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硬幣自動分選清點機械設計
附錄Ⅰ 外文翻譯（中文）
反饋控制電磁振動給料器
（應用雙自由度比例加積分加微分控制器的非線性元）
Tomoharu DOI**，Koji YOSHIDA***，
Yutaka TAMAI* ***，Katsuaki KONO****，
Kazufumi NAITO****and Toshiro ONO*****
電磁式振動給料機是一種用于自動稱重機的傳輸設備?，F(xiàn)有的送料器是由前饋控制，所謂的“發(fā)射角控制” ，無法使突然出現(xiàn)的干擾無效。在這項研究中，我們考慮采用一種反饋控制這種饋線系統(tǒng)。首先，我們給出對于振動部分和電磁力部分模型的兩個細節(jié)。其次，反饋控制系統(tǒng)是為電磁振動給料器構建的，我們提出一個運用非線性元件兩自由度比例加積分加微分（ PID控制器）控制器。下一步，我們還采用反饋控制的饋線與標準槽。最后，我們考慮一種方法兼容多種槽調整的非線性因素。在一些實驗結果的基礎上，我們證實了雙自由度PID控制比傳統(tǒng)的角發(fā)射控制更加有效。
關鍵詞：振動控制，喂料機，非線性控制，電磁作動器，雙自由度PID控制，建模
1、緒論
對于各種食品制造業(yè)的包裝過程，自動秤是一個非常重要的設備。自動秤發(fā)展于1973年，后來得到改進，從而成為高度精確和有效的。電磁振動給料器在這篇文章中被認為是一個重要的用于系統(tǒng)地傳輸材料給稱重單位的傳輸設備。然而，在發(fā)射角控制（前饋控制）被用于給料器至今，仍未得到進一步的完善。在這項研究中，我們提出一個運用非線性元件的兩自由度的PID控制器的反饋控制系統(tǒng)構建于電磁振動給料器下。首先，我們給予振動部分和電磁力部分模型的細節(jié)。下一步，我們還采用對于給料器標準槽的反饋控制。然后，我們考慮一個方法兼容各種槽調整的非線性因素的兩自由度PID控制器。在一些實驗結果的基礎上，我們證實了雙自由度PID控制比傳統(tǒng)的角發(fā)射控制更加有效。
2、電磁振動給料器
2.1給料器的概要及其傳輸原理
圖1.顯示的是一個給料器。術語“料槽”是指用于運輸?shù)匿摪逍螤畹墓艿?。料槽可以很容易地改變，以配合運輸對象。料槽是靠平行板彈簧和位于料槽底下的電磁線圈支持的。板彈簧和線圈是固定在基座上的。該基座是由三根螺旋彈簧支承著的。所有部件，除了料槽，被稱為“直屬零件”和所有設定的部分，包括料槽，被稱為“送料器”。 料槽連接到基座的鋼板彈簧，因此，這一系統(tǒng)基本上相當于一個質量彈簧系統(tǒng)的共振頻率ω。如果在共振頻率ω下被驅動，送料器將做共振運動。共振現(xiàn)象是高效率的，因為少量的電源作為輸入可以造成大位移量的出現(xiàn)。
圖1 電磁振動送料器 圖2 輸送過程
圖2所示為運輸物料的過程。陰影箭頭表示料槽振動時物料的移動方向。圖2（i）表明送料器處于平衡位置。最初，當電流流向電磁鐵線圈（以下簡稱“線圈” ），由電磁力的作用料槽向左移動到更低的位置（見灰色箭頭），就如圖2（ii）所示的那樣。在此期間，料槽內輸送的物料向重力方向移動（見白箭）。
當關閉電源開關，板彈簧和料槽將推進運輸對象向右上方移動（見灰色箭頭），如圖2（iii）所示。在這種方式下，被輸送的物料緩慢前行。送料器將在共振頻率ω的驅動下重復圖2（ii）和（iii）中的步驟。
2.2 振動機械因素的模型
圖3所示為送料器振動因素的模型。這一模型中術語的坐標軸，使用的變量和參數(shù)被列表1中。模型的一個關鍵要素是料槽的移動方向是被固定了的。然后，下面的線性動態(tài)模型，四階可得出的詳細模型的振動。
M ，K是對稱矩陣（符號*顯示對稱元素）如下所示：
因此，本模型（1）是有用的設計振動因素。模型（1）對應的特征頻率符合實驗模態(tài)分析的結果。
圖3 振動因素模型 圖4 電磁線圈模型
送料器的主振彈簧是由一些板彈簧組成的。該模型沒有考慮非線性特性的彈簧元（1）（2），這改變了共振頻率按照振幅變化的共振。
表1 模型中用到的參數(shù) 表2 料槽的特性
2.3 電磁驅動要素
我們采用的電磁懸?。?）模型技術就如圖4中模型顯示的那樣。在圖4中e，i和R分別表示線圈的電壓，線圈電流和線圈電阻。線圈和料槽之間的電感z被表達的功能為。其結果是，電磁力F可表示為
（2）
線圈和電流之間的關系可以表達為
（3）
Q、和為線圈決定的常數(shù)。使用公式（1）、（2）、（3）可以在計算機上構建一個仿真的送料器。此外，狀態(tài)空間模型可以由公式（1）、（2）、（3）得出一個線性均衡器。
3.實驗控制系統(tǒng)的結構
3.1 反饋系統(tǒng)的結構
圖5顯示的是一個反饋系統(tǒng)的結構。反饋系統(tǒng)的操作變量（以下簡稱“振幅能量”為AP，AP是個無綱量）是一個存在發(fā)射角控制的變量（以下簡稱“FAC”，它的詳情稍后給出）。測量變量，控制變量，命令變量假定振幅為料槽與線圈表面的距離（以下簡稱“間隙振幅”為）z。由FAC、激勵系統(tǒng)和振動因素組成的部分被稱為控制系統(tǒng)。圖5顯示的結構來實現(xiàn)取消和干擾，以改善其跟蹤特性的命令變量的兩自由度PID控制器。這種結構成為一個現(xiàn)有FAC系統(tǒng)的內置結構，，它描述了兩自由度PID控制器的一般結構（5）（6）。因此，如果操縱變量如圖5所示，當由于反饋控制器而使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定時將會關閉，這結構將符合當前的常規(guī)系統(tǒng)。因此，這種結構已成為故障安全系統(tǒng)。
圖5 反饋系統(tǒng)結構 圖6 實驗系統(tǒng)
3.2 送料器和料槽在實驗中的使用
圖6顯示了設立的實驗系統(tǒng)。這個實驗送料器可運輸約10公斤的最高質量，但是送料器通常由約0.1公斤的質量驅動。這個送料器的共振頻率f是40Hz。當送料器運輸最大質量是，共振頻率的變化約4%。然而，因為運輸0.5千克或更多是罕見的，我們忽視了由共振的運輸物料質量變化引起的共振頻率的變化。關于料槽形狀和類型，根據(jù)運輸物料的不同有100多個品種的料槽。對于我們的實驗，運用到了五種特別類型的料槽。這些料槽的參數(shù)列在表2中，并在圖7中給出了料槽的形狀。在下面，料槽B是所謂的“標準料槽”。由于料槽E的質量是最大的，我們改變組合鋼板彈簧等要素的共振頻率的支線為40赫茲。
圖7 料槽的形狀 圖8 在FAC中電流電壓的循環(huán)曲線
3.3 送料器驅動部分
在現(xiàn)有送料器系統(tǒng)中，F(xiàn)AC常用作驅動系統(tǒng)。圖8顯示的是FAC的操作綱要。曲線圖8分別指出了交流源，線圈電壓和線圈電流。FAC是一個利用交流源過境時間（ZAT：零跨越時間）的重復控制方法。從ZAT延遲時間L后，經處理進入線圈的電流開始進行。L是從（常量）和AP（操縱量）中獲得的，并表達如下：
（4）
這里是交流電流入的時間。當AP變大時，延遲時間L與函數(shù)F將變短。FAC會在此基礎上運作的延遲時間如下：（i）由延遲時間L和線圈電流作用后，交流源的電壓將直接激起線圈的電壓。（ii）在高峰期過后，該線圈電流開始下降。（iii）當線圈電流變?yōu)?A時，交流電源將關閉。在共振期間，像（i）——（iii）這類非線性處理的方案將被多次重復執(zhí)行。在FAC中，線圈電流靠AP而增加并且變大以致于振幅變大。AP決定了一個共振周期的輸入功率。共振期符合更新期間的操縱變量。因此，在控制實驗中的取樣時間變?yōu)?.025秒。取決于FAC驅動硬件的AP采取的整數(shù)值從0到127（7位）。
3.4 間隙振幅測量部分
因為加速度傳感器對環(huán)境變化的低敏感度和易于維護，所以用來測量測量變量。加速度傳感器和金屬配件被安裝在實驗送料器的料槽固定部分。如果要取得一個標準的價值差距測量，將光學位移傳感器安裝在實驗送料器中。然而，位移信號的光學傳感器不是用于反饋控制對加速度傳感器信號測量精度的研究中的。
3.4.1 從加速度到間隙振幅的變化
由于送料器驅動是由發(fā)射角控制的，加速度傳感器的輸出信號a（t）的加速度傳感器，可以假定為是一個正弦波的振幅和共振頻率。
從這個假設，間隙z（t）是由整合加速的a（t）的兩倍獲得的。因此，間隙可由料槽位移和送料器的幾何關系表達如下：
（5）
換言之，差距環(huán)z（t）是不通過整合輸出信號a（t）的兩倍得到的，但乘以輸出信號為常數(shù)，因為它可以假設為一個輸出信號正弦波。從間隙z（t）中獲得的方法也是被制定了的。當是由公式（5）計算的間隙z（t）的最大和最小值計算得出的，有可能會直接受到噪聲造成的影響。首先，在圖9中陰影部分的可通過用加速度傳感器獲得的輸出信號a（t）算出。其次，的獲得基于。如果輸出信號為一個正弦波，則變?yōu)椋優(yōu)槿缦滤荆?
因此，可以由通過加速度a（t）算出的對進行測量。
圖9 振幅的測量曲線 圖10 與的關系
可由下列步驟計算出：(i) 為了使正弦波將集中在0V，一個補償（-1.397V）被刪除。（ii）一個絕對值波是通過步驟（i）中的絕對值正弦波產生的。（iii）梯形規(guī)則的一體化算法應用于步驟（ii）中的絕對波和最后的計算。間隔時間為0.25毫秒一體化和采樣時間的加速度傳感器也是0.25毫秒。共振周期1/f的整合時間為25毫秒，區(qū)域是由這一周期計算出的。我們考慮獲得由[VS]轉換為光學位移傳感器輸出值的表達式。圖10所示為光學傳感器算出的和由加速度傳感器計算出的的關系。在圖10中和的關系顯示它在12.6VS邊界時開關。這種開關特性被認為是由于一套鋼板彈簧引起的非線性（1）（2）。因此，轉化率的表達逼近兩直線，改變邊界的表達式如下：
3.4.2 輸送物料造成的噪聲
當固體物質運輸時，運送物體料槽產生一個沖擊力。因此，加速度受到沖擊力的影響，并且噪聲隨著加速度傳感器輸出信號的出現(xiàn)而出現(xiàn)。當料槽和輸送物料被替代時，噪聲的頻率也隨之變化。然而，有人證實了實驗的頻率為0.5 kHz或更多，即使是進行更換。0.5Hz或更多的噪聲被三階數(shù)字低通濾波器[Hz]過濾掉，并且運用低通濾波器的預處理可以計算出。在我們的實驗中，下面的過濾器被使用。
當噪聲被通過原來的加速度傳感器輸出影響的數(shù)字濾波器刪除時，為圖11所示。
圖11 數(shù)字低通濾波器的影響 圖12 在測量過程中的信號流出
3.4.3 在測量過程中的數(shù)據(jù)處理
圖12所示為在測量過程中簡要的數(shù)據(jù)處理。首先，由加速度傳感器產生的輸出信號是在4KHz下采樣，噪聲是被數(shù)字濾波器刪除的。是通過濾波信號計算出來的，是通過公式（6）中共振周期1/f的關系得到的。圖13所示為安裝在運用FAC，68AP的標準料槽的的有效力是通過數(shù)據(jù)處理獲得的。驅動測試期間，50g的測試片（質量0.5g的木欄一塊；直徑8mm；長15mm。）被放到料槽上四次。測量使用光學傳感器和那些從刪除噪聲后計算出的所獲得的值將得到相似的輸出。然而，在中間圖像的測量結果中，測試片造成了噪聲的出現(xiàn)，就是通過噪聲的一個最大和最小值得出的。因此，確認獲得的位移加速度傳感器，并顯示了類似的測量性能的光學傳感器。從得的數(shù)據(jù)處理方法的成效通過結果而被證明了。
圖13 檢測方法的比較 圖14 γ和AP的關系
3.5 控制部分
控制器的結構類似于雙自由度PID控制器。PID控制器（以下稱為“反饋控制器”）負責取消干擾，命令變量過濾器負責在命令變量的跟蹤特性中進行改進。命令變量過濾器被在圖5中所示的“變換參考AP”的塊所顯示出來。
3.5.1 反饋控制器
數(shù)字反饋控制器的功能可表達為如下：
（7）其中是錯誤，是采樣時間，是比例增益，是整合的時間和是分化時間。在控制實驗中，這些參數(shù)的粗值是通過靈敏度估算方法獲得的，通過調整假設=12.0，=0.1，=0.25。
3.5.2 命令變量過濾器
基于命令變量，命令變量濾波器可計算出穩(wěn)態(tài)振幅能量。衍生控制器參照圖5的參考值（命令）工作以改善對于命令變量的跟蹤特性。在這項研究中，我們采用一種非線性函數(shù)f（r）能夠命令變量過濾器，但比例控制器通常用作命令變量過濾器。體系的穩(wěn)定性不是問題，因為這一非線性因素通過命令變量產生一個獨特的輸出。非線性因素在反饋系統(tǒng)中也是獨立的。圖14所示為通過利用標準料槽所做實驗獲得的命令變量和AP之間的關系?；谶@些結果獲得命令變量過濾器的具體情況如下：
（8）
改善其跟蹤性能命令變量的衍生控制器，假定是一個近似分化根據(jù)一階傳遞函數(shù)如下：
（9）
衍生控制器和命令變量過濾器（8）在采樣時間實現(xiàn)在離散時間中獲得，并命令變量過濾器得到如下：
和作為相反的一對離散系數(shù)是必要的，關系如下：
，
參數(shù)為=6.0和=0.1是用于控制實驗。
4.標準料槽控制實驗
4.1 輸送物料的質量變化
當輸送物料的質量變化時，通過料槽的實驗驗證了干擾取消的表現(xiàn)。
當?shù)妹钭兞考俣?.2mm，重200g的測試片扔到空料槽中時，如圖15所示的時間行為。短虛線表示的是FAC，實線表示的是反饋控制。當輸送物料下放時（通過輸送和測試片的質量在料槽上減小，測試片從料槽上掉下），利用FAC，減少后的將恢復。另一方面，用反饋控制，在測試片從料槽上掉下后，將在8秒內恢復。
因此，反饋控制可以取消的干擾從而突然增加了運輸物體的質量。
圖15 輸送木塞的結果 圖16 2-d.o.f控制器的每步驟結果
4.2 關于命令變量的跟蹤特性
命令變量跟蹤特性的改進被確認是通過一個使用標準料槽的階躍響應實驗實現(xiàn)的。圖16顯示了實驗的結果。虛線表明了利用FAC控制的結果，實線顯示了使用反饋控制的結果。當命令變量增加時，振動和穩(wěn)態(tài)偏差的結果是被FAC監(jiān)視的。另一方面，利用反饋控制的結果顯示改善了跟蹤特性，并消除了穩(wěn)態(tài)偏差。特別是，針對反饋控制在1.0mm顯示良好的跟蹤響應，因為PID參數(shù)的調整在1.0mm。然而，送料器變化的特點主要取決于。因此，當G有一個其他值時，結果會比G去1.0mm時的結果還壞。
5.不同料槽的控制實驗
5.1 分組料槽
被提到的料槽種類已經超過了100種。因此，調整PID參數(shù)為個別槽增加花費。所以，我們認為這種方法可以控制幾種料槽使用相同的PID參數(shù)。在這項研究中，我們考慮的一種方法，這種方法是基于在表2中提到的5種料槽的實驗結果調整命令變量過濾器。
圖17所示為5種料槽的AP和的關系（見表2）。我們進行了以下自動實驗：（i）送料器通過AP每0.2秒增加一次從0增加到127來驅動，接著再從127到0每0.2秒減小一次來驅動。（ii）在這個過程中，AP和被自動測量。實驗結果自動繪制在圖17內。這個實驗花費了大約50秒，因為這個關系可以很容易的從各種料槽中得到。
圖17 和AP的關系 圖18 料槽組G每步驟結果
圖17顯示的料槽C、D和標準料槽B也有相似的關系。料槽A是最輕的，振動和其他料槽相比要好，還有振幅范圍也更寬。換句話說，料槽E是最重的，要求更大的AP和相對要小的振幅范圍。通過這些結果，基于AP和的關系，料槽的形狀和參數(shù)可以被組合在一起。
5.2 料槽組命令變量的跟蹤特性
通過AP和，將由相似關系的料槽B、C和D組合在一起就成了料槽組G。我們用反饋控制器的相同的PID參數(shù)的料槽組G的反饋控制進行試驗。圖18顯示了實驗步驟的反應。如圖18所示的是與料槽B、C和D相符合的輸出結果，因此，在這組中AP和的關系相似。所以，使用相同的PID控制參數(shù)和相同的命令變量過濾器是有可能的。從結果中我們認為，如果AP和的關系相似，相同的PID參數(shù)和相同的命令變量過濾器可用作控制系統(tǒng)。因此，如果我們組合料槽時考慮到AP和的關系，這些數(shù)量的控制器和時間需要PID參數(shù)的調整可以降低。
5.3 命令變量過濾器的調整
據(jù)證實，對于命令變量的跟蹤特性可以通過調節(jié)命令變量過濾器來改善。
在我們的實驗中，基于標準料槽的命令變量過濾器被稱為標準過濾器。此外，基于AP和關系的可以單獨調節(jié)的命令變量過濾器像料槽E那樣被稱為“個別調整過濾器”，可表示如下：
（11）
圖19 和每步驟結果的比較
圖19所示為運用一個標準過濾器和一個個別調節(jié)過濾器實驗的步驟結果。當命令變量0.65mm， 0.75mm， 0.85mm和0.95mm，瞬態(tài)反應是不同的方面的差異，命令變量過濾器。如果運用一個標準過濾器，結果是無效的，然而，它是改進個別調整濾波器但所得到的結果不穩(wěn)定。當命令變量0.95mm或以上，良好的跟蹤特性表明無論單獨調整濾波器。我們認為，原因是整體增益反饋控制器因為如圖17所示不同的關系中顯示了一些偏差范圍其中大于0.9mm。
由于AP和G的關系不同使當分組困難時，一個命令變量過濾器的調節(jié)時有效的。因此，如果命令變量過濾器為料槽A調整，被認為可使對于命令變量的跟蹤特性改進。
6.結論
在這項研究中，我們做出了關于送料器反饋控制的努力和實驗。結論總結如下：
（1） 包含F(xiàn)AC驅動的兩自由度PID控制系統(tǒng)的結構被認為是合理的。
（2） 反饋控制系統(tǒng)和FAC控制系統(tǒng)的性能是相當?shù)摹?
（3） 通過實驗我們證實了AP和關系相似的料槽組可以由相同的PID參數(shù)和相同的命令變量過濾器控制。
（4） 通過實驗證實了當AP和的關系不同時，命令變量過濾器的調節(jié)是有效的。
參考文獻
（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.
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14
大 連 大 學
Dalian University
本 科 生 畢 業(yè) 設 計（論文）
題 目： 硬幣自動分選清點機械設計
學 院： 機械工程學院
專 業(yè) 、班 級： 機械設計制造及其自動化 機英051班
學 生 姓 名： 常 宏 坤
指 導 教 師： 陳 殿 華
評 閱 教 師： 張 仲 偉
硬幣自動分選清點機械設計
總計：畢業(yè)論文 59 頁
表 格 4 表
插 圖 40 幅
指導教師：陳殿華
評 閱 人：張仲偉
完成日期：2009-5
硬幣自動分選清點機械設計
摘要
硬幣自動分選清點機是一種集自動分選、清點和包裝于一體的小型機械。本設計式為了使硬幣的處理更加便捷，解決現(xiàn)今社會硬幣逐步增大的流通量，以及硬幣的處理不便的問題。經對市場產品的調查研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)今已有的硬幣分選機構基本都不具備包裝功能。在此次的設計中，針對這個缺陷，設計出了以一個螺旋料槽扭動式電磁振動給料機、一個直線料槽往復式電磁振動給料機、三個縱封包裝機、一個推桿機構和三個機械手，以及電子計數(shù)器結合而成的硬幣自動分選清點機構。硬幣自動分選清點機利用電磁振動給料機的振動以對硬幣進行定向、排列與分選。螺旋料槽扭動式電磁振動給料機在本設計中承擔的主要是硬幣的定向與排列，直線料槽往復式電磁振動給料機主要運用于硬幣的分選，縱封包裝機、機械手與推桿機構組成了一個可縱封與橫封的包裝機構，電子計數(shù)器則用于硬幣的清點。根據(jù)對電磁振動給料機、縱封包裝機以及機械手電磁鐵的選用和吸力參數(shù)設計，對機械手夾緊力參數(shù)的設計和對推桿機構的參數(shù)設計及強度校核，符合所設計機械的工作要求，通過這些局部設計計算，證明了硬幣自動分選清點機的設計理論是可行的。以它的實用性，將比其他的硬幣分選機構有更高的效率。
關鍵詞：硬幣清點，自動分選，機械手，電磁振動給料機
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
II
目錄
摘 要 Ⅰ
ABSTRACT Ⅱ
1.緒論 1
2. 硬幣分選清點機構的方案設計 5
2.1總體方案的確定 5
2.2幾種機構方案的比較及最終方案的確定 5
2.3驅動系統(tǒng)性能分析與方案設計 9
2.4控制系統(tǒng)的方案設計 9
3. 各部件技術設計及參數(shù)選擇 11
3.1電磁振動給料機的設計 11
3.1.1概述 11
3.1.2電振機工作原理及物料輸送原理 12
3.1.3運動學參數(shù)的選擇和計算 20
3.1.4動力學參數(shù)選擇及計算 23
3.1.5電振機電磁參數(shù)計算 27
3.1.6振動料斗參數(shù)選擇及設計要點 28
3.2縱向熱封器的設計及參數(shù)選擇 29
3.2.1概述 29
3.2.2縱封器的設計 31
3.2.3塑料材料及熱封溫度的選擇 32
3.3熱封切斷機械手的設計 33
3.3.1概述 33
3.3.2機械手設計及參數(shù)計算 35
3.4推桿包裝機構 37
3.4.1齒輪的選擇及計算 37
3.4.2電動機的選擇 37
3.4.3齒輪的設計準則 38
3.4.4齒輪傳動的強度計算 38
3.4.5絲杠螺母參數(shù)的選擇 42
4.結論 43
致謝 44
參考文獻 45
大 連 大 學
本科畢業(yè)論文(設計)開題報告
論 文 題 目： 硬幣自動分選清點機械設計
學 院： 機械工程學院
專 業(yè) 、班 級：機械設計制造及其自動化 機英051
學 生 姓 名： 常宏坤
指導教師（職稱）： 陳殿華（教授）
2009年 3月 5日填
畢業(yè)論文(設計)開題報告要求
開題報告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質量畢業(yè)論文(設計)的有效保證。為了使這項工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。
一、選題依據(jù)
1．論文(設計)題目及研究領域；
2．論文(設計)工作的理論意義和應用價值；
3．目前研究的概況和發(fā)展趨勢。
二、論文(設計)研究的內容
1．重點解決的問題；
2．擬開展研究的幾個主要方面(論文寫作大綱或設計思路)；
3．本論文(設計)預期取得的成果。
三、論文(設計)工作安排
1．擬采用的主要研究方法(技術路線或設計參數(shù))；
2．論文(設計)進度計劃。
四、文獻查閱及文獻綜述
學生應根據(jù)所在學院及指導教師的要求閱讀一定量的文獻資料，并在此基礎上通過分析、研究、綜合，形成文獻綜述。必要時應在調研、實驗或實習的基礎上遞交相關的報告。綜述或報告作為開題報告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順，較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎。
五、其他要求
1．開題報告應在畢業(yè)論文(設計)工作開始后的前四周內完成；
2．開題報告必須經學院教學指導委員會審查通過；
3．開題報告不合格或沒有做開題報告的學生，須重做或補做合格后，方能繼續(xù)論文(設計)工作，否則不允許參加答辯；
4．開題報告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導教師；
5．開題報告的內容，要求打印并裝訂成冊(部分專業(yè)可根據(jù)需要手寫在統(tǒng)一紙張上，但封面需按統(tǒng)一格式打印)。
一、選題依據(jù)
1．論文(設計)題目
硬幣自動分選清點機械設計
2．研究領域
機械制造及其自動化—機電一體化
3．論文(設計)工作的理論意義和應用價值
本課題來源于流通市場實際需要。針對自動售貨機、公交車收款機等硬幣流通的現(xiàn)狀，開發(fā)設計適合實際、高效可靠的硬幣自動清點包裝機械，以適應市場的需求。
在日常生活中，由人工清點硬幣，包裝硬幣是一項非常煩瑣的工作，效率低，速度慢，造成了人力資源的巨大浪費。硬幣伴隨著人們的衣食住行，在社會中大量的流通，超市、公交公司等地方是硬幣大量集中的地點，每天都會有數(shù)以萬計的硬幣，如果由人工清點，將會造成巨大的人力資源浪費，因此用機械清點并包裝硬幣將是以后的發(fā)展趨勢。
近年來，隨著科學家們在各個領域的突破，計算機、工業(yè)機器人和機械設備等的結合并應用于日常生活中，為人們的生活提供了極大的便利。硬幣是人們生活中不可或缺的東西，每天數(shù)以億計的硬幣需要分選清點，為了解決這一生活生產中的難題，近年來越來越多的人開始關注這方面的問題，也有研究所開始著手設計制造硬幣自動分選機構，現(xiàn)已有多種硬幣自動分選機構，但還不廣泛，這些機構也未在社會上廣泛使用。隨著工業(yè)生產自動化的發(fā)展，這種由振動供料機、機械手和包裝機組成的硬幣分選清點機構將得到大力推廣，其中的振動供料機是輸入傳輸裝置，主要作用是將不同種類的硬幣送入多路分選裝置，包裝機是用于將清點分選好的硬幣包裝，便于硬幣的存放，機械手則用于傳送包裝好的硬幣。這種機構設備主要用于分選和清點1元、0.5元及0.1元的硬幣。
同時，這種非工業(yè)用途的機械設備，其意義遠不僅是它們自身所能帶來的直接經濟價值。這類機械設備往往是各種領域最新技術的交叉實驗平臺，在新型機器手、振動供料機和包裝機上應用的新技術有可能很快就出現(xiàn)在其他領域的實際產品中，不但促進了新型機器手、振動供料機和包裝機的發(fā)展，也帶動了其他相關領域產品的進步。
此次設計的機械設備就是為了促進機械創(chuàng)新的發(fā)展，按照這一理念，為了硬幣分選工作的速度與效率而設計的，通過此次設計可以檢驗我們大學四年所學過的理論知識，提高創(chuàng)新能力，很有意義。
4．目前研究的概況和發(fā)展趨勢
隨著現(xiàn)今社會的進步，每天市場上流通的硬幣越來越多，隨之而來的硬幣清點分選工作也是大大的加重了，這樣每天不僅加大了員工的工作量和一些不必要的花費，所以硬幣自動清點分選機構將孕育而生，并得到廣泛的應用，擁有良好的發(fā)展前景。目前有一種硬幣分選機構，硬幣自動分選機的設計原理有四部分,即輸入傳輸裝置、多路分選裝置、分類收集裝置、計數(shù)統(tǒng)計裝置。硬幣自動分選機的設計依據(jù)是：利用偏心輪電機產生振動，使硬幣定向移動進入多路分選裝置；再利用絲杠旋轉力傳送硬幣，當不同規(guī)格的硬幣通過相應的檢測分離孔時，被檢出進入分類收集裝置；利用單片機編程、光電計數(shù)控制電路等多種知識和技術，使其分選效率好，計數(shù)準確。輸入傳輸裝置的主要作用是將不同種類的硬幣自動進入多路分選裝置。輸入傳輸裝置位于多路分選裝置的上部。輸入傳輸裝置包括硬幣輸送盒、輸入導軌、控制擋板和振動等部分組成。輸送盒固定在具有一定位移的絲杠片上。輸送盒的里面的進口端略高于出口端，輸送盒出口端裝有3組輸入導軌，引導硬幣進入分選裝置；輸送盒的上部安裝控制擋板，防止硬幣疊加進入輸入導軌；輸送盒的底部安裝一個裝有偏心輪的微型電機，當接通電源時產生振動。
多路分選裝置設計為3路，主要作用是將規(guī)格不同的硬幣進行分類篩選，規(guī)格相同的硬幣從各路中匯集到同一收集裝置。多路分選裝置包括輸送部分和檢測分離部分組成。輸送部分為3路，由4個螺旋絲杠組成。4個螺旋絲杠水平并列在一起，兩個絲杠為一組，共構成3組，一組兩個絲杠分別加工為左旋和右旋，傳動時相向旋轉，使硬幣在兩個絲杠之間向前移動。每個絲杠固定在傳動軸上，其中一端安裝傳動齒輪，相互嚙合，由一微型電機棗減速器機組帶動。分離檢測部分位于每對絲杠下面，根據(jù)硬幣直徑大小設有檢測分離孔。
目前市場上主要流通四種面值的硬幣，1元、0.5元和兩種0.1元，直徑分別為25mm、20mm、22mm和19mm（兩種0.1元直徑大小不同）。檢測分離孔按照硬幣移動方向進行分布，先小孔后大孔，共有4種，根據(jù)硬幣直徑設計為矩形口，4種檢測分離孔線性連接在一起，使硬幣在其上面能夠連續(xù)移動,在檢測分離孔前有一過渡孔，使硬幣落入時起到定位和過渡作用。因此，每路硬幣分選順序是：0.1元（?。?、0.5元、0.1元（大）、1元。由于硬幣直徑差別很小，檢測分離孔加工精度要求很高，硬幣立面必須垂直位移方向，因此每組絲杠對稱性要好。
分類收集裝置位于多路分選裝置下面。主要作用是將分選出的硬幣進行分類收集。分類收集裝置由4個導軌和收集盒組成。導軌帶有一定傾斜角度，能夠使落入的硬幣快速滑落到收集盒中。4個導軌分別接受不同規(guī)格的硬幣，導軌位置與分選裝置的檢測分離孔相對應。
計數(shù)顯示裝置的光電計數(shù)器安裝在分類收集裝置上，主要作用是將每路分選出的不同規(guī)格的硬幣進行分類統(tǒng)計。計數(shù)顯示裝置由數(shù)碼顯示屏（LCD）、單片機（51系列）、光電計數(shù)器、光電計數(shù)控制電路組成。數(shù)碼顯示屏安裝在硬幣分選機面板上，可以顯示四種硬幣的統(tǒng)計結果，以及總的金額數(shù)。面板上還設置5個功能鍵，分別為合計、1元、0.5元、0.1元、復位鍵。單片機用于控制顯示參數(shù)以及各種功能設置編程。光電控制電路用于硬幣計數(shù)。計數(shù)顯示裝置的工作原理是，從多路分選裝置分選出同一規(guī)格的硬幣，進入分類裝置時，由光電計數(shù)器將落入的硬幣進行計數(shù)，計數(shù)結果不斷輸入單片機，進行統(tǒng)計和顯示。當硬幣分選工作完成時，可以按下面板按鍵，通過顯示屏查閱硬幣總錢數(shù)，以及不同面值硬幣的總數(shù)。重新工作時按下復位鍵，計數(shù)器清零，可以繼續(xù)進行。
硬幣自動分選機，配置3路直流穩(wěn)壓電源，給顯示屏、單片機、傳輸電機和振動裝置等供電，并且電壓可調整。圖如下
二、論文(設計)研究的內容
1．重點解決的問題
振動供料機、包裝機和機械手的結構設計和驅動；振動供料機、包裝機和機械手運動的探討；保持一定的速度和硬幣種類（1元、0.5元、0.1元）
2．擬開展研究的幾個主要方面(論文寫作大綱或設計思路)
(1) 確定合理的振動供料機、包裝機和機械手運動方案；
(2) 進行振動供料機、包裝機和機械手運動參數(shù)設計；
(3) 繪制振動供料機、包裝機和機械手運動機構的裝配圖及其零件圖；
(5) 編寫設計說明書。
3．本論文(設計)預期取得的成果
通過采用文獻資料收集、調查問卷等方式，了解現(xiàn)在硬幣清點分選機的發(fā)展趨勢、相關技術的對比及市場前景，完成振動供料機、包裝機和機械手的整體設計，實現(xiàn)振動供料機的傳輸作用，包裝機包裝和機械手的傳遞作用，理論上可以進行硬幣自動分選清點。
三、論文(設計)工作安排
1．擬采用的主要研究方法(技術路線或設計參數(shù))
本課題是融機械設計、氣動技術、控制技術為一體的綜合技術項目。雖然有一定的難度，但是目前各項技術都已比較成熟，有關的硬件條件已基本具備，因此，方案是可行的。
設計參數(shù)：硬幣種類（1元、0.5元、0.1元）
（1）機構設計：
執(zhí)行構件的運動設計：1 執(zhí)行構件的數(shù)目
2 執(zhí)行構件的運動形式和運動參數(shù)
原動機的類型及其運動參數(shù)的選擇
各個執(zhí)行構件間運動的協(xié)調配合和機械的工作循環(huán)圖
（2）機構傳動構件設計：1 振動供料機裝配圖紙1
2 包裝機裝配圖紙1
3 機械手裝配圖紙1
4 硬幣自動分選清點機械裝配圖紙1
2．論文(設計)進度計劃
第一周至第二周:查閱相關資料，并進行市場調查了解硬幣自動分選清點機械機構的發(fā)展趨勢。
第三周至第四周:根據(jù)指導老師的要求完成開題報告。
第五周至第六周:確定硬幣自動分選清點機械機構的方案，并進行初期設計。
第七周至第八周:在老師的指導下確定最后方案。
第九周至第十二周:繪制所有的裝配圖和零件圖。
第十三周至第十四周:完善工作、技術總結、撰寫說明書。
第十五周:準備答辯。
四、需要閱讀的參考文獻
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附:文獻綜述
近年來，隨著科學家們在各個領域的突破，計算機、工業(yè)機器人和機械設備等的結合并應用于日常生活中，為人們的生活提供了極大的便利。硬幣是人們生活中不可或缺的東西，每天數(shù)以億計的硬幣需要分選清點，為了解決這一生活生產中的難題，近年來越來越多的人開始關注這方面的問題，也有研究所開始著手設計制造硬幣自動分選機構，現(xiàn)已有多種硬幣自動分選機構，但還不廣泛，這些機構也未在社會上廣泛使用。隨著工業(yè)生產自動化的發(fā)展，這種由振動供料機、機械手和包裝機組成的硬幣分選清點機構將得到大力推廣，其中的振動供料機是輸入傳輸裝置，主要作用是將不同種類的硬幣送入多路分選裝置，包裝機是用于將清點分選好的硬幣包裝，便于硬幣的存放，機械手則用于傳送包裝好的硬幣。這種機構設備主要用于分選和清點1元、0.5元及0.1元的硬幣。
其中運用到了振動供料機，包裝機和上下料機械手。電磁振動給料機是由電磁激振器驅動的一種振動機械。它的用途很廣，例如，用來向皮帶運輸機、斗式提升機給料以及為工業(yè)窯爐定量配料等。在輕工業(yè)機械中電振機也有廣泛的應用，例如在糖果包裝、鐘表元件加工、鉛筆橡皮頭裝配等生產環(huán)節(jié)中均有應用。
目前，輕工業(yè)生產中應用的電振機主要有直線料槽往復式和螺旋料槽扭動式兩種形式。前者料槽作往復直線運動，適合于不需定向排隊的輕小物料的供送；后者簡稱振動料斗，帶有螺旋槽的圓形料斗作扭轉振動，適合于不需定向排隊的單件物品的供送。
這兩種類型的電振機都由三個主要部分組成：
1) 槽體部分：包括料槽或料斗、銜鐵、主振彈簧。
2) 電磁激振器部分：包括激振器殼體、鐵心及線圈、配重等。
3) 減振器部分：包括心座支撐彈簧或懸掛彈簧。
電振機是利用電磁力驅動和機械共振原理進行工作的，它與其他供料機相比有以一些優(yōu)點：
1) 無動力機及變速傳動機構，沒有摩擦運動部體，結構簡單，不需潤滑，而且重量輕，便于維護。
2) 供料速度可調，可適應多種物料，調整方便。
3) 靠微小振動使物料單方向運動，無強烈攪拌、撞擊、摩擦等現(xiàn)象，故機體不易損壞，使用壽命長。
4) 電振機是在近共振狀況下工作的，所需激振力較小，節(jié)能。
5) 電振機可與電子稱聯(lián)動實現(xiàn)定量給料的自動控制。
隨著市場經濟的發(fā)展，包裝工業(yè)在國民經濟中所占比重和作用也越來越大。我國成功加入WTO后，全球經濟貿易一體化進程的發(fā)展促使商品流通領域的競爭更加激烈，人們在追求商品內在質量的同時，對商品包裝要求也越來越高。
包裝機械在包裝工業(yè)中的地位十分重要，對包裝工業(yè)現(xiàn)代化具有舉足輕重的作用。它可以提高勞動生產率，改善生產環(huán)境，降低生產成本，提高商品檔次，增加附加值，從而增強商品的市場競爭力、帶來更大的社會效益和經濟效益。
進入到20世紀80年代后，我國的包裝機械的生產和設計取得了巨大的發(fā)展，大量填補國內空白的包裝機械問世，品種規(guī)格不斷增加，同時出現(xiàn)了很多包裝機械生產企業(yè)，許多研究機構著手研究包裝機械，高等院校也紛紛設立包裝工程專業(yè)，從而形成了一個獨立的包裝機械行業(yè)。進入21世紀，包裝機械除繼續(xù)增加新品種外，在產品的技術水平、內在質量和性能等方面都有很大的進步，這一切都與包裝機械的設計有著密切的聯(lián)系。
現(xiàn)代工業(yè)生產，如食品、醫(yī)藥、日用品、化工產品、電子產品等生產中，主要包括三大基本環(huán)節(jié)，即原料處理、中間加工和產品包裝。包裝是工業(yè)生產中相當重要的環(huán)節(jié)。包裝機械是使產品包裝實現(xiàn)機械化、自動化的根本保證，因此包裝機械在現(xiàn)代工業(yè)生產中起著相當重要的作用。
1. 大幅度地提高生產效率 如啤酒灌裝機的生產率可高達36000瓶/h，這是手工灌裝機無法比擬的。有如蛋形巧克力的包裝，用手工包裝每人每班可包裝20kg，而用機械包裝，每人每班可包裝250kg以上。
2. 降低勞動強度，改善勞動條件 如手工包裝糖果，一個工人8h要重復動作80000多次；再如人工袋裝化肥，粉塵飛揚污染環(huán)境等。如果廣泛地采用包裝機械代替手工包裝，不但能將包裝工人從繁重的體力勞動中解放出來，而且還大大地改善了工人的勞動條件。
3. 保護環(huán)境，節(jié)約原材料，降低成本 手工包裝液體產品時，易造成產品外濺；包裝粉狀產品時，往往造成粉塵飛揚，既污染環(huán)境，又浪費了原材料。采用機械包裝能防止產品的散失，既保護了環(huán)境，又節(jié)約了原材料。
4. 有利于被包裝產品的衛(wèi)生，提高產品包裝質量，增強市場銷售的競爭力 有些產品的衛(wèi)生要求很嚴格，如藥品、食品等，采用機械包裝，避免了人手和藥品、食品的直接接觸，減少了對產品的污染。同時由于機械包裝速度快，食品、藥品在空氣中停留時間短，從而減少了污染機會，有利于食品和藥品的衛(wèi)生。
另外，由于包裝機械的計量精度高，產品包裝的外形美觀、整齊、統(tǒng)一、封口嚴密，從而提高了產品包裝的質量，提高了產品銷售的競爭力，可獲得較高的經濟效益。
5. 延長產品的保質期，方便產品的流通 采用真空、換氣、無菌等包裝機，可使食品和飲料等的流通范圍更加廣泛，延長食品的保質期。
6. 可減少包裝場地面積，節(jié)約基建投資 當產品采用手工包裝時，由于包裝工人多，工序不緊湊，所以包裝作業(yè)占地面積大，基建投資多，而采用機械包裝，產品和包裝材料的供給是比較集中的，各包裝工序安排比較緊湊，因而減少了包裝的占地面積，可以節(jié)約基建投資。
隨著我國工業(yè)生產的飛躍發(fā)展，自動化程度的迅速提高，實現(xiàn)的裝卸、轉向、輸送或操持焊槍、噴槍、扳手等工具進行加工、裝配等作業(yè)的自動化，已越來越引起人們的重視。
機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率；可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現(xiàn)安全生產；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的應用。
通過對本次設計題目的深刻理解，對設計機構各個部分的深入分析，對現(xiàn)市面上已出現(xiàn)的硬幣分選機的認識，本次設計將采用一個電磁振動供料機，一個三道的直線振動滑道，一個熱封包裝機和一個上下料機械手組合而成。
審 核 意 見
指導教師評閱意見（對選題情況、研究內容、工作安排、文獻綜述等方面進行評閱）
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教研室主任意見
簽字： 年 月 日
學院教學指導委員會意見
簽字： 年 月 日
公章：
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