1、硬币自动分选计量机械设计1 绪论机械行业是我国的一个重要的行业，是我国国民经济的支柱，可以说，没有机械行业就没有国民经济的现代化。在过去，机械行业曾被称之为“夕阳工业”，意思是说没有发展前景的工业，但事实并非如此，机械行业以他雄厚的实力和顽强的生命力生存了下来，到现在为止已成为我国最重要的行业，机械行业关系到人们的衣、食、住、行，可以说他于人们的生活息息相关。机械行业近几年不仅得到了飞速发展，与机械相关的其他行业也有了较大的发展，特别是自动机械行业，机电一体化行业。自动机械行业的发展带动了机械行业的飞速进步，他的优越性主要体现在“自动”上，减少了以往的靠人的劳动，节约了生产力，提高了劳动生产率
2、，降低了成本，获得了大的经济效益。1.1 自动化生产概述1.1.1 自动机械的分类工业产品生产的全过程中，使用的生产机械设备有两大类，一类为通用设备，另一类为专用设备。从目前发展的趋势看，专用设备正逐步向半自动化、自动化机械方向发展。因此。我们这里着重研究自动机械的分类。自动机械从不同的观点出发，可以有很多的分类方法。例如按行业分类，按产品生产工艺过程的性质分类，或按机械的结构功能分类。这里，我们从研究自动机械的设计方面出发，按其结构和功能分类，概括为四大类型：(1)成型机械 其特点为多用模具来进行制品的成型，更换模具及工艺参数，即可生产不同规格的产品。主要工艺原理为热塑、注塑以及冲压等。(2
3、)加工处理机械 以刀具为切削工具，例如片皮机、切梗机、切蜡机等。要求的动作包括供料、 上下料、加紧、引进、切削、松开等。(3)装配机械 靠装配用工具或机械手，按规定程序进行操作，将零件装配成部件或产品，装配过程中常伴有一些简单的成型或加工动作，如灯泡芯柱机、制鞋机、绷丝机等。(4)包装机械 这等机械从功能上和原理上都类似于装配机械，因工艺原理有一定的特殊性，故形成一种独立的机械类型。其动作包括材料与物料的输送与供料，称量、包封、巾标、计数、成品输送等。如包封机、灌装机、制袋充填机、捆扎机等均属此类。1.1.2 自动机械的结构组成1）典型机械设备的操作过程以下十个动作是典型机械设备的动作。由于制
4、品、工艺原理及机械设备的结构不同，不可能每台机械都同时具备。这些动作中有些可以进一步再分为几个独立的动作。（1） 被制物品的输送与安装（2） 物品的夹紧（3） 工具或物品向加工位置引进（4） 机械的启动（5） 物品为加工制作，包括成型、切削、装配等（6） 工具或物品加工完后的退出（7） 制品的检验（8） 停车（9） 松开制成品（10） 卸下制品及送出至规定的位置2）自动机械的操纵过程自动机械是在没有操作人员的直接参与下，各个机构能自动实现协调动作，在规定的时间内完成规定的动作循环。所谓操作人员不直接参与，是指除人工定期成批工料外，其余动作不需要人工操纵。每个工作班的开始或每次进行调整后，首先由
5、人工将加工所需的物料（对加工和成型类机械为原材料或批料）成批的装入储料箱中，启动机械后供料装置卸下成品，立即自动开始第二次供料并重复同上的操纵。如此周而复始自动完成动作循环并周期的或连续的给出制品，直至下一次因停班，调整或因故障而自动或人工停车为止。3）自动机械的结构组成自动机械的结构组成可划分为四大组成部分：（1）驱动部分（2）转动部分（3）执行部分（4）控制部分1.2 自动机械设计的要求设计自动机械，应以满足使用要求和保证生产率为前提，作到技术先进，经济合理，一般有以下列指标来衡量；1）使用性能（1）运动平稳性 具有足够的强度和刚度，能保持规定的运动精度。（2）可靠性 设备在规定的条件下，
6、在规定的时间内，完成或保持其规定的工作能力称为可靠性，故障率小，可靠性越高。（3）产品质量的稳定性（4）加工精度的保持性（5）对环境的适应性（6）使用维修方便，操作简单安全2）技术性能（1）具有一定的灵活性，能适应一定范围产品规格品种变化的要求。（2）与有合理的自动化程度。要根据需要和可能性来综合考虑，不能脱离具体条件而盲目追求先进性（3）彻底标准化、通用化和系列化。（4）结构简单，制造容易，成本低。（5）生产率高、销路高、能耗少。（6）节约材料，特别是要节约贵重和希有的金属材料。3）其他 （1）减轻劳动强度，改善劳动条件，不污染环境，讲究技术美学，创造文明生产条件。（2）留有发展余地，要有可
7、能改进而不致造成全机废弃。1.3 硬币自动分选计量技术及其应用大面值货币电子化、小面值货币硬币化是世界各国货币发行的趋势。随着硬币在自动售货机、公交车等场合的普及应用,目前银行手工包卷硬币的方式已不能满足大量硬币处理的要求。全自动硬币计数包卷机正是为了适应这一需求而设计的。硬币自动分选计量机械设计是现在发展的必然趋势，它将进一步取代机械性的操作，提高了劳动生产效率，并且还能给生产带来许多方便且用途十分广泛，是今后社会发展的必然趋势。有以下优点：（1） 能够对大量的硬币进行高速计数和包卷,并且还具有一定的分拣功能。（2） 代替人们的手工操作，减轻了劳动成本（3） 使生产效率进一步提高。所以硬币自
8、动分选包装机械设计是当代研究比较活跃，应用日益广泛的项目。随着科学技术的发展，硬币自动分选包装机的功能和可靠性不断提高，应用范围也不断扩大。我们相信硬币自动分选计量机的设计将进一步向高智能化、自动化、人性化的方向发展，在不久的将来将会看到有各种各样的类似产品在更多的领域为人类服务。1.4 硬币自动分选计量机械设计的作用和目前状况 硬币自动分选计量机是现代化社会生产中自动机械设计的一个突破。是许多小面值货币流通的场所需要的设备。它主要目的是把社会流通的硬币进行分选、记数、包装，便于人们的劳动及提高劳动生产效率。本次设计题目为硬币自动分选计量机械设计，本项目属于应用于现代化的创新性设计。该设备主要
9、用于多种硬币的分选、记数、包装，该设备实现了自动化操作，达到高效、可靠、生产效率提高、减轻劳动成本的目的。在目前国内的小面值货币流通的领域中，硬币分选计量大多为人工操作，生产效率低，浪费劳动成本。所以说，此设备的研制可以改善这一状况，节约劳动力成本，提高劳动生产效率。1.5 硬币自动分选计量机械设计的系统组成硬币自动分选计量机的主要功能是实现硬币的自动分选、计数和包装。它主要由机械系统，控制系统两部分组成。机械系统可分为7个主要功能单元，各个功能单元具有一定的独立性。（1）硬币的堆放和首次分选功能。（2）硬币的二次分选功能。（3）硬币的分选记数功能。（4）硬币的堆码、整理功能。（5）顶杆顶硬币
10、堆码功能。（6）薄膜输送、包装功能。（7）机械手夹断，封边功能。 图1-1 硬币自动分选计量机械设计的原理图1、斗式电磁振动送料机 2、滑道3、槽式电磁振动送料机 4、滑道 5、包装机构 6、包装切断机械1.6 硬币自动分选计量机械设计的经济性、环保性当今社会是注重经济的社会，也是注重环保的社会。在现代化日益发展的社会，需要是具有经济性和环保性的自动化产品。我所设计的硬币自动分选包装机械正是符合这一要求的自动化产品。大面值货币电子化、小面值货币硬币化是世界各国货币发行的趋势。随着硬币在自动售货机、公交车等场合的普及应用，劳动效率低的手工包卷硬币的方式已不能满足大量货币的处理要求。我所设计的硬币
11、自动分选计量机不仅提高了劳动生产率，节约了劳动成本，而且还无污染。所以说，硬币自动分选包装机械是具有经济性和环保性的自动化产品。2 硬币自动分选机构2.1 硬币自动分选机构的概述硬币自动分选机构主要应用的是电磁振动送料机，它是由电磁激振器驱动的一种振动机械，用途很广。本次设计中应用两个电磁振动送料机，斗式电磁振动送料机和槽式电磁振动送料机。下面简单的介绍一下电磁振动送料机。1）适用范围：这种料斗进给装置能够处理多种类型的工件，对工件形状无任何特殊限制，比较容易受损伤的工件也可用这种料斗来处理而不会损坏。2）概述：工件可以成批地装入料斗，通常采用多片倾斜的叶片弹簧来支撑料筒，弹簧的两端分别可靠地
12、与筒形料斗和重型底座连接。在料斗和底座之间还装有振动部件，使料斗在垂直平面上往复运动同时在水平平面上振动。这两种运动的合成，使工件朝着料斗的侧壁向外移动，并使工件在环绕料斗内表面的螺旋形料梯上向上攀登，当到达料梯的顶端时，工件穿过料斗的侧壁进入进给滑槽中。3）料堆的分离作用：料斗的底部做成略带凸壮或锥形，使工件在振动的影响下环绕着料斗缓慢地旋转时能产生朝外的运动，接近料斗侧壁的工件到达料梯时开始向上攀登。料梯的宽度要做得正好使工件能排成单列，从而获得分离作用。4）定向作用：料梯中通常装有一系列选择装置，用来使工件定向。选择装置检测攀登过程中工件的置放状态，定向正确的工件能通过所有的选择装置，而
13、定向不正确的工件则被排回料斗。5）料斗：料斗是一具有顶部开口的圆筒，其侧壁基本上是垂直的底部略带凸状或锥形。料斗可用钢板制成或用铝合金铸成，但其底部必须足够坚固以避免附加的振动。在用铝合金铸成的料斗中，料梯可与料斗一起铸出，以减小共振现象，因此，这种料斗工作时噪音较小，并提高了疲劳强度，假如料斗的底做成是可以拆卸的，那么用钢板来制造料斗就较为经济。6）进给速率可通过下列方法进行调整：(1)改变振幅,一般通过改变电磁式振动器的电压来达到。(2)采用多条料梯和几条进给滑槽。(3)在一个振动部件上叠加两个或更多个料斗。(4)在料斗的内表面上和料梯上粘合聚氯乙烯或橡胶一类的材料，以增加有效的摩擦力。这
14、种料斗进给装置对料堆的重量很敏感，料堆重量增加时会使进给不稳定。工作时有噪音，但如按照上述第（4）点在料斗和料梯上加粘衬垫，则可减轻由工件撞击而产生的噪音。对于装有可拆卸料梯的料斗，常配有可更换的料梯零件，这样就能很快地更换选择装置以处理各种类型的工件。当工件在料梯上攀登时，有一个力作用在工件上，使工件趋向定向装置，对这个力加以利用，就可以在料斗内部完成复杂的定向动作。7）典型设备的尺寸和速度：根据已知的材料得知，筒形料斗的直径自75毫米到1000毫米。直径为300毫米的料斗，其典型的进给速度为每分钟6米。8）工件损坏的可能性：如果不采取过快的进给速率，由于这种料斗进给装置的动作很轻缓，所以损
15、坏的可能性很小或没有损坏的可能性。9）驱动：电磁式或气动式振动部件，这里采用电磁式。10）优缺点：电磁振动送料机是利用电磁力驱动和机械共振原理进行工作的，它与其他供料机相比有以下一些优点：（1）无电动机及变速传动机构，没有摩擦运动部体，结构简单，不需润滑，而且重量轻，便于维护。（2）供料速度可调，可适应多种物料，调整方便。（3）靠微小振动使物料单方向运动，无强烈搅拌、撞击、摩擦等现象，故机体不容易损坏，使用寿命长。（4）电磁振动送料机是在共振状态下工作的，所需激振力较小，节能。（5）电磁振动送料机可与电子秤联动实现定量给料的自动控制。11）电磁振动给料机的缺点（1）不适合于处理黏性较大的、带有
16、油污的、水渍的清薄片状的物料。（2）设计或调整不合适时会产生较大振动和噪声。2.2 硬币自动分选机构的分类及组成振动送料机从结构上分直线料槽往复式和圆盘料斗扭动两类。直槽式一般作为不需要定向整理的粉粒状物料的给料器，或用于对物料进行清洗、筛选、烘干、加热或冷却的操作机；圆盘式一般作为需要定向整理的上料器，多用于具有一定形状和尺寸的物料的场合。如果从激振方式来区分，振动送料机还可分电磁激振式、机械激振式及气动激振式等。电磁激振式多用于圆盘式振动上料器和部分中小型直槽式振动上料器。一般对所用的电磁铁采用半波整流供电或交流供电，而机械激振式或气动激振式多用于大中型直槽式振动上料器，一般激振频率为10
17、-25Hz；机械激振源可采用偏心轮、凸轮或曲柄连杆机构来实现。为了使振动上料器的工作平稳，一般用调压电源或调速电机驱动，以便于实现自动控制。电磁振动送料机一般由四个部分组成：（1）槽体部分 包括内壁有螺旋槽的料斗，固定在料斗底部联接件上的支持弹簧、衔铁；（2）电磁铁 包括装在底盘上的铁芯、线圈、气隙调节装置等；（3）减振部分 包括底座及橡胶减振器；（4）供电部分 包括多头开关，整流、调压装置及光电自动控制装置。2.3 硬币自动分选机构的典型结构图所示为一种单电磁铁斗式振动送料机的结构。圆盘式料斗由内壁带螺旋槽的料斗和顶部呈锥行的斗底组成。料斗的底部用联接块与三个支持弹簧片相联接。弹簧片的下部用
18、联接块固定在底盘上。这三个倾斜安装的弹簧片沿长度方向的中线，在水平面上的投影，正好与半径为r的圆相切。这个分布圆的直径一般与料斗的平均直径D相等。在斗底下面的中央，固定着衔铁，电磁激振器的铁芯和线圈则通过气隙调整机构，安装在底盘上，再通过减振弹簧与底盘联接。出料口由光电自动检测器控制“开”或“闭” 。小型料斗的螺旋槽常与料斗做成整体式。中、大型料斗的螺旋槽常采用镶片式，即先将料斗内壁镗出一条2-3mm深的螺旋槽，然后将径向切开的圆环板片压弯成螺旋行，再镶焊在螺旋槽上。也有利用钣金加工，将薄钢板压弯成型后，再镶焊到圆盘内的。对一些小型工件用的振动送料机，还可以用组合式结构。 图21斗式电磁振动送
19、料机1、料斗 2、螺旋槽 3、斗底 4、衔铁 5、电磁铁6、支持弹簧7、底盘 8、联接块 9、减振弹簧 10、底座其螺旋槽为外螺旋槽，用结构为多头螺旋槽或多排并列螺旋槽的料斗。为了使工件能顺利地从料斗底部滑入螺旋槽的起点料斗底部应做成锥形，一般锥顶角为170-176。对摩擦系数较大，或小尺寸的片状工件，其锥角应取小些。为了消除噪声，可以在料槽表面粘一层耐磨橡皮或整个料斗都用硬塑料制成。为了防止电磁铁的磁力线穿透料斗底部而磁化工件，可在料斗底下装一块铝片或铜片进行屏蔽。2.4 硬币自动分选机构的工作原理电磁振动送料机工作时，将交流电经半波整流后，接通电磁铁的线圈，则在Ta 瞬间吸力最大，衔铁被吸
20、向下，使料斗压着片簧向下振动，而在Tb瞬间吸力减小为零，片簧向上弹推，迫使料斗向上振动，这样，一吸一推，使料斗产生伴随着扭动的上下振动。图22 电磁振动送料机工作原理图1-物料 2-送料槽体 3-弹簧 4-衔铁 5-线圈上图22（a）中物料放在由主振弹簧3支撑的供料槽体2上，衔铁4与主振弹簧联成一体，绕于铁心上的线圈5中流过的是经过半波整流后的单向脉动电流，电磁铁就产生了相应的脉冲电磁力。图22（b）表示在正半周期内线圈中有电流流过，铁心便产生一次脉冲电磁力吸引衔铁，使槽体向后运动，主振弹簧因此而变形，贮存了一定的势能；在负半周内线圈中无电流通过，电磁力消失，弹簧就恢复变形，带着槽体向前运动，
21、在达到振幅位置之后又返回向后运动。由于电磁力是一个周期变化的强迫作用力，因此电振机是一个以电磁力为周期干扰力的强迫振动系统。 图23 电磁吸力变化曲线2.4.1 斗式硬币自动分选机构在斗式电磁振动送料机中，它的运动方式是做扭转运动，硬币在料斗中随着惯性向前运动，在料斗的侧面开出三个滑道，在料槽中有不同大小的椭圆形小孔，符合规格的硬币通过小孔直接落入滑道， 分选1毛硬币的滑道在最下面，分选5毛硬币的滑道在中间，1元硬币的滑道在最上面。斗式电磁振动送料机起到的是首次分选1元、5毛、1毛硬币的作用。2.4.2 槽式硬币自动分选机构和斗式电磁振动送料机的分选过程不同的地方就是他的工作表面是直线槽形的，
22、并且槽式电磁振动送料机做的是直线往复运动，物料在里面的运动是水平的。物料经过滑道进入到槽式电磁振动送料机，在槽式振动送料机上有三层滑道，每一层有三个滑道。第一层分选的是1元硬币，第二层是分选5毛的硬币，第三层是分选1毛的硬币。在每一层槽的底部开有椭圆行的槽，使不符合规格的硬币直接落入下面的滑道中，从而达到硬币的二次分选。图24 槽式电磁振动送料机1、振动料斗 2、滑道 3、衔铁 4、电磁铁 5、线圈 6、隔振座7、橡胶垫 8、底座槽式电磁振动送料机的滑道 为了提高选别机构的精确度，设计了槽式电磁振动送料机选别机构的滑道。此滑道主要是便于硬币的选别，提高精度。滑道采用铸造，材料为球墨铸铁。以1元
23、硬币的滑道为例，滑道的视图和具体尺寸如下所示： 图25 槽式电磁振动送料机的滑道2.5 硬币自动分选机构的主要设计参数2.5.1 振动送料机给料速度的估算振动送料机的给料速度，一般用于工件在料槽上运动的平均速度来估算。它不但取决于料槽的倾角、振动升角和工件的形状、尺寸及二者之间的摩擦系数，还同电磁铁的激振频率f和料槽方向振幅Ax的大小有关。料斗结构确定之后，工件的平均速度为： 平均=maxk=fAxk(mm/s)式中 max-料槽的最大速度 (mm/s)； k-速度损失系数，它主要受料槽和工件结构因素的影响。由实验测得：若工件沿料槽滑移前进时，k=0.60.7；若工件作跳跃前进时k=0.80.
24、82。 因此振动送料机给料速度可由下式估算： = =k式中f-电磁铁激振频率（1/s）l-工件长度(mm)-充满系数，即料槽全长上工件占有位置的百分数。形状简单而表面光滑的工件=0.70.9，复杂而又带毛刺的工件=0.40.5。为了检测方便可改写为：=式中Ay-在垂直料槽方向测得的振幅（mm）。一般送料速度为100200件/min 。2.5.2 振动送料机料槽升角，振动升角及振动方向角的确定（1）料槽升角角由料斗升程及中径大小确定，料槽升角的大小影响上料速度，角太大会降低上料速度，甚至无法上料。角小些，则上料速度提高，但升程减小，一般取=13。对摩擦系数大的工件，如橡胶制品等，可取大些（45）
25、。如前所述，工件向前滑移的条件为+1-1，在极端情况下，令+1=-1，可得许可的最大料槽升角max为： tgmax=f2tg式中 f-工件与料槽之间的摩擦系数。为了使工件有较大的上料速度，实际角应比max小些，即kmax式中 k可靠系数，一般取0.7 0.8。（2）振动送料机升角 一般来说，振动升角由主振簧的安装角及料槽的升角确定。角大小直接影响着作用在工件上的惯性力在垂直和水平两个方向上分量的比例。因此角的选择应保证在其它条件相同的情况下，使工件沿料槽前进的速度最大。 一般当激振频率f=100HZ时， =1016；当激振频率f=50HZ时, =2025。（3） 振动方向角的选择振动方向角的选
26、择应有两个原则，一是要尽量提高输送速度，二是要考虑物料性质的要求。在振动幅与振动次数确定的情况下（即K值一定）物料输送速度v是随着振动方向角的变化而变化的，对应于最大输送速度的角称为最佳振动方向角。当选择有抛掷运动工作状态时，槽体在不同倾角下对应于每一个机械指数K有一个最佳振动方向角。下图26就是在不同的倾角下最佳振动方向角与机械指数K的关系曲线。26 最佳振动方向角与机械指数K的关系此外，振动方向角的选择还应考虑物料的性质和物料的相对密度、粒度、水分、黏性、易碎性和磨琢性等，对于粒度大、相对密度小、水分较强或黏性较大的物料适宜选用较大的振动方向角；对于易于粉碎的物料，为了防止抛掷时过于碎，适
27、宜选用较小的振动方向角；而对于磨琢性较强的物料，为了减小工作面的磨损又应选较大的振动方向角。2.5.3 振动频率的确定为了说明振动送料机的运动特点，根据机械振动原理，可以用如图所示的力学模型表示。它是一个双自由双质量强迫振动系统，其中主要有：激振力Fsint，同时作用在m1和m2两个质量上，其大小相等而方向相反；弹簧反力k1(y2-y1)，它是阻止位移的力，其方向与位移相反，若在平衡位置上，则两弹簧力均等于零；还有作用在质量m上的弹簧力k2y2等。按牛顿第二定律得质量m1及m2的运动微分方程为： （21）式中 m1振动系统的上质量（包括料斗、衔铁，工件等）； m2振动系统的下质量（包括铁芯、线
28、圈、片弹性以及基座等）； y1 ,y2平衡位置算起的质量位移； k1,k2上、下弹簧刚度。设上列方程组的谐振动特解为： y1=A1sint y2=A2 sint （22） 图27对式（22）分别取阶和二阶导数，得速度及和加速度和，代入式（21）并令： （23）消除sint简化后，得： （24）当激振力消失时，即q1=0及q2=0时，式（815）成为： 这个齐次联立代数 方程组的一个解是A1=A2=0，由此引出的y1=y2=0只能定出系统的平衡位置，而不说明振动性质，不是需求的振动解。要使A1及A2有非零解，其系数行列式必须等于零。将它展开后得频率方程为： 将式（23）代入上式，求解后得两个根。
29、因K2K1，可取K2=0，则取其中一个根1=0，故得：令 式中m振动系统的折算质量。将m值代入上式后，得振动系统固有频率的基本公式为： 或 （25）由式（25）知：变动K与m的比值可以改变0值。当振动系统的结构、材料确定之后，即m和K值确定之后，不论初始条件及其振幅大小如何，系统的0值不变，这就是所谓振动系统的固有频率。这样 ，就把一个双自由度双质量强迫振动系统，简化为一个单自由度单质量有阻尼的强迫振动系统，其力学模型如图27（b）所示。其中总阻力T与运动速度成正比，但方向相反，即：式中 h阻力系数 ，故单质量强迫振动的运动 微分方程为： 因并令，代入上式后得： （26）m振动系统的折算质量；
30、k弹簧刚度；F激振力的幅值；y质量的相对位移；阻尼系数；系统的固有频率。2.5.4 调谐值z的确定根据机械振动原理可知，调谐值z=，是设计和调试振动送料机的重要依据。当激振频率选定后，0值即可确定。调谐值选择得当，振动上料器可以用较小功率消耗，获得较高的机械效率。动力放大系数（又称振幅比）；阻尼比；调谐值。一般振动送料机工作时，料斗内工件数量是变化的，因而阻尼值也在变化。从幅频特性能曲线可知：当z=1时，其振幅最大而功率消耗最小，但难以使料斗在此点稳定工作。当z1，料斗将在公振区工作，加料后m增加将使阻尼值增大令振幅下降，而0降低，z值增加，振幅更加陡降，影响料斗工作的稳定性。因此，应把振动上料器的工作点，设计并调整在亚临界共振区，调谐值选z=0.850.95。振动上料器的固有频率f0与激振频率f之间应保持如下关系：f0=(1.051010)f (2-7)2.5.5 料斗料盘的结构尺寸及各个料斗的控制时间的确定振动送料机的型式确定以后，料斗料盘的基本结构尺寸，主要取决于工件的形状、尺寸、料槽的整理要求，以及两者之间的摩擦系数、供料速度等因素。料斗材料应尽量选用相对密度小
