机械毕业设计（论文）-硬币自动分选清点机械设计【全套图纸】

硬币自动分选清点机械设计 1 目录 摘 要 - ABSTRACT - 1.绪论 -1 2. 硬币分选清点机构的方案设计-5 2.1 总体方案的确定-5 2.2 几种机构方案的比较及最终方案的确定-5 2.3 驱动系统性能分析与方案设计-9 2.4 控制系统的方案设计-9 3. 各部件技术设计及参数选择-11 3.1 电磁振动给料机的设计-11 3.1.1 概述-11 3.1.2 电振机工作原理及物料输送原理-12 3.1.3 运动学参数的选择和计算-20 3.1.4 动力学参数选择及计算-23 3.1.5 电振机电磁参数计算-27 3.1.6 振动料斗参数选择及设计要点-28 3.2 纵向热封器的设计及参数选择-29 3.2.1 概述-29 3.2.2 纵封器的设计-31 3.2.3 塑料材料及热封温度的选择-32 3.3 热封切断机械手的设计-33 3.3.1 概述-33 3.3.2 机械手设计及参数计算-35 3.4 推杆包装机构-37 3.4.1 齿轮的选择及计算-37 硬币自动分选清点机械设计 2 3.4.2 电动机的选择-37 3.4.3 齿轮的设计准则-38 3.4.4 齿轮传动的强度计算-38 3.4.5 丝杠螺母参数的选择-42 4.结论-43 致谢 -44 参考文献 -45 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 硬币自动分选清点机械设计 3 摘要 硬币自动分选清点机是一种集自动分选、清点和包装于一体的小型机械。 本设计式为了使硬币的处理更加便捷，解决现今社会硬币逐步增大的流通量， 以及硬币的处理不便的问题。经对市场产品的调查研究发现，现今已有的硬币 分选机构基本都不具备包装功能。在此次的设计中，针对这个缺陷，设计出了 以一个螺旋料槽扭动式电磁振动给料机、一个直线料槽往复式电磁振动给料机、 三个纵封包装机、一个推杆机构和三个机械手，以及电子计数器结合而成的硬 币自动分选清点机构。硬币自动分选清点机利用电磁振动给料机的振动以对硬 币进行定向、排列与分选。螺旋料槽扭动式电磁振动给料机在本设计中承担的 主要是硬币的定向与排列，直线料槽往复式电磁振动给料机主要运用于硬币的 分选，纵封包装机、机械手与推杆机构组成了一个可纵封与横封的包装机构， 电子计数器则用于硬币的清点。根据对电磁振动给料机、纵封包装机以及机械 手电磁铁的选用和吸力参数设计，对机械手夹紧力参数的设计和对推杆机构的 参数设计及强度校核，符合所设计机械的工作要求，通过这些局部设计计算， 证明了硬币自动分选清点机的设计理论是可行的。以它的实用性，将比其他的 硬币分选机构有更高的效率。 关键词：硬币清点，自动分选，机械手，电磁振动给料机 硬币自动分选清点机械设计 4 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 硬币自动分选清点机械设计 5 higher practicality than others. KeyKey WordsWords: Coin counting，Automatic sorting，Robot，Electromagnetic vibratory feeder 1、绪论 本设计源自于流通市场实际需要。针对自动售货机、公交车收款机等硬币 流通的现状，开发设计适合实际、高效可靠的硬币自动清点包装机械，以适应 市场的需求。 在日常生活中，由人工清点硬币，包装硬币是一项非常烦琐的工作，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，在社 会中大量的流通，超市、公交公司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，如果由人工清点，将会造成巨大的人力资源浪费，因此用机 械清点并包装硬币将是以后的发展趋势。 近年来，随着科学家们在各个领域的突破，计算机、工业机器人和机械设 备等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，每天数以亿计的硬币需要分选清点，为了解决这一 生活生产中的难题，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，现已有多种硬币自动分选机构，但还不 广泛，这些机构也未在社会上广泛使用。随着工业生产自动化的发展，这种由 振动供料机、机械手和包装机组成的硬币分选清点机构将得到大力推广，其中 的振动供料机是输入传输装置，主要作用是将不同种类的硬币送入多路分选装 置，包装机是用于将清点分选好的硬币包装，便于硬币的存放，机械手则用于 传送包装好的硬币。这种机构设备主要用于分选和清点 1 元、0.5 元及 0.1 元 的硬币。 同时，这种非工业用途的机械设备，其意义远不仅是它们自身所能带来的 直接经济价值。这类机械设备往往是各种领域最新技术的交叉实验平台，在新 型机器手、振动供料机和包装机上应用的新技术有可能很快就出现在其他领域 的实际产品中，不但促进了新型机器手、振动供料机和包装机的发展，也带动 了其他相关领域产品的进步1。 硬币自动分选清点机械设计 6 随着现今社会的进步，每天市场上流通的硬币越来越多，随之而来的硬币 清点分选工作也是大大的加重了，这样每天不仅加大了员工的工作量和一些不 必要的花费，所以硬币自动清点分选机构将孕育而生，并得到广泛的应用，拥 有良好的发展前景和良好的实用性。 近年来，随着科学家们在各个领域的突破，计算机、工业机器人和机械设 备等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，每天数以亿计的硬币需要分选清点，为了解决这一 生活生产中的难题，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，现已有多种硬币自动分选机构，但还不 广泛，这些机构也未在社会上广泛使用。随着工业生产自动化的发展，这种由 振动供料机、机械手和包装机组成的硬币分选清点机构将得到大力推广，其中 的振动供料机是输入传输装置，主要作用是将不同种类的硬币送入多路分选装 置，包装机是用于将清点分选好的硬币包装，便于硬币的存放，机械手则用于 传送包装好的硬币。这种机构设备主要用于分选和清点 1 元、0.5 元及 0.1 元 的硬币。 其中运用到了振动供料机，包装机和上下料机械手。电磁振动给料机是由 电磁激振器驱动的一种振动机械。它的用途很广，例如，用来向皮带运输机、 斗式提升机给料以及为工业窑炉定量配料等。在轻工业机械中电振机也有广泛 的应用，例如在糖果包装、钟表元件加工、铅笔橡皮头装配等生产环节中均有 应用。 目前，轻工业生产中应用的电振机主要有直线料槽往复式和螺旋料槽扭动 式两种形式。前者料槽作往复直线运动，适合于不需定向排队的轻小物料的供 送；后者简称振动料斗，带有螺旋槽的圆形料斗作扭转振动，适合于不需定向 排队的单件物品的供送。 随着市场经济的发展，包装工业在国民经济中所占比重和作用也越来越大。 我国成功加入 WTO 后，全球经济贸易一体化进程的发展促使商品流通领域的 竞争更加激烈，人们在追求商品内在质量的同时，对商品包装要求也越来越高 4。 包装机械在包装工业中的地位十分重要，对包装工业现代化具有举足轻重 的作用。它可以提高劳动生产率，改善生产环境，降低生产成本，提高商品档 硬币自动分选清点机械设计 7 次，增加附加值，从而增强商品的市场竞争力、带来更大的社会效益和经济效 益。 进入到 20 世纪 80 年代后，我国的包装机械的生产和设计取得了巨大的 发展，大量填补国内空白的包装机械问世，品种规格不断增加，同时出现了很 多包装机械生产企业，许多研究机构着手研究包装机械，高等院校也纷纷设立 包装工程专业，从而形成了一个独立的包装机械行业。进入 21 世纪，包装机 械除继续增加新品种外，在产品的技术水平、内在质量和性能等方面都有很大 的进步，这一切都与包装机械的设计有着密切的联系。 现代工业生产，如食品、医药、日用品、化工产品、电子产品等生产中， 主要包括三大基本环节，即原料处理、中间加工和产品包装。包装是工业生产 中相当重要的环节。包装机械是使产品包装实现机械化、自动化的根本保证， 因此包装机械在现代工业生产中起着相当重要的作用。 1. 大幅度地提高生产效率 如啤酒灌装机的生产率可高达 36000 瓶 /h，这是手工灌装机无法比拟的。有如蛋形巧克力的包装，用手工包 装每人每班可包装 20kg，而用机械包装，每人每班可包装 250kg 以 上。 2. 降低劳动强度，改善劳动条件 如手工包装糖果，一个工人 8h 要重 复动作 80000 多次；再如人工袋装化肥，粉尘飞扬污染环境等。如 果广泛地采用包装机械代替手工包装，不但能将包装工人从繁重的体 力劳动中解放出来，而且还大大地改善了工人的劳动条件。 3. 保护环境，节约原材料，降低成本 手工包装液体产品时，易造成产 品外溅；包装粉状产品时，往往造成粉尘飞扬，既污染环境，又浪费 了原材料。采用机械包装能防止产品的散失，既保护了环境，又节约 了原材料。 4. 有利于被包装产品的卫生，提高产品包装质量，增强市场销售的竞争 力 有些产品的卫生要求很严格，如药品、食品等，采用机械包装， 避免了人手和药品、食品的直接接触，减少了对产品的污染。同时由 于机械包装速度快，食品、药品在空气中停留时间短，从而减少了污 染机会，有利于食品和药品的卫生。 另外，由于包装机械的计量精度高，产品包装的外形美观、整齐、统 硬币自动分选清点机械设计 8 一、封口严密，从而提高了产品包装的质量，提高了产品销售的竞争 力，可获得较高的经济效益。 5. 延长产品的保质期，方便产品的流通 采用真空、换气、无菌等包装 机，可使食品和饮料等的流通范围更加广泛，延长食品的保质期。 6. 可减少包装场地面积，节约基建投资 当产品采用手工包装时，由于 包装工人多，工序不紧凑，所以包装作业占地面积大，基建投资多， 而采用机械包装，产品和包装材料的供给是比较集中的，各包装工序 安排比较紧凑，因而减少了包装的占地面积，可以节约基建投资。 随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现的装卸、转 向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已 越来越引起人们的重视。 机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、 搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手” 。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动 强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、 易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更 为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装 配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的应用5。 通过对本次设计题目的深刻理解，对设计机构各个部分的深入分析，对现 市面上已出现的硬币分选机的认识，本次设计将采用一个电磁振动供料机，一 个三道的直线振动滑道，一个热封包装机和一个上下料机械手组合而成。 硬币自动分选清点机械设计 9 2、硬币分选清点机构的方案设计 2.1 总体方案的确定 通过对各种资料的综合总结，以及对现在市场上或正在研发的硬币分选清 点机构的研究，依据现有成熟设备以及为了独具匠心而选定以振动原理进行硬 币分选，并通过机械手和包装机进行包装。本设计通过两个电磁振动送料器、 三个纵封包装机、一个包装推杆机构、三个带有热电阻的包装机械手和三个电 子计数器组合而成，再通过程序控制，以达到分选清点及包装的目的。 2.2 几种机构方案的比较及最终方案的确定 由于机械传动、机构的多样性，以及各自的优缺点，下面提出两种硬币分 选清点机构的整体方案，加以比较，并确定最终的总体方案。 方案一： 1硬币分检机的工作原理 本设计利用各种硬币的小同直径设计一种硬币分检机。 目前我国新版人民币有三种圆形硬币，其直径依次为：一元硬币 25mm；5 角硬币 225ram；l 角硬币 205mm。首先设计一长方体形的机体 l，该机体 l 的顶上有一进币口 2，机体 l 内装有多个抽屉，本实施例有三个抽屉(图 1)。 除最下面抽屉 6 的底板上没有圆孔外，上部各抽屉的底板上都有多个圆孔，各 抽屉底板上圆孔的直径从上到下依次减少(图 2)，最上面抽屉 4 的底板上圆孔 的直径最大，最下面抽屉 6 底板上没有圆孔，中间抽屉 5 的底板上圆孔的直径 小，能使最小的硬币通过该圆孑 L 落到抽屉 6 中。分检时把混合在一起的三种 硬币从进币口 2 投入机体 l 中，这时混合的各种硬币将堆积到最上面的抽屉 4 的底板上，让硬币不断的通过这块底板， 由于底板上的孔径取为两种硬币之 间，因此当混合的硬币通过平板后，两种硬币由于直径不同而被分开。例如， 硬币自动分选清点机械设计 10 最上面抽屉 4 底板上圆孔的直径为 24mm，则混合硬币中只有直径最大的一元硬 币不能通过直径为 24mm 的圆孔，只能留在最上面的抽屉 4 中，而其它的两种 硬币直径较小，则会通过上述直径为 24ram 的圆孔，落到下边的抽屉 5 中，抽 屉 5 底板上的圆孔直径为 22mm，可把 5 角硬币截留在抽屉 5 中，最小的 l 角硬 币通过该圆孔落到抽屉 6 中，这样各种硬币即可依次按其直径大小分别被截留 在各层抽屉中而被分开。 由于要分检硬币， 必须使硬币和抽屉的底板之间产生相对运动，使小于 规定孔径的硬币有透过圆孔下落的机会。要实现这一相对运动，可以采用不同 结构形式的机器带动【56】或人工操作多种形式。 1.1 往复摆动式分检机 这种分检机有上述特殊设计的槽体，内装带规定孔径的抽屉，把这个槽体， 用带有一定角度的弹簧板支撑，再装上一个转动的曲柄连于机构，带着槽体作 往复摆动(图 3)。 当硬币放入机箱槽体的带孔抽屉底板上后，由于传动机构的作用，分检机 工作时槽体作定向摆动，硬币在底板上不断向前滑抛，小于孔径的硬币，通过 板孔落人平板下的槽体中向前滑动；而大于板孔的硬币，则留在平板上，不断 向前滑动；最后两种硬币通过不同的槽口滑出。 1.2 定向振动式分检机 这种分检机，也由一个槽体，内带具有规定孔径的多个抽屉，和一个旋转 的振动装置组成，槽体和振动装置，用弹簧加以支撑，当振动装置旋转时，会 硬币自动分选清点机械设计 11 产生振动力，这是一种定向往复的振动力，这种力使槽体作定向振动(图 4)， 当混合的硬币给人槽体平板上时，硬币即沿平板向前移动，并带一定的抛射动 作，小于孔径的硬币，透过孔落人底板之下，大于孔径的硬币，则留在平底板 上。 以上两种分检机的工作原理很类似，只是使带孔平板获得运动轨迹的传动 方式略有不同，运动轨迹接近直线，并和水平面有一个夹角 ， 可以在 30 到 45 度之间，这样使硬币有一个向前上方抛射的作用，使硬币相互分开，落 下，并向前移动，同时小于孔的硬币透孔下落，完成分检工作。 1.3 人工操作 将机体 l 的底部固定在两根轴 8 上，每根轴 8 的两端均装有一个能绕轴 8 转动的轮子 7；机体 l 的侧上部装有把手 3。机体 l 内装有多个抽屉，分检好 的硬币可以通过抽屉拿出。 为使硬币和抽屉的底板之间产生相对运动，使小于规定孔径的硬币有透过 圆孔下落的机会，通过把手 3 使机体 l 的左侧抬起，并靠右边的两个轮子 7 作 倾斜移动，倾斜的程度可以改变，使较小的硬币不断的依次通过各抽屉底版上 相应的圆孔，各种硬币由于直径不同而被分开9。 方案二： 硬币自动分选机的设计依据是：利用偏心轮电机产生振动，使硬币定向移 动进入多路分选装置；再利用丝杠旋转力传送硬币，当不同规格的硬币通过相 应的检测分离孔时，被检出进入分类收集装置；利用单片机编程、光电计数控 制电路等多种知识和技术，使其分选效率好，计数准确。输入传输装置的主要 作用是将不同种类的硬币自动进入多路分选装置。输入传输装置位于多路分选 装置的上部。输入传输装置包括硬币输送盒、输入导轨、控制挡板和振动等部 分组成。输送盒固定在具有一定位移的丝杠片上。输送盒的里面的进口端略高 于出口端，输送盒出口端装有 3 组输入导轨，引导硬币进入分选装置；输送盒 的上部安装控制挡板，防止硬币叠加进入输入导轨；输送盒的底部安装一个装 有偏心轮的微型电机，当接通电源时产生振动。 多路分选装置设计为 3 路，主要作用是将规格不同的硬币进行分类筛选， 规格相同的硬币从各路中汇集到同一收集装置。多路分选装置包括输送部分和 检测分离部分组成。输送部分为 3 路，由 4 个螺旋丝杠组成。4 个螺旋丝杠水 硬币自动分选清点机械设计 12 平并列在一起，两个丝杠为一组，共构成 3 组，一组两个丝杠分别加工为左旋 和右旋，传动时相向旋转，使硬币在两个丝杠之间向前移动。每个丝杠固定在 传动轴上，其中一端安装传动齿轮，相互啮合，由一微型电机棗减速器机组带 动。分离检测部分位于每对丝杠下面，根据硬币直径大小设有检测分离孔。 目前市场上主要流通四种面值的硬币，1 元、0.5 元和两种 0.1 元，直径 分别为 25mm、20mm、22mm 和 19mm（两种 0.1 元直径大小不同） 。检测分离孔按 照硬币移动方向进行分布，先小孔后大孔，共有 4 种，根据硬币直径设计为矩 形口，4 种检测分离孔线性连接在一起，使硬币在其上面能够连续移动,在检测 分离孔前有一过渡孔，使硬币落入时起到定位和过渡作用。因此，每路硬币分 选顺序是：0.1 元（小） 、0.5 元、0.1 元（大） 、1 元。由于硬币直径差别很小， 检测分离孔加工精度要求很高，硬币立面必须垂直位移方向，因此每组丝杠对 称性要好。 分类收集装置位于多路分选装置下面。主要作用是将分选出的硬币进行分 类收集。分类收集装置由 4 个导轨和收集盒组成。导轨带有一定倾斜角度，能 够使落入的硬币快速滑落到收集盒中。4 个导轨分别接受不同规格的硬币，导 轨位置与分选装置的检测分离孔相对应。 计数显示装置的光电计数器安装在分类收集装置上，主要作用是将每路分 选出的不同规格的硬币进行分类统计。计数显示装置由数码显示屏（LCD） 、单 片机（51 系列） 、光电计数器、光电计数控制电路组成。数码显示屏安装在硬 币分选机面板上，可以显示四种硬币的统计结果，以及总的金额数。面板上还 设置 5 个功能键，分别为合计、1 元、0.5 元、0.1 元、复位键。单片机用于控 制显示参数以及各种功能设置编程。光电控制电路用于硬币计数。计数显示装 置的工作原理是，从多路分选装置分选出同一规格的硬币，进入分类装置时， 由光电计数器将落入的硬币进行计数，计数结果不断输入单片机，进行统计和 显示。当硬币分选工作完成时，可以按下面板按键，通过显示屏查阅硬币总钱 数，以及不同面值硬币的总数。重新工作时按下复位键，计数器清零，可以继 续进行。 硬币自动分选机，配置 3 路直流稳压电源，给显示屏、单片机、传输电机 和振动装置等供电，并且电压可调整。图如下 硬币自动分选清点机械设计 13 经过以上对两种方案比较分析，仔细对比两种方案，都有各自的优缺点。 两种方案都只局限于硬币的分选清点，而没有硬币的包装，这对于银行或超市 等企业将是十分头疼的问题，并且方案一存在自动化的缺陷，方案二的分选数 量较小，故在此提出一种新的方案，以电磁振动送料机、包装机和工业机械手 组合成一个带有包装功能的硬币分选清点机构。 2.3 驱动系统性能分析与方案设计 一般机械系统的驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据 需要也可由这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。 液压驱动系统：由于液压技术是一种比较成熟的技术。它具有动力大、力 （或力矩）与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适于在承载 能力大，惯量大以及在防爆环境中工作的这些机器中应用。但液压系统需进行 能量转换（电能转换成液压能） ，速度控制多数情况下采用节流调速，效率比 电动驱动系统低，液压系统的液体泄漏会对环境产生污染，工作噪声也较高6。 气动驱动系统：具有速度快、系统结构简单、维修方便、价格低等特点。 适于在中、小负荷的机器中采用。但因难于实现伺服控制，多用于程序控制的 机器中 10。 电动驱动系统：由于低惯量、大转矩交、直流伺服电机及其配套的伺服驱 动器（交流变频器、直流脉冲宽度调制器）的广泛采用，这类驱动系统在一般 医疗或其它领域的机械系统中被大量的应用。这类系统不需要能量转换，使用 方便，噪声较低，控制灵活。大多数电机后面需装精密的传动机构。直流有刷 电机不能直接用于要求防爆的环境中，成本也较上两种驱动系统的高。但因这 类驱动系统优点比较突出，因此在各种机器中被广泛的选用10。 因此，综合以上各种驱动系统的优缺点，选用电动驱动方式。 2.4 控制系统的方案设计 硬币自动分选清点机械设计 14 2.4.1 控制顺序 首先，由推杆带动塑料薄膜到机械手位置，然后由热封机械手将薄膜底部 进行热封，纵封包装机进行纵封。接着螺旋料槽扭动式送料机开始工作，将倒 入料斗中的硬币进行排列，并通过滑道输送到直线料槽式送料机中进行硬币的 分选，再由直线料槽式送料机将硬币送入钢筒中，这时连接钢筒和直线料槽式 送料机的滑道上的光电计数器开始计数，当硬币满 100 个以后，电磁振动送料 机停止工作，这时推杆包装机开始将装在钢筒中的 100 个 向下推，同时纵封 包装机进行纵封包装，当推到机械手位置，推杆包装返回，这时由热封机械手 进行封口，然后电磁振动送料机再次开始运转重复以前的动作，进行下一次的 硬币分选清点包装。 2.4.2 控制方案 第一次热 封 第一次热封 推杆到 机械手 位置 热封机械手 计数100 个 纵封包装机 直线料槽式 送料机 推杆包装机 送料机 螺旋料槽扭动式 硬币自动分选清点机械设计 15 3 3、各部件技术设计及参数选择 3.1 电磁振动给料机的设计 3.1.1 概述 电磁振动给料机是由电磁激振器驱动的一种振动机械。它的用途很广，例 如，用来向皮带运输机、斗式提升机给料以及为工业窑炉定量配料等。在轻工 业机械中电振机也有广泛的应用，例如在糖果包装、钟表元件加工、铅笔橡皮 头装配等生产环节中均有应用1。 目前，轻工业生产中应用的电振机主要有直线料槽往复式图 3-1（a）和 螺旋料槽扭动式图 3-1（b）两种形式。 硬币自动分选清点机械设计 16 图 3-1 这两种类型的电振机都由三个部分组成： 1) 槽体部分：包括料槽或料斗 1、衔铁 2、主振弹簧 3。 2) 电磁激振部分：包括激振器壳体 4、铁心及线圈 5、配重等。 3) 减振器部分：包括心座支撑弹簧或悬挂弹簧 6。 电振机是利用电磁力驱动和机械共振原理进行工作的，它与其它供料机相 比有以下一些优点： 1) 无电动机及变速传动机构，没有摩擦运动部件，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 机体不易损坏，使用寿命长。 4) 电振机是在近共振状态下工作的，所需激振力较小，节能。 5) 电振机可与电子秤联动实现定量给料的自动控制。 电振机具有下述缺点： 1) 不适于处理黏性较大或带有油污、水渍的轻薄片状物料。 2) 设计或调整不合适时会产生较大振动和噪声。 3.1.2 电振机工作原理及物料输送原理 3.1.2.1 工作原理 图 3-2 表示了电振机的工作原理。 硬币自动分选清点机械设计 17 图 3-2 图 3-2（a）中物料 1 放在由主振弹簧 3 支撑的供料槽体 2 上，衔铁 4 与槽 体主振弹簧联成一体，绕于铁心上的线圈 5 中流过的是经过半波整流后的单向 脉冲电流，电磁铁就产生了相应的脉冲电磁力。图 3-2（b）表示在正半周内线 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，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1。 当电振机采用不同的运动参数时，物料就在槽体工作面上出现不同形式的 运动。物料的基本运动形式有以下 4 种： 1)相对静止 物料随工作面一起运动。 2)正向滑动 物料与工作面保持接触，同时沿输送方向对工作面有相对运 动。 3)反向滑动 物料与工作面保持接触，同时逆输送方向对工作面有相对运 动。 4)抛掷运动 物料在工作面上被轻微抛起，腾空沿工作面向前作抛物线运 动。 上述 4 种形式中，相对静止不能供送物料，反向滑动对供物料没有直接意 义。从理论上来说，只有正向滑行和抛掷运动才有使用意义。但由于运动参数 的某些限制，在实际工作中上述几种运动形式可能有各种不同的组合形式。轻 工业机械中的电振机一般都是采用抛掷运动形式来工作的。 3.1.2.2 物料输送原理 物料在槽体中的输送如图 3-3 所示。 硬币自动分选清点机械设计 18 图 3-3 图中 为料槽倾角， 为振动方向角，槽体在电磁力作用下沿 S 方向作 简谐振动，则槽体沿 S 方向的位移可表示为 （3-tASsin 11 1） 式中 槽体沿 S 方向的但振幅； 1 A 振动圆频率。 将槽体振动位移分解到 x 方向和 y 方向，便得到槽体在 x 和 y 方向的 1 S 分位移： （3-tAS x coscos 11 2） （3-tAS y cossin 11 3） 依次求上式对时间的一阶导数和二阶导数，便得到沿 x 方向和 y 方向的速 度分量及加速度分量： （3-tAv x coscos 11 4） （3-tAv y cossin 11 5） （3-tAa x sincos 1 2 1 硬币自动分选清点机械设计 19 6） （3-tAa y sinsin 1 2 1 7） 因此可以做出槽体运动曲线如图 3-4 所示。 图 3-4 图 3-5 物料在槽体中受到的力有重力、惯性力、摩擦力，物料的受力状况如图 3- 5 所示。图中， 为主振弹簧与铅垂线夹角，Q 为物料颗粒重量，可分解为 （3-sin QQx 8） （3-cos QQy 9） (3-NfF 00 硬币自动分选清点机械设计 20 10) 式中 N物料对工作面的正压力； 槽体对物料的摩擦力； 0 F “-”物料与工作面间的静摩擦力因数。 00 tanf 式中 静摩擦角。 0 假设物料对工作面的相对位移为和；相对速度为和；相对xy x y 加速度为 和。 x y 1、正向滑动 当物料沿 x 方向滑动时，物料颗粒沿 x 方向的合力应为 0，即 （3-11）0sin)( 01 NfQxm x 正向滑动开始瞬间，物料对工作面的相对加速度=0，则上式即成为 x (3-12)0sin 01 NfQma x 物料沿 y 方向对工作面的正压力为 （3-13）cos)( 1 QyamN x 因物料没有抛掷运动，故相对加速度，则上式即成为0 y （3-14）cos 1 QamN y 将式（3-6） 、 （3-7） 、 （3-14）代入（3-12）可得 0)cossinsin(sinsincos 1 2 01 2 mgtAmfgmtAm （3-15） 化简整理后可得 （3-16） )cos( )sin( sin 01 2 A g t 令 ，K机械指数（振动强度） ， g A K 1 2 ，正向滑行指数。 )sin( )cos( 0 0 K DK K D 硬币自动分选清点机械设计 21 则 （3-17） K D t 1 sin 当正向滑行指数时无解，这时物料不能出现正向滑行，可见出现1 K Dt 正向滑行的条件是，满足这一条件时的称为正向滑行始角。由于绝1 K Dt K 大多数电振机，所以和9090 0 1800 0 )cos( 0 均为正值，这时的正向滑始角必在范围内，我们称此区)sin( 0 K 1800 间为正向起滑区；当反向滑动时，摩擦力与坐标正向一致，同样可fNF 0 推导出反向滑始角在范围内，如图 3-6 所示1。360180 图 3-6 当槽体向前向上加速运动时，物料由于惯性对底板的正压力较大，故摩擦 力较大，物料不能发生相对运动。当槽体作减速运动时，物料由于惯性减小了 对槽体的正压力，致使摩擦力减小，物料就有可能发生正向相对滑动。 当处于滑行运动状态时，为了使物料出现比较良好的滑行运动和获得较大 的输送速度，选取的正向滑行指数远大于 1，通常。 K D32 K D 2、抛掷运动 物料在槽体内出现抛掷运动时，槽体受到的无聊的正压力，并且在0N 开 始出现抛掷的瞬时相对加速度，因此由式（3-13）及式（3-7）可得：0 y （3-18）cos)sinsin( 1 2 mgtAmN 则 sin cos sin 1 2A g t 硬币自动分选清点机械设计 22 令机械指数，抛掷指数 g A K 1 2 cos sin KD 则 （3-19） D t 1 sin 当抛掷指数时，有解，因此出现抛掷运动的条件是，满足此1Dt1D 条件的称为抛始角。由于电振机的和均在范围内，因此抛始t 900 角必在范围内，此范围称为抛始区，如图 3-7 所示。 1800 图 3-7 因为振动圆频率，并将式（3-19）代入（3-18）整理可得： 60 2 n （3- sin cos900 22 1 n Dg A 20） 式中 n电振机振动次数，。min)/( 30 次 n 当激振频率，抛掷指数 D 以及，都已选定时，则可利用此式求出槽 体单振幅。 1 A 物料抛离工作面以后，对工作面的正压力，但，仍应用式0N0 y （3-13）可得 cossinsin 1 2 mgtAmym 式中相对加速度对相对时间 积分二次即可求得物料对工作面在 y 方 y t 向的相对位移 2 2 11 )( cos 2 1 )(cossin)sin(sinsin t gtAtAy 硬币自动分选清点机械设计 23 （3-21） 当物料在 y 方向对工作面的相对位移重新等于零时，抛掷运动告结束，y 物料落到工作面上，此时的陈为抛止角，抛止角与抛始角之差陈t z z 为抛离角，这是物料腾空的时间。 则 （3- z z 22） 将，及式（3-22）代入（3-21）可得0y z t （3-0 2 sin cossin)sin( 2 23） 所以 （3- sin 1cos 2 cot 24） 又因 (3-25)1 sin 1 sin cos cot 2 2 D 所以 （3-1cot2 D 26） 物料在时被抛起，经过后在时与工作面接触，假设槽体每个振动 z 周期内物料被抛起一次，则抛离一次的腾空时间与一个振动周期之比称为抛离 系数 i，它与抛离角有以下关系： （3- 2 i 27） 抛掷指数 D 与抛离系数 i 的关系为 （3-1) 2sin2 12 ( 2 22 ii i D 28） 硬币自动分选清点机械设计 24 根据上式可以做出如图 3-8 所示的 D 与 i 的关系曲线，由所定的抛掷指数 D 可以求出跳跃系数 i 或可由 i 求出 D 值。 图 3-8 当 i=0 时 D=1，由式（3-27）得=0，说明物料没有起跳而是随槽体一起 运动的，这种状态无法实现物料供送，所以不可取。 当 i=1 时，D=3.3，可知=，说明物料抛离时间恰与振动周期相等， 2 也即物料刚落到工作面上同时又被重新抛起。 当 i=2 时，D=6.36，可知=，物料抛起后腾空飞越了 2 个振动周期后 4 才落到工作面上，同时又被重新抛起。 绝大多数电振机给料机通常选取，这时工作面每振动一次，物3 . 31 D 料就出现一次抛掷运动。假设物料落下时与工作面碰撞属非弹性碰撞，则物料 落到工作面后有一段随槽运动，然后当时物料又被重新抛起，物 2 t 料就随着振动频率而实现周期性的抛掷运动。这种运动状态对提高电振机的工 作效率和减少不必要的能量消耗都是有益的。 假如物料落下时刻正处于起抛区内，由式（3-13）可知此时)( ，所以物料落下后马上又开始第二次抛掷运动，但其抛掷运动的cos 1 g y 速度与前一次抛掷运动的初速度不同，所以后一次的抛掷周期与前一次的周期 不同，故称为非周期性抛掷运动1。 硬币自动分选清点机械设计 25 3.1.3 运动学参数的选择和计算 3.1.3.1 机械指数 K 及振动次数 n 和振幅的选择 1 A 机械指数 K 的选择主要受机体材料强度及物体刚度限制，通常取64K 所以此处取 K=4 选用半波整流电振机 min/3000次n 图 3-9 取 ，故查图 3-9 可得 5 31 即 31 所以根据公式： 2 . 5 60 /502 60 2 sn次 07 . 2 5cos 31sin 4 cos sin KD mm43 . 1 31sin50 5cos8 . 907 . 2 900 sin cos900 2222 1 n Dg A 3.1.3.2 弹簧安装角 由于是向上倾斜输送，所以531 3.1.3.3 理论输送速度和实际输送速度的计算 硬币自动分选清点机械设计 26 抛始角 81 . 1 107 . 2 1 sin cos cot 22 D 2981. 1cotarc 抛离系数 62 . 4 2 29 2 i 图 3-10 1、物料在抛掷段水平位移（x 向） S （3- tvS x )( 1 29） 式中 物料腾空时间。 t （3- t 30） 将式（3-4） 、 （3-30）代入式（3-29）： （3- coscos 1 AS 30a） （3- cotsincos 30b） 将式（3-19） 、 （3-25） 、 （3-27） 、 （3-30b）