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机械创新设计说明书(终极版)


新型公交投币机
摘要
随着时代的发展,交通日益发达,尽管开车的人越来越多,但是挤公交的人也 并未有减少趋势。但是,由于投币时币种不一,钱的褶皱程度不同,收的钱只能杂 乱无章地装在投币箱里。这样,公交公司得耗费大量的人力,财力,物力来整理, 分类,清点所收的钱。而公交投币机则从根源上解决了这个问题,在前进入钱币箱 时便开始动作,完美地用机械代替人工实现钱币的整理

,分类,清点。

第 1 章 研制背景及意义
社会不断进步的今天,城市的交通也越来越拥挤,而公交车则是大多数人首选 的代步工具,很多人选择投币的方式坐车。试想,假设一个公交公司有两百辆公交 车,每辆公交车每天的平均收入为三百元,那么一个公交公司每天得清点整理六万 元。这只是一个典型的例子,倘若在北上广深这样的一线城市,一个公交公司一天 的交易额能达到十几万甚至几 十万。而这么多的钱币面值基 本都是一块的, 有的是褶皱的, 还有残币和破损币。若每个工 人一小时能整理,分类,清点 1000 块,每个工人每天工作八 小时,还不包括数钱的过程中 可能出现错误导致重数,起码 得请七个工人不停地数钱。这 样的话,首先工作的人数钱数 到手抽筋的确很累。其次,公 交公司每个月得额外支付数钱 工人的工资多达上万,还有额 外占用的空间和物质。

而新型的公交投币机利用机械装置代替人工操作 ,完成钱币的整理,清点和分 类,简化了钱币的整理流程,减轻了工人的工作强度,也为公交公司节约了大量人 力,财力和物力。

第 2 章 设计方案
2.1 纸币部分设计
纸币收币口采用地铁自动售票机形式,人们在投币前事先将纸币整理平整, 然后将纸币投入收币口,收币口内置滚轮检测到纸币的投入后开始工作,将纸币沿 传送带运输,最后至钱箱。 利用光电传感器来测量纸币的宽度长度, 首先在收币口至内置滚轮间设置一排 对射式光电传感器,所谓的对射式传感器就是指组成传感器的发射器和接受器是分 开放置的,发射器发射红外光后,会经过一定距离的传输后才能到达接受器的位置 处, 并且与接受器形成一个通路, 当我们需要检测的物体通过对射式光电传感器时, 光路就会被检测物体所阻挡, 这是接受器就会及时的反应并输出一个开关控制信号, 无纸币经过时光电传感器的发射端发射的光线可以被另一侧的接收端接收到,当纸 币经过时,纸币挡住了光电传感器发射端发出光线,此时接收端无法收到光线,产 生一个信号,通过一排对射式光电传感器可测出纸币的宽度,因考虑到大多数纸币 的残缺是缺角等,影响较大的是纸币的长度,而且不同面额的纸币宽度不同,可将 宽度作为面额的区分标准。之后在滚轮之间设置一个漫反射式光电传感器,这种传 感器的检测头内部也是装有发射器和接受器的, 但是并没有反光板的, 一般情况下, 接受器是无法接收到发射器所发出的光的,但是当需要我们检测的物体通过光电传 感器时,物体会将光线反射回去,接受器接收到光信号,输出一个开关控制信号, 首先我们将传送带设置为黑色,黑色吸收光使光电传感器无法接收到信号,当纸币 通过时,光线可以反射使光电传感器接收到信号,根据接受的信号时间再乘以恒定 的传送带速度可以得到通过纸币的长度,通过得到的长度与宽度就可以判断出纸币 的面额,完整度,单片机接收到这个信号然后控制电机,将对应面额的钱箱转到出 币口,使得纸币掉落在相应面额的钱箱内。

2.2 硬币部分设计

硬币部分设计最初方案为利用硬币面额不同尺寸也不同的原理, 在一条倾斜 的轨道上设置若干不同直径的圆孔,硬币在滑落过程中会掉入对应圆孔中,但后来 考虑硬币不是单个掉落,而且有可能由于硬币下落速度过快而错过对应尺寸的圆孔 无法下落,最后无法有效的将硬币按照尺寸分开,因此选用另一种方案。 硬币由硬币投入口投入,经过一条由宽到窄的导槽将硬币引导至硬币分类轨 道。硬币分类轨道有一定坡度,设置一条轨道作为主轨道,主轨道设置两个弯道, 在每个弯道处延伸出高度稍高于主轨道的副轨道,主轨道与副轨道尽头均有收纳硬 币的圆柱容器,硬币在分类轨道上下落,当经过弯道时,由于不同面值的硬币质量 不同,惯性也不同,在经过弯道时惯性较大的硬币就会飞出主轨道进入副轨道,经 过二次弯道的筛选,可将 1 元,5 角,1 角的硬币分开,各自放在不同的储币处。这 样的好处是按重量区分硬币,不仅可以区分出面额,也可以将游戏币等假币也区分 开来,效果更好。

2.3 钱箱部分设计
钱箱的设计最初有两种方案,一种是钱箱嵌于底座,利用电机的旋转来带动钱箱 旋转,第二种方案为将钱箱做成抽屉式,当纸币下落时,对应面值的钱箱被推出接 住纸币,经过对比,第二种方案在已规定尺寸下无法大容量的存币,因此选用方案 一。

第 3 章 理论设计计算
3.1 总体尺寸设计
此作品用在公交车上,要合理利用空间,因此只有设计好各状态的结构尺寸才 能合理、协调的实现其功能。

合理放置四个钱箱可节省位置

3.2 电动机的选型
3.2.1 步进电机与伺服电机比较 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件,在 非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲个数, 而不受负载变化的影响,当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机安 设定的方向转动一个固定的角度,称为“步距角” ,它的旋转是以固定的角度一步一 步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的,同 时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到高速的目的。 伺服电机又称执行电机,在自动控制系统中,用作执行元件,把收到的电信号转换 成电机轴上的角位移或角速度输出。伺服电机内部的转子是永磁铁,驱动器控制的 U/V/W 三相电形成电磁场,转子在此磁场的作用下转动,同时电机自带的编码器反

馈信号给驱动器,驱动器根据反馈值与目标值进行比较,调整转子转动的角度。伺 服电机的精度决定于编码器的精度(线数)也就是说伺服电机本身具备发出脉冲的功 能,它每旋转一个角度,都会发出对应数量的脉冲,这样伺服驱动器和伺服电机编 码器的脉冲形成了呼应,所以它是闭环控制,步进电机是开环控制。 步进电机和伺服电机的区别在于:1、控制精度不同。步进电机的相数和拍数越 多,它的精确度就越高,伺服电机取块于自带的编码器,编码器的刻度越多,精度 就越高。2、控制方式不同;一个是开环控制,一个是闭环控制。3、低频特性不同; 步进电机在低速时易出现低频振动现象,当它工作在低速时一般采用阻尼技术或细 分技术来克服低频振动现象,伺服电机运转非常平稳,即使在低速时也不会出现振 动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能,可涵盖机械的刚性不足,并且系统内部 具有频率解析机能(FFT),可检测出机械的共振点便于系统调整。4、矩频特性不同; 步进电机的输出力矩会随转速升高而下降,交流伺服电机为恒力矩输出,5、过载能 力不同;步进电机一般不具有过载能力,而交流电机具有较强的过载能力。6、运行 性能不同;步进电机的控制为开环控制, 启动频率过高或负载过大易丢步或堵转的现 象,停止时转速过高易出现过冲现象,交流伺服驱动系统为闭环控制,驱动器可直 接对电机编码器反馈信号进行采样,内部构成位置环和速度环,一般不会出现步进 电机的丢步或过冲的现象,控制性能更为可靠。7、速度响应性能不同;步进电机从 静止加速到工作转速需要上百毫秒,而交流伺服系统的加速性能较好,一般只需几 毫秒,可用于要求快速启停的控制场合。 综上所述,交流伺服系统在许多性能方面 都优于步进电机,但是价格比就不一样了。 3.2.2 电机的选型 根据两种电机的特性,控制小滚轮传动速度精度要求不高,选择步进电机;而 控制底座的,为了避免钱箱产生累计误差,则应选择闭环控制,精度较高的交流伺 服电动机。 控制小滚轮的电机选型:一般公交车投钱速度较快的为 3 秒每张,每张钱按最 10 元(所设计的最大尺寸)的尺寸长度 165mm 计算,则滚轮的线速度为: 165/3=55mm/s=0.055m/s

选用直径 d 为 2cm 的带轮,则所需发动机输出轴的转速为:
V输 ? V线 0.055 ? ? 0.88r/s ? 52.5r/min π d 3.14 X0.02 9550 P (能提供的力矩) n

扭矩公式为: T ?

由于不确定小滚轮的摩擦力的大小所以不确定输出轴所受扭矩大小。 (实际所需的力 矩) 选择 HSTM86 电机,具体参数如下

控制底座的电机选型:若一般公交车投钱速度较快的为 3 秒每张,除去光电传 感器响应时间和电机启动时间, 则电机至少得保证 1s 时间转动 270°也就是四分之 三圈的速度,即 45r/min.钱箱的重量加上钱的重量不是很大,故其等效惯量不大, 所需启动力矩没有太大要求。选择 MAXON 3.2.2 光电传感器的选型 光电传感器一般至少有 9 种以上传感模式,使用两个光源,有三种封装尺寸,5 种以上的检测范围,并可以使用各种安装方式、输出与工作电压的组合购买。这产 生了令人困扰的种类繁多的候选传感器可能性,使人难以选择。 光电传感器主要参数:尺寸、传感模式、传感范围、安装方式、输出、工作模式、 工作电压、光源、连接方式、封装材料。 电机,属于 RE 系列,型号:139885。

特殊功能包括:可处理高速和/或高温、逻辑控制、可计算机编程、网络兼容性。 这种过剩的选择可以采用以下两种方式来缩小范围:首先需要考虑检测对象; 其次是传感器的工作环境。 距离在选择光源,例如 LED 或激光时起重要作用。LED 虽比较便宜,但由于它 是一种散射度较高的光源,因此适合短距离使用。激光可聚焦在一个点上,因此能 获得传播距离更远的光束。当需要检测细微特征时,良好的聚焦也很重要。如果需 要从几英尺外对准细微特征,则必须使用激光。 激光传感器要比 LED 要贵很多倍, 不过这种差别已经被激光二极管价格的下降 缩小了。虽然目前使用的激光仍然较贵,但比起过去的花销已经降低了很多。 环境挑战 选择传感器时的另一项决定因素是工作环境。 一些行业 (如食品与汽车行业等) 的工作环境可能会很脏或很危险,或二者都有。在处理食品时,湿度可能会较高以 及有很多液体。处理引擎或其他零件的汽车制造厂车间,也可能会有沙子、润滑剂 和冷却剂等。在这种情况下,必须考虑传感器的环境适应性,如果传感器不能适应 污垢环境就不能被使用。这种考虑还会影响所需的检测范围,因为可能需要将传感 器放在恶劣环境外一个更远的位置上 (而不是放在所需的位置) 。 如果指示灯被弄脏 或信号减弱,那么能够主动告警和通知是很有帮助的。 类似的环境问题也会影响传感器的尺寸, 尺寸的变化可以从比一个手指还小到 比张开的手掌还大。小尺寸传感器比大尺寸传感器要贵,因为将所有部件都装入一 个小空间内的成本更高。小尺寸传感器收集光线的面积更小,一次检测范围更小, 光学性能更低。这些缺点必须克服,以便小尺寸传感器能更好地可用物理空间相匹 配。再如,在半导体洁净室设备中所使用的传感器虽然工作环境不恶劣,但必须在 狭窄的空间内工作。其检测距离通常为数英寸,因此传感器一般都较小。这些传感 器还常常使用光纤来将光线导入(或导出)检测区。 安装与价格 另一项考虑的因素是安装系统。传感器通常需要用盒子或其他方法来进行机械 保护。这种机械与光学保护的成本可能要比传感器本身的成本还高,因此是购买时

需考虑的一项重要因素。如果厂商拥有灵活的安装系统,以及针对传感器的保护性 安装安排,则产品更容易实现,寿命也更长。 激光与专用光电传感器的价格约为 150~500 美元。 像低级封装、 标准光学性能 以及有限的(或完全没有)外部调整等,都是每种传感器低端产品所具有的特征。 而高端产品则拥有高级封装(如不锈钢或铝等) ,高光学性能以及可调增益、定时或 其它选项。低端产品适合普通应用,而高端产品则可以在高速、高温或易爆等特殊 环境下使用。通过以上要求,以及对设计实物的考虑,我们选用两组光电传感器分 别检测纸币的长度与宽度,最后选用光电传感器型号为 HL-G105-A-C5 小型激光位 移传感器 HL-G1,具体参数如下图

第4章
4.1 纸币部分设计

工作原理及性能

硬币部分主要采用光电传感器与单片机相结合, 控制电机再控制钱箱转动 来达到分类的目的。 其中光电传感器选用对射型传感器与漫反射传感器相结合,理谓的对射式 传感器就是指组成传感器的发射器和接受器是分开放置的,发射器发射红外光后, 会经过一定距离的传输后才能到达接受器的位置处,并且与接受器形成一个通路, 当我们需要检测的物体通过对射式光电传感器时,光路就会被检测物体所阻挡,这 是接受器就会及时的反应并输出一个开关控制信号,

而漫反射光电传感器这种传感器的检测头内部也是装有发射器和接受器的,但 是并没有反光板的,一般情况下,接受器是无法接收到发射器所发出的光的,但是 当需要我们检测的物体通过光电传感器时,物体会将光线反射回去,接受器接收到 光信号,输出一个开关控制信号,

4.2 硬币部分设计
硬币由硬币投入口投入, 经过一条由宽到窄的导槽将硬币引导至硬币分类轨道。 硬币分类轨道有一定坡度,设置一条轨道作为主轨道,主轨道设置两个弯道,在每 个弯道处延伸出高度稍高于主轨道的副轨道,主轨道与副轨道尽头均有收纳硬币的

圆柱容器,硬币在分类轨道上下落,当经过弯道时,由于不同面值的硬币质量不同, 惯性也不同,在经过弯道时惯性较大的硬币就会飞出主轨道进入副轨道,经过二次 弯道的筛选,可将 1 元,5 角,1 角的硬币分开,各自放在不同的储币处。

4.3 单片机部分设计
单片机初采用 51 单片机, 具体程序初步采用以下程序, 今后在根据实际进展做 出调整。

void display(uchar qw,uchar bw,uchar sw,uchar gw)//显示函数 { P2=0xe0; P1=tabledu[qw]; delay(6); P2=0xd0; P1=tabledu[bw]; delay(6); P2=0xb0; P1=tabledu[sw]; delay(6);

P2=0x70; P1=tabledu[gw]; delay(6); P2=0x0f;// } /******************************************* 任务初始化函数 ********************************************/ void init0()任务 1 初始化函数 { EA=1; EX0=1; EX1=1; IT1=IT0=1; P0=0x00; flag=1; jishu=0;// } void init()//任务 2 初始化函数 { EA=1; TH0=(65536-50000)/256;//初始化加 1 计数器 TL0=(65536-50000)%256; ET0=1; TR0=1; TH1=(65536-50000)/256;//初始化加 1 计数器 TL1=(65536-50000)%256; ET1=1; TR1=1; TMOD=0x11; dsh=(qw*10+bw)*60;// jishu=1;// } void jiesu() { if(flag2==0) { flag1=1; flag2=1; cnt1=0; } ET0=0; P0=0; display(qw,bw,sw,gw);

}

第5章

模拟仿真

将公交投币箱的各个部分:外框,底座,硬币通道,纸币箱,纸硬币分隔板, 小滚轮,投币口等用 proe 画出来,再新建装配图,将画好的零部件导入新建的装配 图中进行装配。再用分析,设置底座的转速,进行系列的约束,设置,进行模拟仿 真。装配图如下: (为更直观的展示公交投币箱的内部结构,部分构件已隐藏)

第6章
6.1 创新点

创新点及应用

a.该设计将公交车的投币箱,ATM 机的部分功能集于一体,实现机器收钱,整理, 点钱,分类,代替后续繁重的人工作业。 b.人工与机械结合,实现整理功能。基本上机械要实现将褶皱程度不同的纸币 捋平整很难实现,所以必须要像 ATM 机一样,从根源解决问题—让人自己将钱弄平 整再投币,当钱经过小滚轮的传送,挤压,就会变得更平整,实现了整理功能。

c.单片机控制底座,通过识别纸币的尺寸识别面额,底座旋转,带动钱箱转到
相应位置,实现钱币分类。通过每个钱箱计数值乘以其面额得到总额。达到清点的 目的。

d.采用纯机械方式将硬币按面值分开,同时还能将游戏币等假币分开 e.硬币纸币分开投放,总尺寸与原投币机尺寸一致,更加充分的利用空间,

6.2 应用
当今社会下,交通越来越发达,开汽车的人越来越严重,随之而来的是限行越 来越频繁,交通拥挤越来越严重。所以,现在都倡导绿色出行,相信公交车会是我 们永远不会过时的选择。 该新型投币箱适用于公交路线比较复杂,乘车的人比较多的公交车,一般像北 上广深这样的一线城市,还有一些二线三线城市的,收入拥有公交车比较多的公交 车公司均可使用这样的投币箱。这样可以为公司节省大量的人工整理费和其整理钞 票所占用的空间,资源。 当然,这个发明暂时只针对公交公司整理钞票人员数钱数到手抽筋的现象。若 以后有需要,可以稍加改进,可用于面额较小,但数量巨大的其它场合。

参考文献
[1] 濮良贵,纪名刚. 机械设计.北京:高等教育出版社.2006 [2] 张占新.材料力学.西安:西北工业大学出版社.2005 [3] 于永泗,齐民.机械工程材料.大连:大连理工大学出版社.2007 [4] 机械设计手册编委会.机械设计手册.北京:机械工业出版社.2005 [5] 大连理工大学工程图学教研室.机械制图(第六版) .北京:高等教育出版社.2007


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