 FAC会在此基础上运作的延迟时间如下：（ i）由延迟时间 L 和线圈电流作用后，交流源的电压将直接激起线圈的电压。（ ii）在高峰期过后，该线圈电流开始下降。（ iii）当线圈电流变为 0A时，交流电源将关闭。在共振期间，像（ i） （ iii）这类非线性处理的方案将被多次重复执行。在 FAC中，线圈电流靠 AP 而增加并且变大以致于振幅变大。 AP决定了一个共振周期的输入功率。共振期符合更新期间的操纵变量。因此，在控制实验中的取样时间 T 变为 0.025 秒。取决于FAC驱动硬件的 AP采取的整数值从 0到 127（ 7位）。 3.4 间隙振幅测量部分 nts硬币 自动分选清点机械设计 6 因为加速度传感器对环境变化的低敏感度和易于维护，所以用来测量测量变量mpaG。加速度传感器和金属配件被安装在实验送料器的 料槽固定部分。如果要取得一个标准的价值差距测量，将光学位移传感器安装在实验送料器中。然而，位移信号的光学传感器不是用于反馈控制对加速度传感器信号测量精度的研究中的。 3.4.1 从加速度到间隙振幅的变化 由于送料器驱动是由发射角控制的，加速度传感器的输出信号 a（ t）的加速度传感器，可以假定为是一个正弦波的振幅和共振频率 )/(2 sradf 。 tAta sin)( 从这个假设，间隙 z（ t）是由整合加速的 a（ t）的两倍获得的。因此，间隙 可由料槽位移和送料器的几何关系表达如下： )(s inc os)(2 tKatAtz （ 5） 换言之，差距环 z（ t）是不通过整合输出信号 a（ t）的两倍得到的，但乘以输出信号为常数，因为它可以假设为一个输出信号正弦波。从间隙 z（ t）中获得ampG的方法也是被制定了的。当ampG是由公式（ 5）计算的间隙 z（ t）的最大和最小值计算得出的，有可能会直接受到噪声 造成的影响。首先，在图 9 中阴影部分的reaA可通过用加速度传感器获得的输出信号 a（ t）算出。其次，ampG的获得基于reaA。如果输出信号为一个正弦波，则reaA变为 KAArea 2，ampG变为如下所示： reaam p AKAG 2因此，可以由通过加速度 a（ t）算出 的reaA对ampG进行测量。 图 9 振幅的测量曲线 图 10 reaA与ampG的关系 reaA可由下列步骤计算出： (i) 为了使正弦波将集中在 0V，一个补偿（ -1.397V）被删除。（ ii）一个绝对值波是通过步骤（ i）中的绝对值正弦波产生的。（ iii）梯 形规则的一体化算法应用于步骤（ ii）中的绝对波和最后的reaAnts硬币 自动分选清点机械设计 7 计算。间隔时间为 0.25 毫秒一体化和采样时间的加速度传感器也是 0.25 毫秒。共振周期 1/f的整合时间为 25毫秒，区域reaA是由这一周期计算出的。我们考虑获得由reaAVS转换为光学位移传感器输出值的表达式。图 10所示为光学传感器算出的ampG和由加速度传感器计算出的reaA的关系。在图 10 中reaA和ampG的关系显示它在 12.6VS 边界时开关。这种开关特性被认为是由于一套钢板弹簧引起的非线性 （ 1）（ 2） 。因此，转化率的表达逼近两直线，改变边界的表达式如下： 3.4.2 输送物料造成的噪声 当固体物质运输时，运送物体料槽产生一个冲击力。因此，加速度受到冲击力的影响，并且噪声随着加速度传感器输出信号的出现而出现。当料槽和输送物料被替代时，噪声的频率也随之变化。然而，有人证实了实验 的频率为 0.5 kHz或更多，即使是进行更换。 0.5Hz或更多的噪声被三阶数字低通滤波器 Hz过滤掉，并且运用低通滤波器的预处理可以计算出reaA。在我们的实验中，下面的过滤器被使用。 3213211 9 7 8.09 1 0 4.04 5 9 0.11 0 3 1 7.09 5 1.00 9 5 1.00 3 1 7.0 zzz zzzzH当噪声被通过原来的加速度传感器输出影响的数字滤波器删除时，为图 11所示。 图 11 数字低通滤波器的影响 图 12 在测量过程中的信号流出 3.4.3 在测量过程中的数据处理 图 12所 示为在测量过程中简要的数据处理。首先，由加速度传感器产生的输出信号是在 4KHz下采样，噪声是被数字滤波器删除的。reaA是通过滤波信号nts硬币 自动分选清点机械设计 8 计算出来的，ampG是通过公式（ 6）中共振周期 1/f 的关系得到的。图 13 所示为安装在运用 FAC， 68AP 的标准料槽的ampG的有效力是通过数据处理获得的。驱动测试期间， 50g的测试片（质量 0.5g的木栏一块；直径 8mm；长 15mm。）被放到料槽上四次。测量使用光学 传感器和那些从删除噪声后计算出的reaA所获得的值将得到相似的输出。然而，在中间图像的测量结果中，测试片造成了噪声的出现，ampG就是通过噪声的一个最大和最小值得出的。因此，确认获得的位移加速度传感器，并显示了类似的测量性能的光学传感器。从reaA得ampG的数据处理方法的成效通过结果而被证明了。 图 13 检测方法的比较 图 14 和 AP的关系 3.5 控制部分 控制器的结构类似于双自由度 PID控制器。 PID控制器（以下称为“反馈控制器”）负责取消干扰，命令变量过滤器负责在命令变量的跟踪特性中进行改进。命令变量过滤器被在图 5中所示的“变换参考 AP”的块所显示出来。 3.5.1 反馈控制器 数字反馈控制器的功能可表达为如下： )1(01tmetmetTtkeTttmeKtmu DmkpFB （ 7）其中是 e 错误， t 是采样时间，pK是比例增益， 1T 是整合的时间和 DT 是分化nts硬币 自动分选清点机械设计 9 时间。在控制实验中，这些参数的粗值是通过灵敏度估算方法获得的，通过调整假设pK=12.0， 1T =0.1， DT =0.25。 3.5.2 命令变量过滤器 基于命令变量，命令变量滤波器可计算出稳态振幅 能量eqnAP。衍生控制器参照图 5 的参考值（命令）工作以改善对于命令变量的跟踪特性。在这项研究中，我们采用一种非线性函数 f（ r）能够命令变量过滤器，但比例控制器通常用作命令变量过滤器。体系的稳定性不是问题，因为这一非线性因素通过命令变量产生一个独特的输出。非线性因素在反馈系统中也是独立的。图 14 所示为通过利用标准料槽所做实验获得的命令变量和 AP之间的关系。基于这些结果获得命令变量过滤器的具体情况如下： 8.141461015.37)( 23 rrrrfAPe q n（ 8） 改善其跟踪性能命令变量的衍生控制器，假定是一个近似分化根据一阶传递函数如下： 1)( s ssD FF （ 9） 衍生控制器和命令变量过滤器（ 8）在采样时间 t 实现在离散时间中获得，并命令变量过滤器 tmuFF 得到如下： )1()1()( 21 tmutmrtmrtmrftmu FFFF 1 和 2 作为相反的一对离散系数是必要的，关系如下： 11 ， )exp( 12 t 参数为 =6.0和 =0.1 是用于控制实验。 4.标准料槽控制实验 4.1 输送物料的质量变化 当输送物料的质量变化时，通过料槽的实验验证了干扰取消的表现。 当ampG得命令变量假定为 0.2mm，重 200g 的测试片扔到空料槽中时，如图15 所示的时间行为。短虚线表示的是 FAC，实线表示的是反馈控制。当输送物料下放时（通过输送和测试片的质量在料槽上减小，测试片从料槽上掉下），利nts硬币 自动分选清点机械设计 10 用 FAC，减少后的ampG将恢复。另一方面，用反馈控制，在测试片从料槽上掉下后，ampG将在 8秒内恢复。 因此，反馈控制可以取消的干扰从而突然增加了运输物体的质量。 图 15 输送木塞的结果 图 16 2-d.o.f控制器的每步骤结果 4.2 关于命令变量的跟踪特性 命令变量跟踪特性的改进被确认是通过一个使用标准料槽的阶跃响应实验实现的。图 16显示了实验的结果。虚线表明了利用 FAC控制的结果，实线显示了使用反馈控制的结果。当命令变量增加时，振动和稳态偏差的结果是被 FAC监视的。另一方面，利用反馈控制的结果显示改善了跟踪特性，并消除了稳态偏差。特别是，针对反馈控制ampG在 1.0mm 显示良好的跟踪响应，因为 PID 参数 的调整ampG在 1.0mm。然而，送料器变化的特点主要取决于ampG。因此，当 G有一个其他值时，结果会比 G去 1.0mm时的结果还坏。 5.不同料槽的控制实验 5.1 分组料槽 被提到的料槽种类已经超过了 100 种。因此，调整 PID 参数为个别槽增加花费。所以，我们认为这种方法可以控制几种料槽使用相同的 PID 参数。在这项研究中，我们考虑的一种方法，这种方法是基于在表 2 中提到的 5 种料槽的实验结果调整命令变量过滤器。 图 17所示为 5种料槽的 AP和ampG的关系（见表 2）。我们进行了以下自动实验：（ i）送料器通过 AP每 0.2秒增加一次从 0增加到 127来驱动，接着再从127到 0每 0.2秒减小一次来驱动。（ ii）在这个过程中， AP和ampG被自动测量。nts硬币 自动分选清点机械设计 11 实验结果自动绘制在图 17 内。这个实验花费了大约 50 秒，因为这个关系可以很容易的从各种料槽中得到。 图 17 ampG和 AP 的关系 图 18 料槽组 G每步骤结果 图 17 显示的料槽 C、 D 和标准料槽 B 也有相似的关系。料槽 A 是最轻的，振动和其他料槽相比要好，还有振幅范围也更宽。换句话说，料槽 E是最重的，要求更大的 AP和相对要小的振幅范围。通过这些结果，基于 AP和ampG的关系，料槽的形状和参数可以被组合在一起。 5.2 料槽组命令变量的跟踪特性 通过 AP 和ampG，将由相似关系的料槽 B、 C 和 D 组合在一起就成了料槽组G。我们用反馈控制器的相同的 PID参数的料槽组 G的反馈控制 进行试验。图 18显示了实验步骤的反应。如图 18所示的是与料槽 B、 C和 D相符合的输出结果，因此，在这组中 AP和ampG的关系相似。所以，使用相同的 PID控制参数和相同的命令变量过滤器是有可能的。从结果中我们认为，如果 AP和ampG的关系相似，相同的 PID 参数和相同的命令变量过滤器可用作控制系统。因此，如果我们组合料槽时考虑到 AP和ampG的关系，这些数量的控制器和时间需要 PID参数的调整可以降低。 5.3 命令变量过滤器的调整 据证实，对于命令变量的跟踪特性可以通过调节命令变量过滤器来改善。 在我们的实验中，基于标准料槽的命令变量过滤器被称为标准过滤器。此外，基于 AP和ampG关系的可以单独调节的命令变量过滤器像料槽 E那样被称为“个别调整过滤器”，可表示如下： nts硬币 自动分选清点机械设计 12 3701100906264)( 23 rrrrfAP e q n （ 11） 图 19 )(rf 和 )(rf 每步骤结果的比较 图 19所示为运用一个标准过滤器和一个个别调节过滤器实验的步骤结果。当命令变量 0.65mm， 0.75mm， 0.85mm和 0.95mm，瞬态反应是不同的方面的差异，命令变量过滤器。如果运用一个标准过滤器，结果是无效的，然而，它是改进个别调整滤波器但所得到的结果不稳定。当命令变量 0.95mm或以上，良好的跟踪特性表明无论单独调整滤波器。我们认为，原因是整体增益反馈控制器因为如图 17所示不同的关系中显示了一些偏差范围其中ampG大于 0.9mm。 由于 AP和 G的关系不同使当分组困难时，一个命令变量过滤器的调节时有效的。因此，如果命令变量过滤器为料槽 A 调整，被认为可使对于命令变量的跟踪特性改进。 6.结论 在这项研究中，我们做出了关于送料器反馈控制的努力和实验。结论总结如下： （ 1） 包含 FAC驱动的两自由度 PID控制系统的结构被认为是合理的。 （ 2） 反馈控制系统和 FAC控制系统的性能是相当的。 （ 3） 通过实验我们证实了 AP和ampG关系相似的料槽组可以由相同的 PID参数和相同的命令变量过滤器控制。 （ 4） 通过实验证 实了当 AP和ampG的关系不同时，命令变量过滤器的调节是有效的。 nts硬币 自动分选清点机械设计 13 参考文献 （ 1） Konishi, S， Sakaguchi, K., Amijima, S., Matsuoka, T., Okano, I. and Morinaka, H., Non-Linear Phenomenon Observed on Resonance Curve for Vibratory Feeder-Electromagnetic Type, Proc. APVC 95, (1995), pp. 258-263. （ 2） Konishi, S., Sakaguchi, K., Amijima, S., Matsuoka, T., Okano, I. and Morinaka, H., Analysis of Non-Linear Resonance Phenomenon for Vibratory Feeder, Proc. APVC 97, (1997), pp. 854-859. （ 3） The Institute of Electrical Engineers of Japan(ed)， Magnetic Levitation and Magnetic Bearing,(in Japanese),(1993),p.30, Corona Publishing Co., Ltd. （ 4） Doi, T., Yoshida, K., Tamai, Y., Kono, K., Naito, K. and Ono, T., Feedback Control for the Vibratory Feeder of Electromagnetic Type, Proc. ICAM 98, (1998), pp. 849-854. （ 5） Suda, N., PID control, (in Japanese), (1992), Asakura Publishing Co., Ltd. （ 6） Araki, M. and Taguchi, H., Two-Degrees-of-Freedom PID Controller, Journal of the Institute of Systems, Control and Information, Vol. 42, No. 1 (1998), pp. I8-25. ntsntsntsntsntsntsntsntsntsnts 大 连 大 学 Dalian University 本 科 生 毕 业 设 计（论文） 题 目： 硬币自动分选清点机械设计 学 院： 机械工程学院 专 业 、班 级： 机械设计制造及其自动化 机 英 051 班 学 生 姓 名： 常 宏 坤 指 导 教 师： 陈 殿 华 评 阅 教 师： 张 仲 伟 nts 硬币自动分选清点机械设计 总计：毕业论文 59 页 表 格 4 表 插 图 40 幅 指导教师： 陈殿华 评 阅 人： 张仲伟 完成日期： 2009-5 nts硬币自动分选清点机械设计 I 摘要 硬币自动分选清点机是一种集自动分选、清点和包装于一体的小型机械。本设计式为了使硬币的处理更加便捷，解决 现今社会硬币 逐步增大的 流通量，以及 硬币的处理 不便的问题。 经对市场产品的调查研究发现，现今已有的硬币分选机构基本都不具备包装功能 。 在此次的设计中，针对 这个缺陷，设计出了以一个螺旋料槽扭动式电磁振动给料机、一个直线料槽往复式电磁振动给料机、三个纵封包装机、一个推杆机构和三个机械手，以及电子计数器结合而成的硬币自动分选清点机构。 硬币自动分选清点机 利用电磁振动给料机的振动以对硬币进行定向、排列与分选 。 螺旋料槽 扭动式电磁振动给料机在本设计中承担的主要是硬币的定向与排列，直线料槽往复式电磁振动给料机主要运用于硬币的分选，纵封包装机、机械手与推杆机构组成了一个可纵封与横封的包装机构，电子计数器则用于硬币的清点。根据对电磁振动给料机、纵封包装机以及机械手 电磁铁的选用和 吸力参数 设计 ， 对机械手夹紧力参数的设计和对推杆机构的参数设计及强度校核，符合所设计机械的工作要求，通过这些局部设计计算，证明了硬币自动分选清点机的设计理论是可行的 。 以它的实用性，将比其他的硬币分选机构有更高的效率。 关键词： 硬币清点 ， 自动分选， 机械手， 电 磁振动给料机 nts硬币自动分选清点机械设计 II ABSTRACT Automatic coin counting and sorting machine is a small machine having functions with automatically sorting, counting and packaging. The design wants to make the coin processing convenient, and solves the increasing circulation of coins in present-day society and the inconvenient coin processing. Through a research to the products with the coin sorting machines, we found the existing coin sorting machines almost have no the function of package nowadays. In the design, with the shortcoming, a coin counting and sorting machine is designed with a twisting spiral electromagnetic vibratory feeder, an electromagnetic reciprocating linear vibration feeder, three vertical sealing packing machines, a putter machine and three robots grouping together. The coin counting and sorting machine use the electromagnetic vibratory feeder to direct, arrange and sort for coins. The a twisting spiral electromagnetic vibratory feeder is used to direct and arrange, the electromagnetic reciprocating linear vibration feeder is used to sort coins, a machine which group with the vertical sealing packing machine, the robot and the putter machine can finish the vertical seal and horizontal seal, and the digital counter is used to count coins. The parameter design including the selection of electromagnet and electromagnetic suction of the electromagnetic vibratory feeder, the vertical sealing packing machine and the robot, the clamping force of the industrial robot and the putter machine and the strength check satisfy the job requirement. Through these designs and calculating, it is confirmed that the design theory of the automatic coin counting and sorting machine is right. With its practicality, the machine will have a higher practicality than others. Key Words: Coin counting， Automatic sorting， Robot， Electromagnetic vibratory feeder nts目录 摘 要 - ABSTRACT - 1.绪论 - 1 2. 硬币分选清点机构的方案设计 - 5 2.1 总体方案的确定 - 5 2.2 几种机构方案的比较及最终方案的确定 - 5 2.3 驱动系统性能分析与方案设计 - 9 2.4 控制系统的方案设计 - 9 3. 各部件技术设计及参数选择 - 11 3.1 电磁振动给料机的设计 - 11 3.1.1 概述 - 11 3.1.2 电振机工作原理及物料输送原理 - 12 3.1.3 运动学参数的选择和计算 - 20 3.1.4 动力学参数 选择及计算 - 23 3.1.5 电振机电磁参数计算 - 27 3.1.6 振动料斗参数选择及设计要点 - 28 3.2 纵向热封器的设计及参数选择 - 29 3.2.1 概述 - 29 3.2.2 纵封器的设计 - 31 3.2.3 塑料材料及热封温度的选择 - 32 3.3 热封切断机械手的设计 - 33 3.3.1 概述 - 33 3.3.2 机械手设计及参数计算 - 35 nts3.4 推杆包装机构 - 37 3.4.1 齿轮的选择及计算 - 37 3.4.2 电动机的选择 - 37 3.4.3 齿轮的设计准则 - 38 3.4.4 齿轮传动的强度计算 - 38 3.4.5 丝杠螺母参数的选择 - 42 4.结论 - 43 致谢 - 44 参考文献 - 45 nts 大 连 大 学 本科毕业论文 (设计 )开题报告 论 文 题 目 ： 硬币自动分选清点 机械设计 学 院 ： 机械工程学院 专 业 、班 级 ： 机械设计制造及其自动化 机英 051 学 生 姓 名 ： 常宏坤 指导教师（职称） ： 陈殿华 （教授） 2009 年 3 月 5 日填 nts 1 毕业论文 (设计 )开题报告要求 开题报告既是规范本科生毕业论文 工作的重要环节，又是完成高质量毕业论文 (设计 )的有效保证。为了使这项工作规范化和制度化，特制定本要求。 一、选题依据 1 论文 (设计 )题目及研究领域； 2 论文 (设计 )工作的理论意义和应用价值； 3 目前研究的概况和发展趋势。 二、论文 (设计 )研究的内容 1 重点解决的问题； 2 拟开展研究的几个主要方面 (论文写作大纲或设计思路 )； 3 本论文 (设计 )预期取得的成果。 三、论文 (设计 )工作安排 1 拟采用的主要研究方法 (技术路线或设计参数 )； 2 论文 (设计 )进度计划。 四、文献查阅及文献综述 学生应根据所 在学院及指导教师的要求阅读一定量的文献资料，并在此基础上通过分析、研究、综合，形成文献综述。必要时应在调研、实验或实习的基础上递交相关的报告。综述或报告作为开题报告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通顺，较全面地反映出本课题的研究背景或前期工作基础。 五、其他要求 1 开题报告应在毕业论文 (设计 )工作开始后的前四周内完成； 2 开题报告必须经学院教学指导委员会审查通过； 3 开题报告不合格或没有做开题报告的学生，须重做或补做合格后，方能继续论文 (设计 )工作，否则不允许参加答辩； 4 开题报告通过后，原则上 不允许更换论文题目或指导教师； 5 开题报告的内容，要求打印并装订成册 (部分专业可根据需要手写在统一纸张上，但封面需按统一格式打印 )。 nts 2 一、选题依据 1论文 (设计 )题目 硬币自动分选清点机械设计 2研究领域 机械制造及其自动化 机电一体化 3论文 (设计 )工作的理论意义和应用价值 本课题来源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。 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，现已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。 随着工业生产自动化的发展， 这种由振动供料机、机械手和包装机组成的硬币分选清点机构将得到大力推广 ， 其中的振动供料机 是 输入传输装置 ， 主要作用是将不同种类的硬币送 入多路分选装置 ，包装机是用于将清点分选好的硬币包装，便于硬币的存放，机械手则用于传送包装好的硬币。这种机构设备主要用于分选和清点 1 元、 0.5 元及 0.1 元的硬币。 同时，这 种 非工业用途的 机械设备 ，其意义远不仅是它们自身所能带来的直接 经济价值 。这类 机械设备 往 往 是各种 领域 最新技术的交叉实验平台，在新型机器 手 、振动供料机和包装机上应用的新技术 有可能很快就出现在其他领域的实际产品中，不但促进了新型机器手 、振动供料机和包装机 的发展，也带动了其他相关领域产品的进步。 此次设计的 机械设备 就是为 了促进 机械创新的 发展， 按照 这一理念 ，为了 硬币分选工作的速度与效率 而设计的，通过 此次设计 可以检验我们大学四年所学过的理论知识，提高创新能力，很有意义。 nts 3 4目前研究的概况和发展趋势 随着 现今社会的进步，每天市场上流通的 硬币越来越多，随之而来的硬币清点分选工作也是大大的加重了，这样每天不仅 加大 了员工的工作量和一些不必要的花费，所以硬币自动清点分选机构将孕育而生，并得到广泛的应用 ，拥有良好的发展前景 。目前有一种硬币分选机构， 硬币自动分选机的设计原理有四部分 ,即输入传输装置、多路分选装置、分类收集装置、计数统计装置。硬币自动分选机的设计依据是：利用偏心轮电机产生振动，使硬币定向移动进入多路分选装置；再利用丝杠旋转力传送硬币，当不同规格的硬币通过相应的检测分离孔时，被检出进入分类收集装置；利用单片机编程、光电计数控制电路等多种知识和技术，使其分选效率好，计数准确。输入传输装置的主要作用是将不同种类的硬 币自动进入多路分选装置。输入传输装置位于多路分选装置的上部。输入传输装置包括硬币输送盒、输入导轨、控制挡板和振动等部分组成。输送盒固定在具有一定位移的丝杠片上。输送盒的里面的进口端略高于出口端，输送盒出口端装有 3 组输入导轨，引导硬币进入分选装置；输送盒的上部安装控制挡板，防止硬币叠加进入输入导轨；输送盒的底部安装一个装有偏心轮的微型电机，当接通电源时产生振动。 多路分选装置设计为 3 路，主要作用是将规格不同的硬币进行分类筛选，规格相同的硬币从各路中汇集到同一收集装置。多路分选装置包括输送部分和检测分离部分组成 。输送部分为 3 路，由 4 个螺旋丝杠组成。 4 个螺旋丝杠水平并列在一起，两个丝杠为一组，共构成 3 组，一组两个丝杠分别加工为左旋和右旋，传动时相向旋转，使硬币在两个丝杠之间向前移动。每个丝杠固定在传动轴上，其中一端安装传动齿轮，相互啮合，由一微型电机棗减速器机组带动。分离检测部分位于每对丝杠下面，根据硬币直径大小设有检测分离孔。 目前市场上主要流通四种面值的硬币， 1 元、 0.5 元和两种 0.1 元，直径分别为 25mm、20mm、 22mm 和 19mm（两种 0.1 元直径大小不同）。检测分离孔按照硬币移动方向进行分布，先小孔后大 孔，共有 4 种，根据硬币直径设计为矩形口， 4 种检测分离孔线性连接在一起，使硬币在其上面能够连续移动 ,在检测分离孔前有一过渡孔，使硬币落入时起到定位和过渡作用。因此，每路硬币分选顺序是： 0.1 元（小）、 0.5 元、 0.1 元（大）、1 元。由于硬币直径差别很小，检测分离孔加工精度要求很高，硬币立面必须垂直位移方向，因此每组丝杠对称性要好。 分类收集装置位于多路分选装置下面。主要作用是将分选出的硬币进行分类收集。分类收集装置由 4 个导轨和收集盒组成。导轨带有一定倾斜角度，能够使落入的硬币快nts 4 速滑落到收集盒中。 4 个导轨分别接 受不同规格的硬币，导轨位置与分选装置的检测分离孔相对应。 计数显示装置的光电计数器安装在分类收集装置上，主要作用是将每路分选出的不同规格的硬币进行分类统计。计数显示装置由数码显示屏（ LCD）、单片机（ 51 系列）、光电计数器、光电计数控制电路组成。数码显示屏安装在硬币分选机面板上，可以显示四种硬币的统计结果，以及总的金额数。面板上还设置 5 个功能键，分别为合计、 1 元、0.5 元、 0.1 元、复位键。单片机用于控制显示参数以及各种功能设置编程。光电控制电路用于硬币计数。计数显示装置的工作原理是，从多路分选装置分选出同 一规格的硬币，进入分类装置时，由光电计数器将落入的硬币进行计数，计数结果不断输入单片机，进行统计和显示。当硬币分选工作完成时，可以按下面板按键，通过显示屏查阅硬币总钱数，以及不同面值硬币的总数。重新工作时按下复位键，计数器清零，可以继续进行。 硬币自动分选机，配置 3 路直流稳压电源，给显示屏、单片机、传输电机和振动装置等供电，并且电压可调整。 图如下 nts 5 二、论文 (设计 )研究的内容 1 重点解决的问题 振动供料机、包装机和机械手 的结构设计和驱动 ； 振动供料机、包装机和机械手 运动的探讨； 保持一定 的速度和硬币种类（ 1 元、 0.5 元、 0.1 元） 2 拟开展研究的几个主要方面 (论文写作大纲或设计思路 ) (1) 确定 合理的 振动供料机、包装机和 机械 手 运动方案； (2) 进行 振动供料机、包装机和机械手 运动参数设计； (3) 绘制 振动供料机、包装机和机械手 运动机构的 装配图及其零件图 ； (5) 编写设计说明书 。 3 本论文 (设计 )预期取得的成果 通过采用文献资料收集、调查问卷等方式，了解现在 硬币清点分选机 的发展趋势 、相关技术的对比及市场前景， 完成 振动供料机、包装机和 机械 手 的整体设计，实现 振动供料机的传输作用 ， 包 装机包装和机械手的传递作用， 理论上可以进行 硬币自动 分选清点。 nts 6 三、论文 (设计 )工作安排 1拟采用的主要研究方法 (技术路线或设计参数 ) 本课题是融机械设计、气动技术、控制技术为一体的综合技术项目。虽然有一定的难度，但是目前各项技术都已比较成熟，有关的硬件条件已基本具备，因此，方案是可行的。 设计参数：硬币种类（ 1 元、 0.5 元、 0.1 元） （ 1） 机构设计： 执行构件的运动设计： 1 执行构件的数目 2 执行构件的运动形式和运动参 数 原动机的类型及其运动参数的选择 各个执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图 （ 2） 机构传动构件设计： 1 振动供料机 装配 图纸 1 2 包装机 装配 图纸 1 3 机械手装配 图纸 1 4 硬币自动 分选清点 机 械装配 图纸 1 2论文 (设计 )进度计划 第一周至第二周 :查阅相关资料，并进行市场调查了解 硬币自动 分选清点 机 械 机构的发展趋势。 第三周至第四周 :根据指导老师的要求完成开题报告。 第五周至第六周 :确定 硬币自动 分选清点 机 械 机构的方案，并进行初期设计。 第七周至第八周 :在老师的指导下确定最后方案。 第九周至第十二周 :绘制所有的装配图和零件图。 第十三周至第十四周 :完善工作、技术总结、撰写说明书。 第十五周 :准备答辩。 nts 7 四、需要阅读的参考文献 1. 尚久浩 张淳 李思益 自动机械设计（第二版）中国轻工业出版社 M 2002 2. 孙桓 陈作模 .机械原理 (第六版 )西北工业大学机械原理及机械零件教研室 高等教育出版社 M.2001 3. 汝元功，唐照民主编 机械设计手册 M 北京 :高等教育出版社 .1995 4. 高德 包装机械设计 化学工业 出版社 （工业装备与信息工程出版中心）M 2005 5. 吴旭朝 许婉英 . 工业机械手设计基础 天津科学技术出版社 M. 1980 6. 杨福馨 . 物件自动定向原理与方法 J包装工程 , 1991,(01) :156-159. 7. 韩良 ,徐卫良 . 振动料斗的研究状况与前景展望 J.电子工业专用设备 , 1999,(01) :205-207. 8. 项新建 ,郑春水 . 多功能枕式包装机自动定位控制系统的研究 J.电工技术杂志 , 2001,(08) :91-96. 9. 孙智慧 ,张荣 . 包装机中常热式薄膜热封过程的仿真研究 J.包装工程 , 2002,(05) :187-190. 10. 段萍 .移动机械手运动目标检测与跟踪技术研究 D. 中国博士学位论文全文数据库 ,2007,(11):262-264. 11. Barrow, H.G. Computer vision J.Proceedings of IEEE, 1981,69, 69 (5) :572-295 . 12. Robin R Murphy. Introduction to AI Robotics J.USA: MIT Press, 2002,(12) :215-280 . 13. Mo Jianzhong, et al. DFA-oriented assembly relation modeling J.Int. J. of Computer Integrated Manufacturing, 1999,123, 12(3) :238250 . 14. Noke A. A New Versatile Packaging Material for the 1990s J, 5th Int. Tinplate Conf .London, 1992,(3) :31 . 15. Kudo K, Shimada K, Marugami K. Organic static induction transistor for color sensors .Synthetic Metals, 1999,102(10),:900-903. nts 8 附 :文 献综述 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，现已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。 随着工业生产自动化的发展， 这种由振动供料机、机械手和包装机组成的硬币分选清点机构将得到大力推广 ， 其中的振动供料机是 输入传输装置 ， 主要作用是将不同种类的硬币送 入多路分选装置 ，包装机是用于将清点分选好的硬币包装，便于硬币的存放，机械手则用于传送包装好的硬币。这种机构设备主要用于分选和清点 1 元、 0.5 元及 0.1 元的硬币。 其中运用到了振动供料机，包装机和上下料机械手。电磁振动给料机是由电磁激振器驱动的一种振 动机械。它的用途很广，例如，用来向皮带运输机、斗式提升机给料以及为工业窑炉定量配料等。在轻工业机械中电振机也有广泛的应用，例如在糖果包装、钟表元件加工、铅笔橡皮头装配等生产环节中均有应用。 目前，轻工业生产中应用的电振机主要有直线料槽往复式和螺旋料槽扭动式两种形式。前者料槽作往复直线运动，适合于不需定向排队的轻小物料的供送；后者简称振动料斗，带有螺旋槽的圆形料斗作扭转振动，适合于不需定向排队的单件物品的供送。 这两种类型的电振机都由三个主要部分组成： 1) 槽体部分：包括料槽或料斗、衔铁、主振弹簧。 2) 电磁激振器部 分：包括激振器壳体、铁心及线圈、配重等。
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