全国机械创新设计大赛说明书.pdf

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1、 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：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

2、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、新旧元、新旧元等现有流通硬币。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，

3、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

4、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：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：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 表 1 各硬币尺寸质量参数表 质量（g）直径（mm）厚度（mm）新一元 2

5、5，旧一元 25 新五角 旧五角 旧一角 /新一角 19 19)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:图 2-2 收纳盒体积图 2-3 体积过大较为笨重 *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。总体方案构想 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。方案的选择 i.分离部分方

6、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。图 2-4 一次只能清分一种硬币 图 2-5 价格过高 )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

7、要经常润滑。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图 2-6 方案一 图 2-7 方案二 图 2-8 方案一 图 2-9 方案二 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

8、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：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 整体尺寸设计 图 2-10 方案一 图 2-11 方案二 图 2-12 方案一 图 2-13 方案二 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 2

9、50mm，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，旧一毛硬币为，五毛硬币为，新一毛硬币为，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,最下面硬币出口高度满足，故设计三个硬币出口的高度分别为，2mm。

10、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，五毛硬币直径为，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。：图 3-1 分离部分结构示意图 图 3-2 筛选部分结构示意图 滑道材料选取质量较轻的铝合金，为防止硬币速

11、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，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。,iii.动力传动部分设计 选用 30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 01800r/min），输出转矩为m，由于转轴承受较大轴向力和少量径向力且有较高转速，查阅机图 3-3 一元硬币滑道尺寸 图 3-4 旧一毛硬币滑道尺寸 图 3-5 五毛硬币滑道尺寸 图 3-6 新一毛硬币滑道尺寸 械设计手册可

12、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。强度与刚度校核 经称量，整体质量为 33kg，其中转轴质量为转盘质量为，单个齿轮质量为，下轴承需承重。i.锥齿轮强度校核 根据齿根弯曲疲劳强度校核：F=KF T YFa YsaR(1 0.5R)2m3z2u2+1 已知传递转矩 T=2500Nmm，锥齿轮大端模数 m=，齿数 z=30，传动比 u=1，查阅资料可知齿宽系数R=，载荷系数KF=，齿形系数YFa=，应力修正系数Ysa=，弯曲疲劳强度安全系数 S=，寿命系数KFN=，齿根弯曲疲劳极限Flim

13、=610Mpa，：即齿根弯曲疲劳许用应力F=KFNFlimS=，而载荷在齿根处产生的弯曲应力为:F=KFTYFaYsaR(10.5R)2m3z2u2+1=1.325002.41.670.3（10.50.3）22.5330212+1Mpa=F 根据齿面弯曲疲劳强度校核：H=4KH TR(1 0.5R)2d3 u ZH ZE 齿轮分度圆直径 d=mz=75mm，查阅资料可知齿宽系数R=，载荷系数KH=，区域系数ZH=，弹性影响系数ZE=Mpa12，接触疲劳寿命系数KHN=，接触疲劳安全系数S=1，齿轮接触疲劳极限Hlim=550Mpa，即齿面接触疲劳许用应力H=KHNHlimS=495Mpa，而齿

14、轮的赫兹应力为:H=4KHTR(10.5R)2d3u ZH ZE=41.325000.3(10.50.3)27531 2.5 189.8Mpa =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=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，图 3-9 转轴局部变形

15、图 3-10 转轴的平均应力 查表和插值运算得径向载荷系数和轴向载荷系数为：X=，Y=因轴承运转中无冲击或轻微冲击，载荷系数fd=,取fd=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=2000030000h 轴承的基本额定寿命Lh=10660n(CP)=10660300(4500053.992)3h=3.216 109h（因为是球轴承，所以=3)约为 367 万年。因为 Lh Lh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，而支撑架主要起支撑上板

16、的重量，经称量，上板质量为，每根支撑架质量为，即螺钉承受的剪力Fs=+4)=,共有 12 颗螺钉，故每颗螺钉承受剪力，螺钉危险截面面积 A=4d2=mm2，则螺钉危险截面剪切应力=FsA=4.21428.27Mpa=0.149Mpa,许用剪切应力=sS,取安全系数S=，查得级螺钉屈服极限s=640Mpa，即=sS=6402.5Mpa=256Mpa 则有 ，故剪切应力校核安全。|图 3-11 各连接件安装位置 由于支撑架厚度为 3mm，即螺钉与孔壁挤压面的最小高度Lmin=3mm，则螺钉危险截面挤压应力p=FsdLmin=4.21463Mpa=0.234Mpa 许用挤压应力p=sSp,取安全系数

17、Sp=，即p=sSp=6401.25Mpa=518Mpa 则有p p，故挤压应力校核安全。综上所述，连接件的选用满足强度要求。部分工程图?图 3-11 转轴零件图 4 工作原理及性能分析 图 3-12 五毛硬币滑道零件图 图3-13 底板零件图 工作原理 如图 4-1 所示，此作品由电机提供动力，可实现把不同种类的硬币分类、清点和整理的功能，根据功能不同可分为分离、筛选、清点、整理四个部分，工作原理如下：,(1)机器运转时，硬币从上层进币口滑落，进入第一层转盘；(2)硬币在转盘上时，由于转盘在高速转动，硬币会集中在转盘边缘；(3)每层转盘上安装有带有斜度的圆台，这种设置可有效的防止硬币堆积在转

18、盘 中央；(4)上两层转盘上开有若干直径为 21mm 的孔，目的是使五毛和新一毛硬币直 接落入下层滑道，提高工作效率；(5)当硬币飞离转盘时，由于硬币出口高度的限制，每次只有一个硬币能进入滑 道，可防止硬币堆叠起来产生误差；(6)如图 4-2，当硬币进入滑道后，大于孔宽的硬币会通过滑道，而小于孔宽的 硬币则在重力作用下掉入下一层转盘；(7)每层滑道都只能通过一种硬币，共有四层滑道可将四种硬币分离开；(8)在滑道末端安装有金属探测仪或红外传感器，当硬币经过传感器时可实现计 数功能；/(9)当硬币飞离滑道时进入收集装置，四个收纳盒分别收集不同硬币。图 4-1 作品外形图 图 4-2 局部细节图 性

19、能(1)此作品长 51cm，宽 26cm，高 48cm，自重约 33kg。(2)电动机功率为 500w，220V 交流电源供电。(3)转盘转速约为 300r/min,一次可容纳 200 枚硬币。(4)每分钟分离硬币数量可达 100 枚。5 实物照片 图 5-1 整体外形图 6 创新点及应用前景 创新点(1)通过将离心转筒与倾斜滑道进行有机结合，实现各种硬币的动态化与初步分离；(2)利用不同参数的倾斜滑道、回收滑道实现不同硬币的分类收集。应用前景 本设计结构紧凑，便于安放，可适用于各种需要清点钱币的场合，且工作效率高，节约成本，对不同的硬币均可进行分类、清点和整理，解决了当前市场上钱币分类基本依赖于人工，耗费大量人力，时间成本高，效率低下的问题，而且更加卫生安全，有着良好的市场前景。参考文献 1 濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计.北京：高等教育出版社.2013 2 廖汉元，孔建益.机械原理.北京：机械工业出版社.2013 3 刘鸿文.材料力学.北京：高度教育出版社.2010 4 闻邦椿.机械设计手册.北京：机械工业出版社.2010 5 冯清秀，邓星钟.机电传动控制.武汉：华中科技大学出版社.2011 图 5-2 内部实物图 图 5-3 零件实物图 6 大连理工大学工程图学教研室.机械制图.北京：高等教育出版社.2007 7 高志，刘莹.机械创新设计.北京：清华大学出版社.2014