《机械设计基础1》-第16章

16.1机器功能介绍硬币作为金融体系中不可或缺、举足轻重的一环,在日常生活中使用频繁。公交公司、商场交易的时候会收到大量硬币,问题就来了,硬币按面值类别分拣基本都是靠人工完成,工作量大,效率低下,浪费资金。因此,设计具有分拣硬币的机器会减轻工作强度,节省不少资金。现在的硬币分拣机器有:大型的流水线式,靠光感识别硬币,仪器设备制造成本高,机型庞大不适合普及;小型分选机,生产成本低,经济性较好,但是筛选效率很低,还是很依赖人力。基于以上情况,设计了新型离心旋转式硬币分离验伪计数包装机。本机主要实现3项功能:①纸币、硬币的分离;②1元硬币的分离验伪;③1元硬币的计数包装。其中:实现功能下一页返回16.1机器功能介绍

①的装置有旋转孔筛筒、风力分离装置与分离导槽;实现功能②的装置有收集堆币漏斗、凸轮分割机构、1级缓冲传送带、2级质量材质验伪传送带、单片机控制电磁阀联动装置;实现功能③的纸币硬币分离装置、3层离心旋转硬币分离装置、3层倾斜滑槽漏筛装置和1元装置有计数滑槽、间歇控制传送带、包装薄膜传动装置、气动热压封装切断装置。本机综合了风力分离、旋转离心、浮动四杆、凸轮间歇、电磁控制、单片机一体化控制、气动加压、热封包装等多方面知识的运用,考虑了各种实际应用可能出现的各种问题,能够满足实际应用的效果。上一页下一页返回16.1机器功能介绍

本机主要针对公交公司及零散钱分布广泛的商场,能够实现混杂纸币硬币的清分、不同硬币(主要是1元、5角、1角)的清分以及1元硬币的验伪、计数、包装。机器工作后由单片机控制个部分协调工作,能够实现1min包装100枚1元硬币,经过多层筛分验伪,能够保证硬币的真伪性。整个过程完全由机器运转完成,无须人工参与。包装成品为一袋装的硬币,便于存储与使用。上一页返回16.2主要功能和性能指标一、主要功能(1)硬币和纸币分离功能该功能基于空气动力学进行设计,能够实现纸币流动轨迹可控的分离效果。具体设计包括风机的设计、流通管道的设计、旋转孔筛筒的设计和固定,使产生的风力将纸币与硬币分离,并使纸币、硬币落到指定位置。下一页返回16.2主要功能和性能指标(2)不同规格的硬币分离功能通过硬币运动过程中的离心力和摩擦力协调设计,实现不同规格硬币的分离。硬币筛分装置采用3层不同孔径的转盘对不同尺寸的硬币进行分离,同时设计的四杆浮动挡板能够保证小于孔径的硬币掉到下一层,浮动挡板的设计也可以起到防卡的功能。能够保证高速高精度的硬币不同种类的分离。(3)硬币分割功能设计了独特的硬币分割装置,该装置能够通过凸轮带动带孔分割片将堆币收集漏斗机构收集到空心圆柱管内,1元硬币一个一个的分割为质量验伪、电涡流验伪以及红外线计数提供条件。上一页下一页返回16.2主要功能和性能指标(4)重量、材质双重验伪功能验伪计数装置拥有两条不同用途的传送带,第1条用于抵消惯性提高计数验伪精度,第2条依次装有红外线传感器、压力传感器、电涡流传感器,质量、材质双重验伪,提高验伪精度。信号由单片机判断并作用到真伪币分离槽,控制真伪币的流向,落入真币槽的硬币经过红外线计数器计数。上一页下一页返回16.2主要功能和性能指标(5)硬币包装功能包装装置由气动热封装置、输送带、感应开关组成,利用输送带和感应开关启动气动热封装置,分别实现对薄膜的四侧进行热封和成袋切断。热封信号由行程开关控制,输送带的进给由感应开关传入单片机的信号精确控制。二、性能指标实现每分钟100枚硬币验伪计数包装的速度。上一页返回16.3机器方案设计本方案的设计目标是包装好的硬币已经计数,便于存储、清点。本机主要分为4个模块:旋转孔筛式纸币硬币分离模块、3层圆盘旋转式硬币分离筛分模块、凸轮分割涡流验伪模块、硬币气动热压计数封装模块。整机设计如图16-1所示。根据上述设计图做出的机器实物如图16-2所示。一、旋转孔筛式纸币硬币分离模块本模块由吹风装置、投币槽、旋转孔筛筒(均布直径为29mm的孔)、同步带传动装置、纸币收集槽组成。旋转孔筛筒位于整个设备的上部,由固定架固定在机架上。吹风装置位于旋转孔筛筒右侧靠下位置固定机架上,并通过进气口的大小确定吹风量。投币槽位于旋转孔筛筒右上侧固定机架上,槽底部放入选装孔筛内部。下一页返回16.3机器方案设计

同步带传动装置由同步带轮、同步带、电动机组成,一侧同步带固定在旋转孔筛筒左侧,另一侧与电动机输出轴相连,电动机通过电机架固定在机架上。该模块的三维设计图和实物图分别如图16-3和图16-4所示。1.工作原理由于公交车上使用的纸币面值最多为10、5元,设计人员对目前市面上流通最多的第五套人民币纸币做了调研,调研结果如表16-1所示。上一页下一页返回16.3机器方案设计

纸币分离机构的设计采用L型管道设计,对风力气流的要求是达到纸币与硬币的分离。在这过程中要充分利用气流与纸币之间的摩擦阻力以及压差阻力,让纸币与硬币形成两个方向的运动。与纸币分离的同时,硬币也进入下一步的筛分过程。气流的控制在这里起着重要的作用。通过调节风量,改变上隅角风流状态,调节涡流的状态。摩擦阻力是在“附面层”(或叫边界层)内产生的。所谓附面层,就是指空气流过纸币时,贴近纸币表面的气流速度由层外主流速度逐渐降低为0的那一层空气流动层。当有黏性的空气流过纸币时,紧贴纸币表面的一层空气与纸币表面发生黏性摩擦,这一层空气完全黏附在纸币表面上,气流速度降低为0。上一页下一页返回16.3机器方案设计

紧靠这静止空气层的外面第2气流层,因受这静止空气层黏性摩擦的作用,气流速度也要降低,但这种作用要弱些,因此气流速度不会降低为0。再往外,第3气流层又要受第2气流层黏性摩擦的作用,气流速度也要降低,但这种作用更弱些,因此气流速度降低就更少些。这样,沿垂直于纸币表面的方向,从纸币表面向外,由于黏性摩擦作用的减弱,气流速度就一层一层的逐渐增大,到附面层边界时就和主流速度相等了。这层气流速度由0逐渐增大到主流速度的空气层,就是附面层。附面层内,气流速度之所以越贴近纸币表面越慢,这必然是由于这些流动空气受到了纸币表面给它向前作用力的作用结果。根据作用力和反作用力定律,这些被减慢的空气,也要给纸币表面一个向后的反作用力,如图16-5所示。上一页下一页返回16.3机器方案设计

实验表明,紊流附面层的摩擦阻力要比层流附面层的摩擦阻力大得多。因此,尽可能在纸币上保持层流附面层,对于减小阻力是有利的。所谓L型管道,就是这样设计的。总之,摩擦阻力的大小,决定于空气的黏性,纸币的表面状况以及同空气相接触的纸币表面积。空气黏性越大,纸币表面越粗糙,纸币表面积越大,摩擦阻力就越大。空气流过纸币时,受纸币面阻挡,流速减慢,压力增大;在纸币边缘,由于气流分离形成涡流区,压力减小。这样,纸币两面前后便产生压力差,形成阻力。这种由前后压力差形成的阻力叫压差阻力,如图16-6所示。上一页下一页返回16.3机器方案设计

空气有黏性,空气流过纸币的过程中,在纸币表面产生了附面层。附面层中气流速度不仅要受到黏性摩擦的阻滞作用,而且还要受到附面层外主流中压力的影响。附面层中,沿垂直于纸币表面方向的压力变化很小,可认为是相等的,且等于层外主流的压力。纸币受力分析如图16-7所示。在最低压力点之前,附面层外主流是从高压区流向低压区,沿途压力逐渐降低,即形成顺压,气流速度是不断增大的。附面层内的气流虽受黏性摩擦的阻滞作用,使之沿途不断减速,但在顺气压的推动下,其结果气流仍能加速向后流去,但速度增加不多。在最低压力点之后情况就不一样了,主流是从低压区流向高压区,沿途压力越来越大,即形成反压,主流速度是不断减小的。上一页下一页返回16.3机器方案设计

附面层内的气流除了要克服黏性摩擦的阻滞作用外,还要克服反压的作用,因此气流速度迅速减小,到达某一位置,附面层底层空气就会完全停止下来,速度降低为0,空气再不能向后流动。在S点之后(图16-8所示),附面层底层空气在反压作用下开始向前倒流。于是附面层中逆流而上的空气与顺流而下的空气相顶碰,就使附面层气流脱离纸币表面,而卷进主流。这时,就形成大量逆流和旋涡而形成气流分离现象。这些旋涡一方面在相对气流中吹离纸币,一方面又连续不断地在纸币表面产生,如此周而复始地变化着,这样就在分离点之后形成了涡流区。附面层发生分离的点(S点),称为分离点。上一页下一页返回16.3机器方案设计

涡流区中,由于产生了旋涡,空气迅速转动,一部分动能因摩擦而损耗,即使流速可以恢复到与纸币前两面的流速相等,而压力却恢复不到原来的大小,比纸币前两面的压力要小。根据实验的结果,涡流区的压力与分离点处气流的压力,其大小相差不多。这就是说:分离点靠纸币边缘,涡流区的压力比较大;分离点离开纸币越边缘远,涡流区的压力就越小。可见,分离点在纸币表面的前后位置,可以表明压差阻力的大小。总的说来,压差阻力与物体的迎风面积、形状和物体在气流中的相对位置有很大关系。迎风面积越大,压差阻力越大。物体相对于气流的角度越大,压差阻力越大。上一页下一页返回16.3机器方案设计

由上面的分析可知,摩擦阻力和压差阻力都是由于空气的黏性面引起产生的阻力,如果空气没黏性,那么上面两种阻力都将不会存在。纸币能够从一侧吹出,不会在风力的作用下停靠在管道的边缘。2.工作过程将钱币从投币口投入,在吹风装置风力的作用下,纸币硬币分离,纸币吹入纸币收集槽中,硬币就掉入旋转孔筛筒中,电机带动同步而带轮旋转而带动旋转孔筛筒缓慢旋转,最终硬币从旋转孔筛筒均布的圆孔中掉落,经过硬币收集槽落入硬币分离筛分模块。此部分利用了纸币硬币的质量差异和形状差异,并风力驱动与电机驱动相结合。上一页下一页返回16.3机器方案设计

3.有益效果本模块的核心机构是旋转孔筛筒,通过此机构的缓慢旋转与吹风机构配合,纸币归置到纸币槽中,硬币通过均布的筛孔掉入硬币槽中,可快速分离混杂的纸币及硬币,工作效率高、准确性好且不会损坏纸币和硬币,延长了人民币的使用寿命,极大地解放了人们的劳动力。二、3层圆盘旋转式硬币分离筛分模块本模块由圆盘旋转式硬币分离装置和硬币收集漏筛装置组成。该模块三维设计图和实物图分别如图16-9和图16-10所示。上一页下一页返回16.3机器方案设计

1.圆盘旋转式硬币分离装置设计本装置由旋转主轴、同步带传动装置、桶状限位固定槽、固定挡板、四杆浮动挡板、出币挡板、3层圆盘筛(第1层均布直径23mm的孔,留住1元硬币,第2层均布直径19.6mm的孔,留住5角硬币、第3层没有孔留住1角硬币)。旋转主轴通过同步带配合与电动机连接传动,3层圆盘筛通过与旋转主轴阶梯轴、轴套配合同步旋转。四杆浮动挡板固定在固定挡板上,固定挡板通过预设计的孔径配合固定在桶状限位固定槽上,桶状限位固定槽与机架固定。该装置三维设计图和实物图分别如图16-11和图16-12所示。上一页下一页返回16.3机器方案设计

(1)工作原理硬币落到第1层旋转筛板上,筛板孔径23mm,硬币在离心力的作用下往旋转盘的边缘移动,固定在固定挡板上的四杆浮动挡板对硬币起搅拌作用,防止硬币堆叠在一起,同时四杆浮动挡板也能够起到防卡的作用,比1元硬币小的5角、1角硬币就掉落到下一层旋转筛板上,1元硬币移动到筛板边缘在出币挡板作用下,经出币口1元硬币掉入硬币漏筛斜槽机构中。5角、1角硬币落入第2层旋转筛板上,第2层旋转筛板均布直径19.6mm的孔,在离心力和四杆浮动机构共同作用下5角硬币落入第2层漏筛斜槽机构中,1角硬币落如第2层旋转盘上,在离心力和四杆浮动机构共同作用下,1角硬币落入第3层漏筛斜盘上。这部分利用了旋转筛盘制造的离心力和浮动挡板的搅拌作用,另外利用不同硬币直径不同的特点。上一页下一页返回16.3机器方案设计

(2)有益效果此筛分装置的核心机构是3层旋转筛盘机构和四杆浮动挡板机构,可以实现对不同大小的硬币进行分离,分离精准度高,效率高,而且分筛机构还具有性能好、成本低等优点。在四杆浮动挡板的作用下本机构可以对大量硬币进行分离,而且有效防止卡机现象,极大地解放了劳动力。(3)力学分析如图16-13中所示,为了使硬币能够筛分成功,必须对硬币在筛分机构中进行受力分析,确定筛分机构的转速,选择合适的电机。上一页下一页返回16.3机器方案设计

图16-13中主要表示的是硬币在筛分机构中所受的离心力。因为筛分机构在电机带动下会旋转,从而对硬币产生一离心力,而这个离心力是筛分的关键,筛分机构主要靠离心力将硬币筛分出来。如图16-14所示,硬币在筛分机构中受到自身重力、筛盘对硬币的支持力以及硬币在筛盘中受到的摩擦力。下面对硬币力学建模的分析。通过调查,1元硬币的质量是6.05g,5角硬币的质量是3.8g,1角硬币的质量是3.2g。由此通过硬币的质量及筛盘的摩擦系数可以计算出硬币在筛盘中受到的摩擦力上一页下一页返回16.3机器方案设计

式中:mg为硬币的重量;μ为筛盘的摩擦因数(取0.5);f为硬币受到的摩擦力。(2)有益效果斜面与孔径相结合来对3层旋转筛盘筛分后的硬币进行漏筛,硬币筛分准确性,原理简单,功能完全实现。上一页下一页返回16.3机器方案设计

(3)力学分析本机构的滑槽的滑角设计为30°,如图16-17所示,在倾角斜面上,分析硬币的受力,设当Gx大于f时硬币可以顺利滑下,小于f时硬币发生自锁,无法滑下条件上一页下一页返回16.3机器方案设计

三、凸轮分割涡流验伪模块本模块由凸轮分割装置和材质、质量双重验伪装置组成。其中硬币凸轮分割装置的目的是将筛分后的大量1元硬币分割成单个的,便于验伪、计数后续工作的进行。该模块三维设计图和实物图分别如图16-18和图16-19所示。1.凸轮分割装置设计本装置由收集堆币漏斗、同步带传动装置(电动机,一对同步带、轮,双轴承)、凸轮、推杆、弹簧、推杆固定装置组成。上一页下一页返回16.3机器方案设计

收集堆币漏斗位于滑槽下端,凸轮、一个同步带轮固定在旋转主轴上,旋转主轴由轴承固定在机架上,推杆由推杆固定装置固定在机架上,推杆固定装置上设计有推杆槽,推杆与硬币同厚,推杆固定装置与堆币漏斗之间隔一个硬币厚度。该装置三维设计图和实物图分别如图16-20和图16-21所示。(1)工作原理1元硬币落入收集堆币漏斗中,在漏斗筒内堆积成一摞,凸轮在同步带传动系统的带动下,间歇地推动推板将硬币一个接一个的推入验伪计数模块,添加了弹簧复位机构有利于推板随凸轮进给及复位。将1元硬币成功分割有利于实现单个硬币的验伪与计数。上一页下一页返回16.3机器方案设计

本装置主要利用了凸轮间歇运动、弹簧复位以及专为推动1元硬币设计的推板和厚度的共同作用。(2)有益效果此部分利用凸轮将分离好的一摞硬币一一分离,成功分离的实施,为实现硬币的高效、准确的计数与验伪提供条件。凸轮按照100r/min的速度匀速转动,可以1min将100个硬币送入下层机构,这个速度是能够准确验伪计数包装的最佳速度,保证了验伪包装的准确性与高效性。上一页下一页返回16.3机器方案设计

2.材质、质量双重验伪装置本装置由硬币收集漏斗、两级传送带、同步带传动装置、电涡流传感器、质量传感器、固定轴承组成。收集漏斗正对分割装置的下落位置固定在机架上,1级传送带的始端正对收集漏斗下端,2级传送带与1级传送带首尾相接,用固定轴承固定在机架上,电涡流传感器位于2级传送带的上部,正对2级传送带输送的硬币,电涡流传感器装置固定在机架上,质量传感器位于2级传送带下端,正对2级传送带输送的硬币。所述的固定轴承成一定距离固定在机架上。第1级传送带主要起到缓冲惯性的作用,直接检测真伪会因为震动及惯性影响造成比较大的误差,收集漏斗的下端与传送带的距离很小,防止硬币外掉的同时也可以减小误差。材质、质量双重验伪装置设计图和实物图分别如图16-22和图16-23所示。上一页下一页返回16.3机器方案设计

(1)工作原理硬币经收集漏斗落入1级缓冲传送带上,在缓冲传送带(同步带传动系统能够保证系统传动的平稳性)的平稳运行下,硬币消除下落带来的震动和惯性,平稳进入2级验伪传动带,验伪传送带采用的是材质、质量双重验伪,在2级传送带的上部适当的高度安装电涡流传感器,能够检测到材质,并通过材质的不同来区分真假币,在2级传送带的下部合适位置安装质量传感器,能够检测到不同的质量,通过质量的不同来区分真假币,两种传感器检测的信号输入到单片机中,经过两组信号对比确定硬币真假。上一页下一页返回16.3机器方案设计

本部分利用了两级传送带的缓冲原理,材质、质量双重验伪装置保证了验伪的准确性。(2)电涡流传感器的选择根据法拉第电磁感应原理,块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时(与金属是否块状无关,且切割不变化的磁场时无涡流),导体内将产生呈涡旋状的感应电流,此电流叫电涡流,以上现象称为电涡流效应。根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。电涡流传感器电路图如图16-24所示。上一页下一页返回16.3机器方案设计

前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈,在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场,则在此金属表面产生感应电流,与此同时该电涡流场也产生一方向与头部线圈方向相反的交变磁场,由于其反作用,使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变(线圈的有效阻抗),这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各向同性,则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。线圈特征阻抗可用Z=F(τ,ξ,б,D,I,ω)函数来表示。上一页下一页返回16.3机器方案设计

通常能做到控制τ、ξ、б、I、ω这几个参数在一定范围内不变,线圈特征阻抗Z则为距离D的单值函数,虽然其中整个函数是非线性的,其函数特征为“S”形曲线,但可以选取其中近似为线性的一段。通过前置器电子线路的处理,头部体线圈与金属导体距离D的变化转化成电压或电流的变化。输出信号根据这一原理实现对金属物体的位移、振动、材料等参数的测量。上一页下一页返回16.3机器方案设计

当被测金属与探头之间的距离发生变化时,探头中线圈的Q值也发生变化,Q值的变化引起振荡电压幅度的变化,这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压(电流)变化,最终完成机械位移(间隙)转换成电压(电流)。由上所述,电涡流传感器工作系统中被测体可看作传感器系统的一半,即一电涡流位移传感器的性能与被测体有关。按照电涡流在导体内的贯穿情况,此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类,但从基本工作原理上来说仍是相似。电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量,另外还具有体积小、灵敏度高、频率响应宽等特点,应用极其广泛。上一页下一页返回16.3机器方案设计

(3)被测体材料对传感器的影响传感器特性与被测体的电导率б、磁导率ξ有关,当被测体为导磁材料(如普通钢、结构钢等)时,由于涡流效应和磁效应同时存在,磁效应反作用于涡流效应,使得涡流效应减弱,即传感器的灵敏度降低。当被测体为弱导磁材料(如铜、铝、合金钢等)时,由于磁效应弱,相对来说涡流效应要强,因此传感器感应灵敏度高。上一页下一页返回16.3机器方案设计

(4)被测体表面平整度对传感器的影响不规则的被测体表面,会给实际的测量带来附加误差,因此对被测体表面应该平整光滑,不应存在凸起、洞眼、刻痕、凹槽等缺陷。一般要求,对于振动测量的被测表面粗糙度要求在0.4~0.8μm之间;对于位移测量被测表面粗糙度要求在0.4~1.6μm之间。(5)被测体表面磁效应对传感器的影响电涡流效应主要集中在被测体表面,如果由于加工过程中形成残磁效应以及淬火、硬度、金相组织、结晶结构不均匀等都会影响传感器特性。在进行振动测量时,如果被测体表面残磁效应过大,会出现测量波形发生畸变。上一页下一页返回16.3机器方案设计

(6)被测体表面镀层对传感器的影响被测体表面镀层对传感器的影响相当于改变了被测体材料,视其镀层的材质、厚薄,传感器的灵敏度会略有变化。(7)被测体表面尺寸对传感器的影响由于探头线圈产生的磁场范围是一定的,而被测体表面形成的涡流场也是一定的。这样就对被测体表面大小有一定要求。通常,当被测体表面为平面时,以正对探头中心线的点为中心,被测面直径应大于探头头部直径的1.5倍以上;当被测体为圆轴且探头中心线与轴心线正交时,一般要求被测轴直径为探头头部直径的3倍以上,否则传感器的灵敏度会下降,被测体表面越小,灵敏度下降越多。上一页下一页返回16.3机器方案设计

实验测试,当被测体表面大小与探头头部直径相同,其灵敏度会下降到72%左右。被测体的厚度也会影响测量结果。被测体中电涡流场作用的深度由频率、材料电导率、磁导率决定。因此如果被测体太薄,将会造成电涡流作用不够,使传感器灵敏度下降,一般要求厚度大于0.1mm以上的钢等导磁材料及厚度大于0.05mm以上的铜、铝等弱导磁材料,其灵敏度不会受厚度影响。上一页下一页返回16.3机器方案设计

(8)对被测体的要求为了防止电涡流产生的磁场影响仪器的正常输出,安装时传感器头部四周必须留有一定范围的非导电介质空间,如果在某一部位要同时安装两个以上的传感器,就必须考虑是否会产生交叉干扰,两个探头之间一定要保持规定的距离,被测体表面直径应为探头直径3倍以上,当无法满足3倍的要求时,可以适当减小,但这是以牺牲灵敏度为代价的,一般是探头直径等于被测体表面直径时,灵敏度降低至70%,所以当灵敏度要求不高时可适当缩小测量表面直径。上一页下一页返回16.3机器方案设计

(9)对工作温度的要求一般涡流传感器最高温度不高于180℃,实际上,工作温度超过70℃时,电涡流传感器的灵敏度会显著降低,甚至会造成传感器的损坏,在核电站工业、涡轮发动机制造、火箭发射、汽车发动机检验、冶金钢铁熔炉等领域耐高温的电涡流传感器耐受性必须很高。电涡流传感器的灵敏度受温度的影响,在轴振动测量中安装电涡流传感器应尽量远离汽封,只有特制的耐高温传感器,如高低温电涡流传感器才能安装在汽封附近。上一页下一页返回16.3机器方案设计

(10)对探头支架的要求电涡流传感器安装在固定支架上,因此支架的好坏直接决定测量的效果,这就要求支架应有足够的刚度以提高自振频率,在避免或减小被测体振动时支架也同时受激自振。资料表明,支架的自振频率至少应为机械旋转速度的10倍,支架应与被测表面切线方向平行,传感器垂直安装在支架上,虽然探头的中心线在垂直方向偏15°角时对系统特性没有影响,但最好还是保证传感器与被测面垂直。上一页下一页返回16.3机器方案设计

(11)对初始间隙的要求各种型号电涡流传感器,都存在一定的间隙电压值,它的读数才能有较好的线性度,所以在安装传感器时必须调整好合适的初始间隙,对每一套产品都会进行特性试验,绘出相应的特性曲线,工程技术人员在使用传感器的时候必须仔细阅读配套的校验证书,以确定传感器是否满足所要测量的间隙,一般传感器直径越大所测量间隙也越大。图16-25利用电涡流传感技术来分辨硬币的不同材质。如图所示,在线圈L下方x处放置一金属板,对线圈通以正弦高频电磁场并作用于金属板表面。金属板的表面感应后产生涡流is,其产生的电磁场又反作用于线圈L,改变线圈电感的大小。上一页下一页返回16.3机器方案设计

其变化的程度取决与线圈L的外形尺寸、线圈L至金属板之间的距离x、金属板材料的电阻率ρ和磁导率ξ(ρ和υ均与材质及温度有关)以及is的频率等。而ρ、υ则因材质的不同而变化。假币的材质以及表面的镀层与真币有着鲜明的差别,再加上目前的电涡流传感器分辨率相对较高,响应速度快,因此可以分辨假币与真币的不同。(12)压力传感器的选择金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生电阻值变化的现象,称为电阻应变效应。金属导体的电阻值为上一页下一页返回16.3机器方案设计

式中:ρ为金属导体的电阻率,Ω·cm2/m;S为导体的截面积,cm2;L为导体的长度,m。以金属丝应变电阻为例,当金属丝受外力作用时,其长度和截面积都会发生变化,从式(16-8)可看出,其电阻值即会发生改变,假如金属丝受外力作用而伸长时,其长度增加,截面积减少,电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时,长度减小而截面增加,电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化(通常是测量电阻两端的电压),即可获得应变金属丝的应变情况。上一页下一页返回16.3机器方案设计

选择质量传感器,其量程为300g,灵敏度为1.0MV/V。尺寸规格为:长47mm,宽10mm,厚6mm。质量传感器如图16-26所示。(13)有益效果两级传送带的缓冲作用,能够有效消除硬币下落产生的震动和惯性,硬币平稳的进入第2级验伪传送带,提高了验伪的准确性和精确度,同步带传动系统的使用大大提高了系统的平稳性,传动的平稳性。电涡流传感器和质量传感器的共同使用,既检测到材质又检测到质量,避免了各种假币的混入,保证了验伪的高效准确。上一页下一页返回16.3机器方案设计

四、硬币气动热压计数封装模块本模块由红外线计数及假币分离装置、气动热压封装装置组成。该模块三维设计图和实物图分别如图16-27和图16-28所示。1.红外线计数及假币分离装置的设计此装置由电磁控制器、真币滑槽、假币滑槽、红外线计数器、固定装置、假币收集槽组成。电磁控制器固定在第2级传送带的出币口,真币滑槽、假币滑槽分别位于电磁控制器下端固定在机架上,红外线计数器固定在真币滑槽的上端用固定装置进行固定,假币收集槽位于假币滑槽的下端。该装置三维设计图和实物图分别如图16-29和图16-30所示。上一页下一页返回16.3机器方案设计

(1)工作原理压力传感器、电涡流传感器将检测到的信号传入单片机中,单片机对信号进行对比,若检测为假币,电磁铁吸合,假币通过假币槽落入假币收集槽中;若检测为真币,电磁铁不动作,真币落入真币槽中,红外线计数器计数。本装置利用了单片机控制电磁铁吸合、红外线计数等原理。(2)红外线计数器原理红外线计数器分为对射式电路和反射式电路,对射式是一发射头对一接收头,在中间如有物件通过就遮挡1次光线,就输出1个脉冲信号触发1次计数电路;反射式红外线是把发射头和接收头做在一起成为红外探头,当探头前有一物件出现就把发射头的红外线反射给接收头,探头输出1个脉冲给计数器计数。红外线计数器参数下如。上一页下一页返回16.3机器方案设计

探测器检测距离:800mm计数位数:四位或者八位,可以设置下排显示输出值,或者设置成上下两排都是当前计数值,比如下排设置9,上排实际数量走到9报警声光报警,也可以外接其他设备控制设备停机或启动。仪表尺寸:48mm×48mm计数范围:0~9999或者0~99999工作电压:220V上述红外线计数器参数完全满足要求。红外线计数器如图16-31所示。上一页下一页返回16.3机器方案设计

(3)有益效果通过单片机编程控制,有利于信号的准确判断,对假币的筛选高效准确,且计数器安装位置有利于对真币进行准确计数,计数基本不会受其他因素的干扰,将计数器信号输入单片机有利于控制包装的准确和高效。2.气动热压封装装置此装置由气泵、气缸、热压架、热压滑道、热封装置、切割装置、传送装置、同步带传动装置、电感传感器,齿轮传动系统、压膜黑胶轮、电动机等组成。上一页下一页返回16.3机器方案设计

热压滑道固定在机架特定位置上,热压架套在热压滑道上固定在气缸上,热封装置分别固定在右侧热压架和中间热压架上,切割装置固定在左侧热压架上,电感传感器固定在传送装置上方特定位置,压膜黑胶轮通过齿轮固定在传送带上方与传送带同步运转,同步带传动装置用于带动传送带传动,由电动机带动,所述电动机、气泵固定在机架上。该装置三维设计图和实物图分别如图16-32和图16-33所示。上一页下一页返回16.3机器方案设计

(1)工作原理硬币落入传送带的包装膜上,当堆积到一定数量后,单片机控制第1个气缸下落,第1个热封架带着热封机构将包装膜两侧封口(行程开关控制),单片机控制电动机带动传送带启动转动到下一个位置,通过电感开关测量下一个点的位置,到达位置后第2个气缸带动第2个热封架上的热封机构下压将顶端的口封好,单片机控制电动机带动传送带启动转动到下一个位置,通过电感开关测量下一个点的位置,到达位置后第3个气缸带动第3个热切架上的热切机构下压将封装好的塑料袋切断,整个过程由齿轮带动的黑胶轮带动薄膜的进给,且薄膜进给与传送带进给同步。上一页下一页返回16.3机器方案设计

整个过程利用了单片机控制电动机的进给,气动系统控制直线进给,热封、热切装置的行程由开关控制,电感开关感应金属位置。(2)电感传感器的原理电感式传感器由振荡器、开关电路及放大输出电路组成。振荡器产生一交变磁场。当金属目标接近这一磁场,并达到感应距离时,在金属目标内产生涡流,从而导致振荡衰减,以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号,触发驱动控制器件,达到非接触式检测的目的。上一页下一页返回16.3机器方案设计

(3)有益效果传送带带动的塑料膜封装设计有利于包装系统的连续性与可靠性,单片机通过信号分析来协调各装置的运转实现了一体化控制包装的准确性;齿轮机构配合带动的黑胶轮压膜机构设计能够实现传送带与塑料袋的同步动作,实现准确封装;电感感应器使用行程开关增加了系统的准确性。气缸在气动固定滑槽的限制下直线运动,当到达底部时,行程开关动作热封热切系统进行封装,行程开关的设计增加了封装准确性与安全合理性。上一页下一页返回16.3机器方案设计

五、单片机智能控制系统的设计本部分由两个单片机组成:一个是单片机输入信号为电涡流传感器、质量传感器的输出信号,输出信号为分合闸电磁铁的开合;另一个是输入信号为电感传感器、红外线计数器,输出信号为包装电动机的转动、气缸的动作。1.单片机的电路设计(1)第1个单片机的设计第1个单片机主要接收电涡流和质量传感器的信号,控制分合闸电磁铁。单片机设计如图16-34所示。上一页下一页返回16.3机器方案设计

电涡流感应器输出端和质量传感器的输出端分别接入单片机的P1.7和P1.6口,分合闸电磁铁的输入单片机的P3.5口,当电涡流感应器和质量传感器分别得到信号时,感应器输入的模拟量信号分别通过P1.7和P1.6的AD转换口转换为数字量信号,转换的数字量信号通过单片机程序的比较,如果都在预设真值范围内,P3.5口不得电,分合闸电磁铁不动作;如果其一在预设真值范围外,P3.5口得电,分合闸电磁铁动作,假币分离槽吸合,假币被分离出。单片机控制电路图如图16-35所示。上一页下一页返回16.3机器方案设计

(2)第2个单片机的设计第2个单片机主要接收电感传感器和计数器的信号,用于控制电动机、气缸热压塑封机构。单片机与电感传感器实物如图16-36所示。电感传感器输出端接单片机输入端X1端,红外线计数接单片机输入端X0端,电机接单片机输出端Y0端,气缸电磁阀接单片机输出端Y1端。当红外线计数器计数达到10时,单片机控制电动机得电,电动机转动后到达电感传感器检测处,电感传感器输入信号给单片机,单片机控制电动机停止转动,气缸电磁阀得电,气动热压塑封装置将塑料袋封牢切断。上一页返回16.4关键零部件功能分析一、旋转孔筛筒装置由皮带轮带动的旋转孔筛筒装置,在风力的协同作用下能够实现对硬币纸币的准确清分。旋转孔筛筒上均布内径29mm的孔,硬币和纸币一起落下,硬币透过孔落下,如果硬币和纸币压在一起,旋转筛筒轻轻旋转提供离心力硬币便可以旋出掉落,装置如图16-37所示。二、四杆浮动挡板四杆浮动挡板能够根据旋转圆盘筛的偏斜进行微调,使其适应圆盘筛的水平方位,如图16-38所示。圆盘筛内的大量硬币起到搅拌的目的,在离心力的配合下将硬币送入圆盘筛边缘。下一页返回16.4关键零部件功能分析

三、凸轮分割机构凸轮与推板同步带带动凸轮做间歇性移动,推动推杆一个接一个将硬币推到下一模块中,在凸轮设计机构中凸轮设计的合理性与行程是关键。经过计算分析,设计凸轮的行程为17.5mm,凸轮远体的半径为35mm,基圆半径为17.5mm,近体半径为17.5mm,转速为100r/min,推杆为平底传动,厚度为2mm,圆弧的半径15mm,刚好推动一个硬币,如图16-39所示。上一页下一页返回16.4关键零部件功能分析

四、2级验伪传送带第1条传送带用于缓冲硬币下落的震动和惯性,使硬币缓缓随传送带同步移动,第2条传送带用于对平稳的硬币进行验伪,两条传送带成一条直线排列,由同步带同步传动。第2条传送带略宽,第1条传送带的宽度是1元硬币宽度的1.5倍,使得硬币下落时不会落到别处。传送带边缘用挡板挡住防止硬币掉落,如图16-40所示。上一页下一页返回16.4关键零部件功能分析

五、气动热压封装机构气动架与封装夹当计数器计数为10时,电动机停止转动,气缸电磁阀得电,第1个气缸带动热封架沿热封架滑槽向下滑动到达行程开关时热封电路得电热封丝加热,将塑料袋两侧封住,气缸反方向通气,热封架回复原位置。电动机继续转动,当电感传感器接收到信号时,电动机停止转动,气缸电磁阀得电,第2个气缸带动热封架沿热封架滑槽向下滑动到达行程开关时热封电路得电热封丝加热,将塑料袋袋口封住,气缸反方向通气,热封架回复原位置。电动机继续转动,当电感传感器接收到信号时,电动机停止转动,气缸电磁阀得电,第3个气缸带动热切架沿热切架滑槽向下滑动到达行程开关时热切电路得电热封丝加热,将塑料袋袋口封住,气缸反方向通气,热切架回复原位置。就这样塑料袋就被气动热压封装机构封死、切断。气动热压封装机构气动架与封装夹示意如图16-41所示。上一页下一页返回16.4关键零部件功能分析

六、黑胶轮压袋机构下层齿轮与同步带轮一端同轴,上层齿轮与下层齿轮啮合,当同步带转动带动传送带移动时,黑胶轮就压住塑料薄膜随传送带同步移动。为了保持传动的平稳性左右两侧各配一齿轮带动的黑胶轮,如图16-42所示。上一页返回16.5理论设计计算一、电动机的设计该设计装置需要用5台电动机:1台驱动纸币硬币分离机构的旋转孔筛筒的旋转,1台驱动筛分机构的主轴的旋转,1台推动分割机构的驱动凸轮转动,1台驱动2级传送带传动,1台驱动气动热压封装机构传送带的传动。第1台电动机用于驱动主轴旋转,考虑到我国家庭用电的实际电压为220V,因此选择额定电压为220V的电动机,选择转速为120r/min。估计所设计的电动机最大负载约为160N,旋转半径为0.01m,如图16-43所示。下一页返回16.5理论设计计算

根据公式得从以上各因素考虑,宜采用交流微型电机60YCJ10/4-30。主要性能参数为:功率,16W;电源,220V;转速,120r/min;安装结构形式,立式。上一页下一页返回16.5理论设计计算

其余4台电动机用于推动分割机构的驱动凸轮转动、2级传送带传动及气动热压封装机构传送带的传动,考虑到我国家庭用电的实际电压为220V,因此,选择额定电压为220V的电动机,选择转速为100r/min。估计所设计的电动机最大负载约为750N,旋转半径为0.05m。根据公式得上一页下一页返回16.5理论设计计算

从以上各因素考虑,宜采用交流微型电机60YCJ10/4-25。主要性能参数为:功率,25W;电源,220V;转速,40r/min;安装结构形式,立式。二、螺纹的设计及校核结合本装置的实际运用,电动机开始动作,考虑到一定的安全系数和加工时还有物料的进入,通过传感器测得载荷为F=100N。上一页下一页返回16.5理论设计计算

(1)在拉力F的作用下,各个螺栓分担的载荷拉力为(2)对于一些有密封要求的连接需要有一定的预紧力,预紧力为(3)则每个螺栓的总拉力F2为上一页下一页返回16.5理论设计计算

(4)计算拉伸强度故强度要求满足。三、滑角的设计滑角示意如图16-17所示。由式(16-4)~(16-7)可知,最大摩擦因数为0.2,故可以顺利滑下。本机构的滑槽的滑角一律设计为30°。在倾角斜面上,当Gx>f时,硬币可以顺利滑下;Gx<f时,硬币无法滑下。上一页返回16.6机器实物、创新点与应用前景一、制作后实物硬币分离验伪计数包装机制作后实物如图16-44所示。二、创新点1.基于空气动力学的纸币流动轨迹可控分离装置设计。硬币和纸币分离是本机解决的问题,本机基于空气动力学、旋转离心进行了创新设计,具体包括风机、流通管道、旋转孔筛筒的旋转及孔的设计,最终实现了纸币、硬币流动轨迹可控的分离效果。创新点1如图16-45所示。下一页返回16.6机器实物、创新点与应用前景2.基于离心力和摩擦力协调作用的不同规格硬币分离装置设计。硬币分离装置采用3层不同孔径的转盘对不同尺寸的硬币进行分离,成功地将1元、5角、1角硬币分离。浮动挡板的设计实现分离大量硬币不卡机。创新点2如图16-46所示。3.漏筛机构的设计。漏筛机构的设计实现了硬币准确分离,做到了对筛分后的硬币再次检验。创新点3如图16-47所示。上一页下一页返回16.6机器实物、创新点与应用前景4.基于电涡流技术的质量、材质双重验伪装置设计。该装置拥有两条不同用途的传送带,第1条用于抵消惯性提高验伪精度,第2条依次装有质量传感器、电涡流传感器,提高验伪精度。信号由单片机判断并控制真伪币