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摘 要
本次畢業(yè)設計，主要目的是完成螺旋式滾筒硬幣分離計數(shù)包裝機的結構設計，技術設計和性能優(yōu)化，目的是把不同面值的硬幣通過一系列機構分離計數(shù)，最終進入包裝機構進行包裝。本次設計系統(tǒng)地分析了整體方案及各結構，在對設計任務和目的總體把握的情況下，進行整機結構、原動機構、傳動機構、分離系統(tǒng)、計數(shù)裝置和包裝機構的設計。由于裝置分離的精確性和計數(shù)的準確性是一個至關重要的性能要求，因此需要對滾筒轉速、傳動形式、收集形式進行分析選取，分析工作的實際情況進行編程，根據(jù)安裝條件選取合適的傳感器，通過實驗結果做出選擇，同時選取最佳的包裝方式，保證最終效果。還需要站在全局角度進行裝置的可靠性，加工工藝性和經濟性分析，使得裝置得到優(yōu)化。并且在實際工程模式下，充分考慮加工工藝性和經濟性之間的關系，制定合理的加工工藝，保證加工精度，同時運用合理的工程管理方法指導生產實踐。
關鍵詞：硬幣分離；計數(shù)機構；包裝裝置
I
ABSTRACT
The main purpose of this graduation design is to complete the structural design of the spiral drum coin separation and counting packaging machine, technical design and optimization, separate the coins with different face values and count the final packaging. This design systematically analyzes the overall plan and the various structures. In the case of the overall grasp of the design task and purpose, the design of the whole machine structure, the original mechanism, the transmission mechanism, the separation system and the counting device are carried out. As the accuracy of the separation of the device and the accuracy of the count is a critical performance requirement, it is necessary to select the rotating speed of the cylinder, choose the experimental results and select the best way of packing. From the global perspective, the reliability, manufacturability and economy of the device are analyzed, and the device is optimized. In the actual project model, the relationship between processing technology and economy is fully considered, the reasonable processing technology is formulated, and the production practice is guided by reasonable engineering management methods.
Key Words:Coin separation;Counting mechanism;Packing device
II
目 錄
摘 要 I
1．緒論 1
1.1螺旋式滾筒硬幣分離計數(shù)包裝機的目的和意義 1
1.2本課題應解決的主要問題及技術要求 1
1.3國內外硬幣分離機的發(fā)展概況 2
2．總體方案設計 4
2.1螺旋式滾筒硬幣分離計數(shù)包裝機總設計要求 4
2.2螺旋式滾筒硬幣分離計數(shù)包裝機的設計方法及方案選擇 5
3．螺旋式滾筒硬幣分離計數(shù)包裝機機構設計 6
3.1整機機座的設計 6
3.2電動機的選擇 6
3.3傳動機構的設計 6
3.4分離機構的設計 8
3.5計數(shù)機構的設計 10
3.6包裝機構的設計 11
4．零部件設計及強度校核 12
4.1程序檢驗 12
4.2零件設計 17
4.3強度校核 18
5.結論 20
致 謝 22
附錄1：外文翻譯 23
附錄2：外文原文 29
附錄3：計數(shù)程序 39
螺旋式滾筒硬幣分離計數(shù)包裝機設計
1．緒論
1.1螺旋式滾筒硬幣分離計數(shù)包裝機的目的和意義
本畢業(yè)設計課題來源于遼寧省機械設計創(chuàng)新大賽，命題與高校工程訓練教學內容相銜接，體現(xiàn)綜合性工程能力。隨著經濟高速發(fā)展和自動化技術的實現(xiàn)，硬幣流通量逐漸增大，各種面值的硬幣會出現(xiàn)混合的情況，而現(xiàn)階段硬幣的分類和清點還主要依靠人手工完成，耗費大量人力，國內外可以實現(xiàn)此功能的裝置又大多結構復雜、難于大批生產且尚未成熟。無人售票、自動售貨機的推廣，硬幣流通量大大增加，特別是公交公司、金融機構等每天要對大量硬幣進行分類。命題內容體現(xiàn)“創(chuàng)新設計能力、制造工藝能力、實際操作能力和工程管理能力”四個方面的要求?，F(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展不僅要求產品高質量、高性能，而且為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，產品的生產工藝必須高效率、低成本、節(jié)約能源。
所以，從現(xiàn)實以及長遠來說，都有必要掌握硬幣識別的核心技術，擁有自主知識產權，打破壟斷，提高在該領域的國際競爭力。現(xiàn)有的硬幣分離機主要有篩動式硬幣分類裝置:該硬幣分離裝置由動力及傳動裝置、分離裝置、收集裝置及計數(shù)裝置等部分組成；旋轉式硬幣分離機：旋轉分離裝置、分類收集裝置、送幣裝置和機座組成；根據(jù)直徑及厚度進行分離的：因為不同面值的硬幣厚度和直徑不同，通過一些機械裝置進行分離。
因此我設計制作螺旋式滾筒硬幣分離計數(shù)包裝機，希望可以找到新的方法來更好的解決這個問題。
1.2本課題應解決的主要問題及技術要求
主要問題：
（1）完成螺旋式滾筒硬幣分離計數(shù)包裝機總體方案設計
（2）完成螺旋式滾筒硬幣分離計數(shù)包裝機結構設計
（3）繪制相關的CAD設計圖紙
技術要求：主體的分離裝置是一個具有兩種不同直徑的圓柱筒，圓柱筒由鋼軸和圓盤支架支撐，鋼軸通過軸承固定于分離機的機座上，在鋼軸靠近軸端位置安裝一個鏈輪，交流伺服電機末端安裝一個鏈輪，兩者通過鏈條連接傳動。滾筒的下方通過兩塊擋板相隔，下面通過三個收集裝置將不同面值的硬幣收集起來。硬幣下落時先到達一塊斜置的擋板上，然后滑落到一個通道里，硬幣滾出通道的末端時，通過安裝好的計數(shù)裝置進行計數(shù)，最后通過包裝機構對收集好的硬幣進行包裝。
1.3國內外硬幣分離機的發(fā)展概況
硬幣與國民生活形影不離，國內外很早已開始對硬幣的識別研究。在這個領域里,國外較早的開展了研究，并且做了大量的工作。開發(fā)的產品大致也分為三個檔次，低檔、中檔和高檔。低檔清分速度在1000 枚/ min以下，中檔為1000～1500枚/ min左右，高檔則在 1500 枚/ min 以上。所使用的清分方法上主要有兩大類，一類是根據(jù)物理技術進行清分，另一類是根據(jù)性能指標進行清分。高速清分基本上都是采用性能指標來進行清分。國際上很多銀行器具公司也做了大量工作，如瑞典Scan CoinAB 公司，它是一家專業(yè)生產各種銀行器具的公司，也是國際上公認的銀行器具做的最好的公司，成系列地研制了針對不同貨幣體制下的清分系統(tǒng)。但是，中國的貨幣比較復雜，他們的系統(tǒng)應用在中國尚有一系列問題。在國內使用，誤判率≤0.5%，但該公司的產品價格昂貴，且存在技術壟斷，從發(fā)展趨勢上來講，一味依靠國外企業(yè)，不利于我國國民經濟的發(fā)展。
所以，從現(xiàn)實以及長遠來說，都有必要掌握硬幣識別的核心技術，擁有自主知識產權，打破壟斷，提高在該領域的國際競爭力?，F(xiàn)有的硬幣分離機主要有篩動式硬幣分類裝置：該硬幣分離裝置由動力及傳動裝置、分離裝置、收集裝置及計數(shù)裝置等部分組成；旋轉式硬幣分離機：旋轉分離裝置、分類收集裝置、送幣裝置和機座組成；根據(jù)直徑及厚度進行分離的：因為不同面值的硬幣厚度和直徑不同，通過一些機械裝置進行分離。
在2004年7月7日公開的中國專利公告CN2624299Y中公開了一種“硬幣分離機的硬幣提供裝置”，它是為了解決硬幣容易被卡住、無法繼續(xù)分離的技術問題，包括安裝在硬幣分離機上的可正、反向旋轉的馬達以及馬達輸出軸，輸出軸上套有一棘輪，與棘輪相配合的棘爪裝在彈簧安放孔內，其后部設有彈簧，在棘輪上方設有一硬幣盤，硬幣盤上開有多個硬幣盤孔，硬幣盤的上方扣合有一中間內凹的硬幣內盤，在硬幣內盤的側壁上開有漏幣調整口，硬幣盤和硬幣內盤均套裝在輸出軸上，它實際上是一種硬幣分離機。
但是，現(xiàn)有的硬幣分離機有幾個缺點:
（1）分離大量的硬幣時，當硬幣收納管都裝滿時也不能自動停止，落幣抽屜中落下的硬幣還要重新分離；
（2）硬幣分離都完成后，即使搬運容器中沒有硬幣，使用者如果不關電源，硬幣分離還要繼續(xù)操作；
（3）在硬幣分離過程中，使用者不能取出硬幣收納管包裝，必須等硬幣分離完了，硬幣分離機操作停止；
（4）硬幣分離完了，沒有確認硬幣分離管內收納的硬幣個數(shù)的方法，只能把硬幣收納管收納的硬幣倒出來數(shù)數(shù)?？偟膩碚f，現(xiàn)有的這種硬幣分離機的缺點是控制能力差、使用不方便、噪聲大、壽命短。
采用根據(jù)硬幣直徑的大小對幣值進行清分的方法，雖然不具備辯偽功能，但可以對中國現(xiàn)行硬幣快速準確按幣值進行清分。主要特色是設計簡便、清分準確、使用可靠、維護簡便、價格低廉等。而且系統(tǒng)具備擴展的潛能，可以滿足將來硬幣分離機發(fā)展的需求，因此此產品具備較高的推廣應用價值，其發(fā)展前景相當廣闊。
新型硬幣分離計數(shù)裝置與其它處理錢幣的機械裝置相比，設計理念簡單、合理，能實現(xiàn)高效處理、功能雙帶，且可用于生產并投入使用，成本較低，前景可觀?？蓮V泛應用于各種商場、地鐵公司、公交公司等硬幣流通量大的場所，大大節(jié)省人力、物力和財力。針對國家發(fā)行的第五套硬幣，根據(jù)不同面值硬幣具有不同直徑和厚度的特點，設計了一種簡易、小型的硬幣分離機，通過電機帶動分離盤，使混合的硬幣通過分離槽分離出來，并分別進行計數(shù)收集。
2．總體方案設計
2.1螺旋式滾筒硬幣分離計數(shù)包裝機總設計要求
此設計需要解決的問題以及實現(xiàn)的功能：
（1）硬幣分離機的電機：選擇電機時需要綜合考慮負載類型、額定電壓、額定功率、轉速、扭矩等參數(shù)，根據(jù)實際工作情況，對各部分機構分別進行分析計算，最后做出選擇。
（2）傳動方案選擇：在選擇傳動方案時，要考慮整機的功能要求和工作條件，經過分析計算，確定傳動的級數(shù)以及各組成部分的連接方式，先做出草圖示意圖。傳動的方案有很多種可能，其中可以通過改變傳動類型和布置順序來實現(xiàn)。最后還要考慮整個傳動裝置對整機的影響，要有一定的保護作用。
（3）分離機構選擇：分離機構可以通過硬幣的多種參數(shù)進行分離，其中較常用的幾個參數(shù)為硬幣的化學成分、質量、直徑等，選擇時需要綜合考慮各機構相互配合的問題，以及最后的分離效果，還有裝置的制造工藝是否能夠達到，以及材料的選擇，最后確定方案。
（4）計數(shù)機構選擇：計數(shù)機構最重要的是精確性和穩(wěn)定性，可以通過傳感器實現(xiàn)，此時就需要選擇傳感器的類型，選擇時要綜合考慮其他機構的方案，不能影響其他機構正常運行以及保證后續(xù)功能能夠順利實現(xiàn)。
（5）包裝機構的選擇：包裝機構是本裝置的最后一項功能，根據(jù)硬幣的自身特性和最后預期的效果進行選擇，也應考慮之后的儲存及運輸問題。
與此同時，要將加工工藝方案和需要的材料進行分析確定，通過一系列實驗確定最終的方案路線。
本設計要實現(xiàn)的功能是：因為滾筒上排列不同直徑的圓孔及固定在滾筒上螺旋帶將不同直徑的硬幣分離開，硬幣在進入滾筒后，因為滾筒的旋轉，固定在內部的螺旋帶推動內部的硬幣向另一端移動，在此期間不同的硬幣將在對應圓孔區(qū)內掉落，之后在收集的同時完成計數(shù)，并且在顯示屏上顯示各種硬幣的總值及所有硬幣的總值，最終在包裝機構內完成包裝。
設計時需考慮以下要求：
（1） 裝置應能精確的將不同面值的硬幣分離開，不能出現(xiàn)漏分的情況。
（2）電機選取要求：電機的轉速應既能保證效率，又不能太快而導致漏分的現(xiàn)象，以及響應速度、過載能力和運行性能等的要求。
（3）計數(shù)裝置要滿足準確的要求，需要滿足計數(shù)的準確和計算的準確。
2.2螺旋式滾筒硬幣分離計數(shù)包裝機的設計方法及方案選擇
完成本題目要求設計的螺旋式滾筒硬幣分離計數(shù)包裝機應先明確目的，確定實施路線，必須事先認真分析討論題目給出的要求，從細節(jié)出發(fā)，注重每個環(huán)節(jié)的把控，才能做到條理清楚，事半功倍。其次，為了更好的完成本課題，要做好材料選擇及加工方法的確定。
方案選擇如下：電機采用有刷直流電機，傳動裝置采用齒輪定比傳動，轉動軸通過鍵連接形式與齒輪進行配合，轉軸與滾筒通過螺紋連接形式實現(xiàn)，需要用螺母進行固定。硬幣在筒內的移動通過螺旋帶實現(xiàn)，螺旋帶跟隨滾筒一起轉動同時推動硬幣向前運動，硬幣在到達相對應直徑的圓孔時掉落，硬幣在下落到收集裝置時，由于裝置有兩塊斜板組成，所以最終硬幣會到達槽內，最終滾落下來通過計數(shù)裝置的傳感器，完成計數(shù)，計數(shù)裝置由光電傳感器接受光信號，將轉化成的電信號傳到單片機內，完成統(tǒng)計計算工作。之后在包裝機構中完成包裝工作，包裝機構的收集桶固定在一個一側有齒條的矩形板上，接著通過控制舵機的轉角將桶移動，換到下一個收集，最終完成所有功能。
3．螺旋式滾筒硬幣分離計數(shù)包裝機機構設計
3.1整機機座的設計
因為電機在轉動時會產生振動，故機體需具有一定的穩(wěn)定性和抗振性，兼顧作品的美觀性，機體采用5mm的亞克力板，考慮到加工精度，采用cad成圖，雕刻機加工保證精度。
3.2電動機的選擇
為滿足不同的分離速度要求，選取可以調速的微型有刷直流電機，型號為XD-37GB520。
3.3傳動機構的設計
本硬幣分離機需要將電機的動力傳遞到分離裝置上，帶動滾筒旋轉，同時內部的螺旋條推進硬幣向前移動。硬幣分離機應具備如下優(yōu)勢：運行平穩(wěn)、機構不繁瑣、機械效率高等等，做到這些就能很好的完成功能。下列方案可供選擇：
3.3.1皮帶傳動
（1）工作時傳動很平穩(wěn)且無噪聲，具有緩沖、吸振的能力
（2）在過載時，皮帶會在帶輪上發(fā)生打滑，可有效防止構件中薄弱的零部件損壞，起到安全保護的作用
（3）較其他傳動方式造價低廉、不需要潤滑以及緩沖、吸震、易維護等特點
缺點：
（1）滑動損失：皮帶在工作時，由于帶輪兩邊的拉力差以及相應的變形經差形成彈性滑動，導致帶輪與從動輪的速度損失。彈性滑動與載荷、速度、帶輪直徑和皮帶的結構有關，彈性滑動率通常在1%-2%之間。有的皮帶傳動還有幾何滑動；
（2）過載時將引起打滑，使皮帶的運動處于不穩(wěn)定狀態(tài)，效率急劇下降，造成磨損加劇，嚴重影響皮帶的壽命；
（3）滯后損失：皮帶在運行中會產生反復伸縮，特別是在帶輪的繞曲會使皮帶體內部產生摩擦引起功率損失；
（4）空氣阻力：皮帶高速傳動時，運動中的風阻也將引起轉矩損耗，損耗值隨著速度的升高而增大；
（5）軸承的摩擦損失：軸承在裝置工作時受到皮帶的拉力，會引起轉矩損?；瑒虞S承和滾動軸承均會造成損失
3.3.2鏈條傳動
（1）不需考慮彈性滑動和打滑，能夠保持準確傳動比；
（2）工作時需要張緊力較小，作用在軸上的壓力小，有效減少軸承的摩擦損失；
（3）整個傳動裝置更緊湊；
（4）能夠適應高溫，有油污等的惡劣環(huán)境；
（5）制造和安裝精度都較低，中心距較大時傳動結構比較簡單。
缺點：瞬時轉速以及瞬時傳動比不是常數(shù)，傳動時的平穩(wěn)性較差，會有一定的沖擊和噪聲。
3.3.3齒輪傳動
（1）效率較其他方式高;
（2）整個裝置結構緊湊;
（3）工作時可靠
（4）傳動比穩(wěn)定。
綜上所述，本裝置采用齒輪傳動，計算具體參數(shù)：
電機轉軸與滾筒主軸距離：L=100mm
模數(shù) m=2
齒數(shù) Z1=30，Z2=70
傳動比i=Z2Z1=7030=2.3 (3.1)
分度圓直徑d1=mz1=60mm，d2=mz2=140mm (3.2)
標準中心距a=m(z1+z2)2=100mm (3.3)
齒頂圓直徑
da2=(Z2+2ha*)m=64mm
da2=(Z2+2ha*)m=144mm (3.4)
齒根圓直徑
df1=(Z1-2ha*-2c*)m=55mm
df2=(Z2-2ha*-2c*)m=135mm (3.5)
圖3.1 小齒輪
圖3.2 大齒輪
3.4分離機構的設計
分離滾筒，采取中空設計，設計半徑為66.5mm，設計長度為270mm，圓筒前半部分陣列排布直徑為19.5mm的圓，負責分離1角硬幣，后半部分陣列排布直徑是21mm的圓，用來分離5角硬幣，圓筒內部裝有螺距為20mm的窄螺旋，可以讓硬幣向前進給，隨機通過圓筒側壁的陣列圓。若硬幣直徑小于圓筒所開直徑，硬幣便可以通過筒壁的圓掉落，落到在起下方的收集裝置，進行收集、計數(shù)等工作。螺旋自始至終貫穿圓筒，在圓筒旋轉的時候起到輔助向前推進硬幣的作用，最終1角硬幣從前半部分圓孔篩出、5角硬幣從后半部分被篩出，1元硬幣從滾筒末端掉出。以上三種硬幣均掉入到不同的收集裝置里。
圖3.3 滾筒圖
圖3.4 螺旋帶
圖3.5 滾筒軸
圖3.6 整體圖
3.5計數(shù)機構的設計
計數(shù)功能是由安裝在硬幣滑道出口處的光電傳感器完成的，硬幣通過出口時會遮擋光信號，從而產生一個電信號，最終完成計數(shù)和總值的計算?？紤]到硬幣在連續(xù)下落時只有兩側均會出現(xiàn)間歇光，所以傳感器安裝在出口的任意一側。
圖3.7 收集裝置
3.6包裝機構的設計
包裝機構由5個直徑略大于硬幣的桶固定在一個帶齒條的長板上構成，齒條由舵機帶動，當傳感器檢測到一定數(shù)量的硬幣落入桶內后，舵機轉動，換到下個桶收集，直至5個桶全部收滿。
舵機選擇：馴龍者DG-2020-MG995 360°可控角度
齒條長度：L=113mm，
Z1=18
m=2
α1=20°
ha1=ha*m=2mm (3.6)
hf1=ha*+c*m=2.5mm (3.7)
齒輪：Z2=18
m=2
α2=20°
da2=(Z2+2ha*)m=40mm (3.8)
df2=(Z2-2ha*-2c*)m=31mm (3.9)
當一個桶收集滿后舵機轉動90°，齒條移動28.25mm,舵機轉動360°后完成包裝工作。
圖3.8 收集桶
圖3.9 舵機齒輪
4．零部件設計及強度校核
4.1程序檢驗
（1）屏幕上固定顯示的數(shù)字定位
// 函數(shù)功能：輸入定位
void PosLCD(uchar X,uchar Y)
{
uchar ucPos;
if(X == 1)
{ X = 0x80; } //第一行
else if(X == 2)
{ X = 0x90; } //第二行
else if(X == 3)
{ X = 0x88; } //第三行
else if(X == 4)
{ X = 0x98; } //第四行
ucPos = X + Y; //計算地址
WrComLCD(ucPos); //顯示地址
}
（2）對LCD屏幕的初始化
// 函數(shù)功能：LCD初始化
void LCD_Init(void)
{
WrComLCD(0x30); // 8位數(shù)據(jù)端口、選擇基本指令
DelayMS(10);
WrComLCD(0x01); // 顯示清屏
DelayMS(10);
WrComLCD(0x0C); // 顯示設定：整體顯示、游標關、不反白
DelayMS(10);
}
（3）確定顯示內容的位置
//函數(shù)功能：顯示內容于第幾行第幾列
void disp(uchar nn[],uchar hang,uchar lie)
{
uchar ucVal;
ucVal = 0;
PosLCD(hang,lie); // 選擇第幾行、第幾列
while(nn[ucVal] != '\0')
{
WrDatLCD(nn[ucVal]);
ucVal++;
}
}
（4）計算結果顯示位置固定
//函數(shù)功能：固定顯示
void disp_ding(void)
{
disp("一元",1,1);
disp("枚",1,7);
disp("五角",2,1);
disp("枚",2,7);
disp("一毛",3,1);
disp("枚",3,7);
disp("總計：",4,1);
disp("元",4,7);
}
（5）統(tǒng)計錢數(shù)并顯示
//函數(shù)功能：顯示錢數(shù)
void disp_money(uchar yishu,uchar wushu,uchar moshu)
{
uint zong;
uchar yibai,yi10,yige,wubai,wu10,wuge,mobai,mo10,moge,zqian,zbai,z10,zge;
zong=yishu*10+wushu*5+moshu;
yibai=(yishu/100);
yi10=((yishu%100)/10);
yige=(yishu%10);
wubai=(wushu/100);
wu10=((wushu%100)/10);
wuge=(wushu%10);
mobai=(moshu/100);
mo10=((moshu%100)/10);
moge=(moshu%10);
zqian=(zong/1000);
zbai=((zong%1000)/100);
z10 =(((zong%1000)%100)/10);
zge =(zong%10);
PosLCD(1,4);
WrDatLCD((0x30+yibai));
WrDatLCD((0x30+yi10));
WrDatLCD((0x30+yige));
PosLCD(2,4);
WrDatLCD((0x30+wubai));
WrDatLCD((0x30+wu10));
WrDatLCD((0x30+wuge));
PosLCD(3,4);
WrDatLCD((0x30+mobai));
WrDatLCD((0x30+mo10));
WrDatLCD((0x30+moge));
PosLCD(4,4);
WrDatLCD((0x30+zqian));
WrDatLCD((0x30+zbai));
WrDatLCD((0x30+z10));
WrDatLCD('.');
WrDatLCD((0x30+zge));
}
/****************主函數(shù)******************/
void main(void)
{
uchar datat1=0,datat2=0,datat3=0;
LCD_Init(); //LCD初始化
disp_ding();
P0=0x00;
P2=0x00;
while(1)
{
if(yiint==1)
{
datat1=P0;
yiput=1;
disp_money(datat1,datat2,datat3);
yiput=0;
}
if(wuint==1)
{
datat2=P0;
wuput=1;
disp_money(datat1,datat2,datat3);
wuput=0;
}
if(moint==1)
{
datat3=P0;
moput=1;
disp_money(datat1,datat2,datat3);
moput=0;
}
}
}
完整程序見附錄
程序演示：
圖4.1 初始顯示
圖4.2 實驗結果
4.2零件設計
4.2.1設計的零件：
（1）機體框架
亞克力板，厚度為5mm
長度400mm寬度200mm高度460mm
加工方式：cad作圖，雕刻機加工
（2）滾筒
鋁，厚度2mm
直徑67mm，長度270mm，圓孔直徑前半部分19.5mm后半部分21mm
（3）滾筒軸
鋼軸
直徑15mm，螺紋M15×1LH-6G
加工方式：車床車削
（4）軸套
尼龍。外圓18mm長10mm
加工方式：車床車削
4.2.2可購買的標準件
深溝球軸承2個
尺寸代號系列00大小16002
外徑32mm內徑15mm寬度8mm
圖4.3 裝配圖
4.3強度校核
表4.1 校核結果
名稱
類型
最小
最大
應力
應力
1.037e+004N/m2
4.543e+007N/m2
位移
合位移
0mm
3.423e-002mm
應變
對等應變
8.666e-008
1.318e-004
圖4.4 應力分布圖
圖4.5 位移分布圖
圖4.6 應變分布圖
軸的材料為40Cr，其屬性為：
屈服強度7.85e+008N/m2；張力強度9.8e+008N/m2；彈性模量2.1e+011N/m2
所以，軸所受到的應變力遠小于屈服強度，故安全。
5.結論
本次螺旋式滾筒硬幣分離計數(shù)包裝機的關鍵點在于：傳動齒輪需要精準的設計，關鍵在于齒輪，齒輪在制造時需要保證精度，根據(jù)具體的科學的理論分析得到較優(yōu)方案，最后通過實踐來得到最終方案；分離裝置需要合適的轉速，以及適量的硬幣，才能保證最后的分離效果，各部分機構正常配合才能正常工作；因為本裝置各機構是自主設計，為了保證正常安裝，要查表確定好各配合的公差，這樣減少了因配合問題可能導致的能量損耗，可使裝置更加節(jié)能；計數(shù)機構要通過單片機來實現(xiàn)功能，需要編制合適的程序以及正確安裝傳感器才能實現(xiàn)功能，需要通過多次實驗來確定最終方案。
最后的包裝機構是最后一道功能，它要完美的銜接計數(shù)機構出來的硬幣，并且要合理控制舵機轉角，使收集筒正確的移動。
參 考 文 獻
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致 謝
畢業(yè)設計即將結束，四年的大學生活也即將結束，在這個特殊的時間段里，心里面有許多感激的話想對我的母校，我的老師，以及我的同學們說，感謝他們陪我度過了我人生中最重要的時期，母校的哺育，各位老師們的教導，同學們的幫助讓我跨過了一個又一個難關，在此我表示深深的感激！
特別是在這近三個月中的畢業(yè)設計中，我得到了劉安生老師的大力支持以及一些同學的幫忙，讓我本來就很膚淺的知識得到了一定的充實，才得以完成了這次畢業(yè)設計，很難想像沒有他們的指導和幫助要完成這次設計將會是多么困難，因此在此表達我無限的感激。同時還要感謝的是機械工程學院的所有老師們，感謝他們?yōu)槲覀兊脑O計提供了豐富的資料，圖冊以及學習場所，讓我們在充足的資源的學習環(huán)境下順利完成了設計。
最后我要感謝大連大學機械工程學院的所有老師以及所有曾教育過我的老師們，正是有了你們在大學期間對我的教導以及教誨，我才能夠在今后的學習之路走得更遠。
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附錄1：外文翻譯
平面磁電阻與磁選礦廠有寬帶電力電子應用非接觸式電流傳感器
摘要
高頻電力電子變換器需要無損、準確和隔離的電流測量。通過印刷電路（PCB）軌跡的高頻電流在跡線周圍產生不均勻的磁場。而且非均勻的磁場可以通過磁場集中器（MCONs）使用導電材料進行歸一化。在這項研究中，已經提出了一種新的技術，使用磁電阻（MR）傳感器與平面磁集中器（MCON）利用導電材料的高頻無接觸電流檢測。研究了不同的MCONs對各向異性磁共振（AMR）傳感器高頻無接觸電流檢測性能的影響。實驗表明，配備了不同的MCONs的AMR傳感器相對于快速上升階躍電流的性能。利用不同的MCONs對傳感器響應進行詳細的頻率分析，以確定對電流傳感器的檢測帶寬的影響。
1 介紹
高頻變換器中電流信息的提取是當前的主要挑戰(zhàn)之一。高頻功率電子學隨著近年來高頻功率電子學的發(fā)展和新一代寬禁帶（WBG）功率器件的引入，無源元件以及電路體積變得非常小型化。為了快速、有效和高效地控制功率變換器，無損、準確的電流測量是一個基本的先決條件。傳統(tǒng)的電流傳感技術不再適用于高頻轉換器中的電流測量。因此，有必要研究替代的方法和技術來測量電流。這些方法應該產生具有快速、準確、拓撲無關和無損的當前SEN源。此外，使用允許高頻功率轉換器（＞1 MHz）的WBG半導體具有更高的電壓器件（＞30 V）需要隔離的電流傳感器。
基于霍爾效應的傳感器和基于磁電阻（MR）的傳感器是隔離和非接觸電流檢測的最流行的解決方案之一?；魻栃獋鞲衅鲝V泛應用于不同的應用領域，多年來觀察到了顯著的性能改進[1 ] -〔5〕。使用具有高載流子遷移率的材料（例如GaAs和InAs）制造霍爾元件，導致了1 MHz（6）的靈敏度和檢測帶寬的顯著改善。然而，該技術要求主電流路徑被中斷并通過感測裝置。
基于霍爾元件的非接觸電流傳感器的引入是通過平面磁場集中器（MCONs）〔7〕、〔8〕的應用而實現(xiàn)的?；魻栐憫艌?，這是正常的跡線取向。因此，與常規(guī)方法不同，霍爾元件被放置在磁集中器下面，該磁場集中器向傳感器提供正常場。這些磁集中器利用鐵磁材料將磁場集中在霍爾傳感元件上。最先進的基于非接觸霍爾效應的電流傳感器的帶寬限制在250 kHz（7），〔8〕，從而使它們不適用于高頻（＞1 MHz）的無接觸電流測量。
MR傳感器可以基于金屬合金和半導體來開發(fā)，從而提高設計靈活性。MR傳感器具有良好的靈敏度和測量精度，因為它們比基于霍爾效應的傳感器具有更少的漂移。它們可以響應AC和DC場，并且具有非常高的檢測帶寬，這使得它們成為電力電子轉換器中高頻電流檢測的有吸引力的選擇。與基于霍爾效應的傳感器不同，MR傳感器對水平磁場進行響應，該水平磁場能夠利用諸如銅（Cu）或鋁（Al）的導電材料作為平面MCONs。幾個研究小組正在研究技術，以提高霍爾效應以及基于MR和GMR的電力電子應用設備的靈敏度（9）-（17）的電流感應的靈敏度和準確度。
在這項研究中，我們提出了一種新的技術，使用MR傳感器的平面磁集中器（MCON）利用導電材料的增強帶寬非接觸電流檢測。研究了不同的MCONs對各向異性磁共振（AMR）傳感器高頻無接觸電流檢測性能的影響。市售AMR傳感器霍尼韋爾HMC1021S〔18〕被用作非接觸電流監(jiān)測裝置。AMR傳感器被用于檢測由定制設計的步進電流發(fā)生器產生的非?？斓乃矐B(tài)電流的電流。設計了六種不同材料和厚度的磁集中器（MCONs），分析了在檢測到20μA的快速瞬態(tài)電流對傳感器性能的影響。記錄了具有不同MCONs的傳感器響應，并對A進行了詳細的分析。分析了MCONs的作用。用不同的MCONs對傳感器響應進行頻率分析，分析MCONs對AMR傳感器的傳感性能和檢測帶寬的影響。
2 MR傳感器的MCON
在典型的電力電子應用中，MR傳感器被放置在印刷電路板（PCB）上的當前汽車行駛軌跡的頂部或下方（底層），如圖1所示。傳感器與電流跡線沒有物理接觸，并且通過傳感器芯片內的AMR傳感元件檢測通過跡線的電流產生的磁場。當?shù)皖l電流通過PCB跡線時，由電流產生的磁場是均勻的并且均勻分布在電流跡線周圍。圖1（a）和（b）在低頻和高頻電流下可視化磁場分布。與AMR傳感器的默認檢測軸相交的磁通線產生響應。
在傳感器輸出中，正比于跟蹤中的電流MAG。然而，在高頻下，由于趨膚效應，流過跡線的大部分電流集中在跡線的邊緣附近。高頻電流產生的磁通線在跡線周圍不再均勻，大部分磁通線集中在電流跡線的邊緣附近。感測元件附近的場分布非常弱，并且由傳感器檢測到相對較弱的場。其結果是，傳感器在高頻電流傳感中給出了其靈敏度的假印象。然而，用MCONs對磁場進行歸一化，在傳感區(qū)域中產生均勻的場分布，并且增強了傳感器的檢測帶寬。
一種放大和歸一化由高頻電流產生的磁場的方法是在傳感器周圍折疊載流跡線（9）。這種方法也被用于平面Rogowski線圈，其中線圈被夾在跡線〔19〕-〔22〕之間。如果應用允許這樣的布局修改，該方法可以很好地應用于點場檢測器，例如磁阻（MR）傳感器。然而，有可能實現(xiàn)MCONS，其能夠在沒有或最小PCB布局修改的情況下，在承載高頻電流的PCB跡線上形成和放大場。
MR元件對磁場場的水平分量作出響應，而霍爾效應元件則響應于磁場的垂直分量來進行精確傳感。與MR傳感器相關聯(lián)的這種獨特性質可以在設計磁場磁場歸一化目的的MCONs時得到很大程度的利用。在一般情況下，當暴露在導電表面上時，利用電磁場反射特性，通過傳感器使磁場正?；驮鰪姟＠硐肭闆r下，需要具有零場吸收的超導體表面以獲得最大性能。然而，使用具有良好導電性的材料，例如具有特定尺寸和厚度的Cu或Al，可以在很大程度上實現(xiàn)磁場歸一化。MCON的材料、尺寸和厚度在磁場歸一化和MR傳感器的性能方面起著很大的作用。
為了清楚地了解Mcon對電流軌跡周圍磁場分布的影響，采用有限元方法MAG-NEICS（FEMM）電磁解算器進行了詳細的仿真研究。圖2和3分別給出了10和20 A電流的模擬結果，示出了與常規(guī)電流跡線相比，MCON技術的磁場分布的變化。在1盎司PCB銅軌跡上進行模擬，其寬度為150密耳。電流通過PCB跡線在遠離觀察者的方向上。電流從直流變化到5 MHz，以了解磁場對磁場分布的影響。長度和寬度分別為0.19和0.15的MCONs放置在距PCB跡線3.07毫米的距離處，這是從PCB跡線到放置在PCB上的芯片頂部的距離。
對于直流電流，由電流產生的磁場是均勻的并且均勻分布在跡線周圍。直流磁場不受麥肯的影響，如圖所示是不變的。
由20 A電流產生的磁場的幅度高于由10 A電流產生的磁場，并且在這兩種情況下，磁場都不受MCONs的影響。然而，當5 MHz電流通過跡線時，由于趨膚效應，跡線產生的大部分磁場集中在跡線的邊緣附近。其結果是，作為有效感測區(qū)域的跡線的中段附近的場是不均勻的。
圖2（b）示出了在5兆赫的模擬結果，沒有MCon（左）和Cu MCONs的厚度分別為1密耳（中間）和5密耳（右），分別為10 A電流?？梢郧宄乜闯?，高頻電流的非均勻磁場分布被集中、歸一化并使用MCONs均勻化。磁通密度（B）和磁場強度（H）在從電流跡線的2.1毫米處測得的磁場強度表明，使用MCONs增加了B和H值。如圖2（c）所示，在Al MCONs電流為10毫安（左）和10密耳（右）厚度的情況下，可以觀察到類似的結果。5 MIL銅Mon在場密度方面表現(xiàn)出最顯著的改善，B值從0.702增加到0.992 Mt。磁通密度的變化是δB＝（0.992 0.702）MT＝0.29 MT＝2.9 G。
從制造商數(shù)據(jù)表（18）考慮的MR傳感器的靈敏度是Sm＝1 mV/（V-TT）。ASSEM在后處理電路中的橋電壓為5 V，增益為20（在后面的部分中解釋），輸出在5 mIL Cu MCON中的相關電壓增益為δV＝δB SM 5 20＝290 mV。
通過實現(xiàn)5 mIL銅Mon，傳感器輸出的5兆赫電流的10微震幅度理論上可以提高290毫伏，這相當于傳感器響應的11.6%改善。如圖3（b）和（c）所示，20 A電流的模擬結果在感測區(qū)域中磁場集中和歸一化方面顯示了類似的結果。因此，改變MCon的材料和厚度，可以實現(xiàn)不同水平的磁場歸一化。
3 MCON性能的實驗驗證
A 實驗裝置
為了評價Mcon對MR傳感器（18）作為電流測量裝置的性能的影響，開發(fā)了幾種測試電路。圖4示出了設計用于在配備不同的MCONs時評估AMR傳感器的性能的硬件設置的電路圖。使用定制設計的快速高架階梯電流發(fā)生器產生電流脈沖，該電流脈沖用作AMR傳感器的參考電流。階躍電流產生器可以產生高達20 A的電流脈沖，其過渡時間約為5納秒，這使得我們能夠分析到50 MHz的感測帶寬。載流PCB跡線和MR傳感器被放置在厚度為1.57毫米的PCB的相對側上。在PCB的底層上實現(xiàn)了帶有1盎司Cu的載流軌跡，而MR傳感器被放置在圖4。評估不同MCONs的AMR傳感器性能的硬件設置電路圖。頂層使得電流軌跡與傳感元件之間的距離為2.1毫米。AMR傳感器的輸出由差分增益20進一步放大，這是用高速分量（205 MHz，506 V/s s）實現(xiàn)的，因此它不限制感興趣的頻率范圍。圖5示出了為實驗而開發(fā)的硬件原型。
在這項研究中，AMR傳感器用六種不同配置的MCONs進行評估。使用具有優(yōu)異導電性的材料如Cu和Al來配置MCONs。MCONs的長度和寬度分別為0.19和0.15，匹配AMR傳感器SOIC8芯片的頂部尺寸。采用不同的MCONs厚度對傳感器輸出進行觀測。Cu MCONs使用三種不同厚度的1, 5和10密耳，而Al MCONs用5, 10和22密耳厚。MCON被一次放置在AMR傳感器的頂部，并且觀察到傳感器相對于具有高達20 A的幅度的快速上升階躍電流的響應。圖6示出了配備1 MIL Cu Mcon的步進電流發(fā)生器和AMR傳感器的實驗裝置。
B.實驗結果
在圖7中示出了AMR傳感器對10μA量級的快速上升階躍電流的響應。綠色波形對應于在步進電流發(fā)生器板中使用小功率電阻器的參考電流測量。黃色波形對應于AMR傳感器與任何MCON的響應。當跟蹤中沒有電流時，傳感器輸出偏置在2.5 V。隨著10的軌跡中的階躍電流，達到3.08 V的穩(wěn)態(tài)傳感器響應。圖7。AMR傳感器對10的響應，沒有MCon的階躍電流?？潭龋篨軸：1μs/div，y軸：5 v/div（綠色），200 mV/div（黃色）。3.1傳感器在相同的操作條件下使用上述MCON的六種不同配置進行評估。在圖8中示出了配備有不同材料和厚度的MCONs的AMR傳感器的響應。顯然，配備MCON的傳感器無論使用的MCON的類型如何，都表現(xiàn)出更好的響應。在所有情況下，穩(wěn)態(tài)都比沒有MCon的情況快得多。這是因為，通過使用導電材料如Cu和Al，實現(xiàn)了MCON，使感測元件區(qū)域中的磁場歸一化。在圖8中給出的結果表明，當配備1, 5和10密耳Cu MCONs時，AMR傳感器響應分別達到1.16、0.83和0.86μs的3.08 V的穩(wěn)態(tài)。同樣，對于Al MCONs，分別在0.91、0.87和0.86 s時達到3.08 V的穩(wěn)定狀態(tài)，McON厚度分別為5, 10和22密耳。
為了更好地理解在配備MCON時傳感器的瞬態(tài)響應的改善，確定上升時間至穩(wěn)態(tài)值的80%。對于沒有MCon的情況，確定穩(wěn)定狀態(tài)的上升時間為80%μs，而對于具有1, 5和10密耳厚度的銅MCON，上升時間為穩(wěn)態(tài)的80%，分別為0.46、0.44和0.44μs。同樣，對于5、10和22密耳的Al MCONs，穩(wěn)態(tài)值的上升時間分別為0.46、0.45和0.45μs。從階躍電流測試的實驗結果示出，5 MIL銅顯示出相對于10 A階電流的AMR傳感器響應的最顯著的改善。從實驗中捕獲的數(shù)據(jù)輸出到MATLAB進行進一步的比較和分析。圖9示出了沒有任何MCON實現(xiàn)的AMR傳感器響應的時間DO主要結果，以及配備5 MIL Cu MCon時的時間DO主要結果。
C 討論
從圖中可以清楚地看出，當與5 MIL Cu MCon一起使用時，相對于20 A階電流的傳感器響應得到顯著改善。為了驗證MCON對AMR傳感器響應的影響的一致性，重新設計階躍電流產生器以產生20 A階電流和傳感器響應。在不使用任何MCON的情況下觀察，然后與先前實驗中使用的六個不同的MCONs進行觀察。圖10示出了沒有使用MCon的傳感器響應的示波器捕獲，并且圖11示出了具有20個階躍電流的六個不同MCON的AMR傳感器響應。綠色波形對應于參考階躍電流，黃波形式對應于傳感器響應。20階躍電流的穩(wěn)態(tài)傳感器輸出為3.5 V。當不使用MCon時，傳感器輸出達到3 V時的3.5 V穩(wěn)態(tài)。當配備有1, 5和10密耳的Cu MCON時，響應變得更快，在2.4、0.8和0.8 s S處達到穩(wěn)態(tài)。集體地。在Al MCONs的情況下，觀察到類似的趨勢，達到3.5 V的穩(wěn)定狀態(tài)。對于厚度為5, 10、22密耳的MCONs分別為0.9、0.87和0.86μs。
然而，一旦考慮到使用MCONs可能實現(xiàn)的最大場歸一化，進一步增加厚度不會導致來自傳感器的更好的響應。因此，不再需要傳感器達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間。對于10和20兩個階躍電流瞬變，從5到10密耳增加Cu McN的厚度導致與AMR傳感器類似的響應。Al的厚度從10到22密耳也有類似的趨勢。對階梯電流的傳感器響應沒有任何改善。
實驗的另一個重要的觀察是，5 MIL Cu和10 MIL Al Mcon所實現(xiàn)的磁場歸一化幾乎是相似的，盡管5 MIL Cu McN產生的響應比Al稍厚。這一結果使我們得出結論，作為一種導電材料，作為磁場的MCON，也不使磁場化，與Al相比，Cu在尺寸方面提供更輕和更薄的溶液。
為了觀察MCR性能對AMR傳感器瞬態(tài)響應時間的一致性，分別用具有2, 5, 10、15和20 A大小的階躍電流對傳感器性能進行評估。在每種情況下，AMR傳感器響應分析沒有MCon和配備5 MIL-Cu MCon。圖13給出了從2到20 A的電流的實驗中的穩(wěn)態(tài)傳感器輸出。從圖中可以看出，傳感器輸出在20 A時的線性誤差為16.67%。重要的是要注意，這種線性誤差是傳感器特性和N固有的。OT受MCONS實施的響。MCONs的影響主要是在SENSOR輸出的瞬態(tài)性能和穩(wěn)定狀態(tài)不受影響。圖14示出了傳感器輸出上升時間隨不同電流幅值達到穩(wěn)定狀態(tài)的變化?？梢杂^察到，使用MCONs顯著地改善了響應時間。在沒有MCon和傳感器輸出的MCON的情況下，隨著電流大小的變化，穩(wěn)定時間的上升時間是相當恒定的。這驗證了通過改善MCONs來改善AMR傳感器的瞬態(tài)性能所實現(xiàn)的性能與不同的電流一致。
為了進一步分析實驗數(shù)據(jù)，使用Matlab對來自圖12所示的20步進電流測試的捕獲數(shù)據(jù)進行頻率分析。圖15示出了圖12所示的傳感器的時域響應的頻率分析。從圖15所示的結果可以看出，與沒有MCon的情況相比，MCON情況下的傳感器響應的帶寬得到了改善。詳細分析表明，不使用任何MCON的AMR傳感器的感測帶寬（3分貝響應）為1.21 MHz。如圖15所示，5 MIL-Cu Mcon轉換為AMR傳感器的最佳響應，并且感測帶寬從1.21提高到1.61 MHz，這意味著整體感測帶寬的33.06%改善。增加Cu McON的厚度沒有提供進一步的改善，帶寬被限制在1.55 MHz。在表II中給出了通過重新分析SPECT到20階電流響應的頻率分析的結果，示出了隨著不同導電MCON的實現(xiàn)而改善帶寬。
4 結論
在本論文，提出了一種利用導電材料的平面磁敏器件（MCON）的MR傳感器增強非接觸式電流檢測技術。
我們研究和分析了不同的MCONs對無接觸電流監(jiān)測AMR電流傳感器性能的影響。進行了詳細的模擬研究，以清楚地了解磁場分布的高頻電流。對實驗結果進行了實驗驗證，并進行了詳細的分析。設計了一種快速上