機械創(chuàng)新設計說明書(終極版)

1、摘要隨著時代的發(fā)展，交通日益發(fā)達，盡管開車的人越來越多，但是擠公交的人也并未有減少趨勢。但是，由于投幣時幣種不一，錢的褶皺程度不同，收的錢只能雜亂無章地裝在投幣箱里。這樣，公交公司得耗費大量的人力，財力，物力來整理，分類，清點所收的錢。而公交投幣機則從根源上解決了這個問題，在前進入錢幣箱時便開始動作，完美地用機械代替人工實現(xiàn)錢幣的整理，分類，清點。第1章 研制背景及意義社會不斷進步的今天，城市的交通也越來越擁擠，而公交車則是大多數(shù)人首選的代步工具，很多人選擇投幣的方式坐車。試想，假設一個公交公司有兩百輛公交車，每輛公交車每天的平均收入為三百元，那么一個公交公司每天得清點整理六萬元。這只是一個典

2、型的例子，倘若在北上廣深這樣的一線城市，一個公交公司一天的交易額能達到十幾萬甚至幾十萬。而這么多的錢幣面值基本都是一塊的，有的是褶皺的，還有殘幣和破損幣。若每個工人一小時能整理，分類，清點1000塊，每個工人每天工作八小時，還不包括數(shù)錢的過程中可能出現(xiàn)錯誤導致重數(shù)，起碼得請七個工人不停地數(shù)錢。這樣的話，首先工作的人數(shù)錢數(shù)到手抽筋的確很累。其次，公交公司每個月得額外支付數(shù)錢工人的工資多達上萬，還有額外占用的空間和物質(zhì)。而新型的公交投幣機利用機械裝置代替人工操作,完成錢幣的整理，清點和分類，簡化了錢幣的整理流程，減輕了工人的工作強度，也為公交公司節(jié)約了大量人力，財力和物力。第2章 設計方案計紙幣收

3、幣口采用地鐵自動售票機形式，人們在投幣前事先將紙幣整理平整，然后將紙幣投入收幣口，收幣口內(nèi)置滾輪檢測到紙幣的投入后開始工作，將紙幣沿傳送帶運輸，最后至錢箱。 利用光電傳感器來測量紙幣的寬度長度，首先在收幣口至內(nèi)置滾輪間設置一排對射式光電傳感器，所謂的對射式傳感器就是指組成傳感器的發(fā)射器和接受器是分開放置的，發(fā)射器發(fā)射紅外光后，會經(jīng)過一定距離的傳輸后才能到達接受器的位置處，并且與接受器形成一個通路，當我們需要檢測的物體通過對射式光電傳感器時，光路就會被檢測物體所阻擋，這是接受器就會及時的反應并輸出一個開關控制信號，無紙幣經(jīng)過時光電傳感器的發(fā)射端發(fā)射的光線可以被另一側(cè)的接收端接收到，當紙幣經(jīng)過時，

4、紙幣擋住了光電傳感器發(fā)射端發(fā)出光線，此時接收端無法收到光線，產(chǎn)生一個信號，通過一排對射式光電傳感器可測出紙幣的寬度，因考慮到大多數(shù)紙幣的殘缺是缺角等，影響較大的是紙幣的長度，而且不同面額的紙幣寬度不同，可將寬度作為面額的區(qū)分標準。之后在滾輪之間設置一個漫反射式光電傳感器，這種傳感器的檢測頭內(nèi)部也是裝有發(fā)射器和接受器的，但是并沒有反光板的，一般情況下，接受器是無法接收到發(fā)射器所發(fā)出的光的，但是當需要我們檢測的物體通過光電傳感器時，物體會將光線反射回去，接受器接收到光信號，輸出一個開關控制信號，首先我們將傳送帶設置為黑色，黑色吸收光使光電傳感器無法接收到信號，當紙幣通過時，光線可以反射使光電傳感器

5、接收到信號，根據(jù)接受的信號時間再乘以恒定的傳送帶速度可以得到通過紙幣的長度，通過得到的長度與寬度就可以判斷出紙幣的面額，完整度，單片機接收到這個信號然后控制電機，將對應面額的錢箱轉(zhuǎn)到出幣口，使得紙幣掉落在相應面額的錢箱內(nèi)。2.2硬幣部分設計硬幣部分設計最初方案為利用硬幣面額不同尺寸也不同的原理，在一條傾斜的軌道上設置若干不同直徑的圓孔，硬幣在滑落過程中會掉入對應圓孔中，但后來考慮硬幣不是單個掉落，而且有可能由于硬幣下落速度過快而錯過對應尺寸的圓孔無法下落，最后無法有效的將硬幣按照尺寸分開，因此選用另一種方案。 硬幣由硬幣投入口投入，經(jīng)過一條由寬到窄的導槽將硬幣引導至硬幣分類軌道。硬幣分類軌道有

6、一定坡度，設置一條軌道作為主軌道，主軌道設置兩個彎道，在每個彎道處延伸出高度稍高于主軌道的副軌道，主軌道與副軌道盡頭均有收納硬幣的圓柱容器，硬幣在分類軌道上下落，當經(jīng)過彎道時，由于不同面值的硬幣質(zhì)量不同，慣性也不同，在經(jīng)過彎道時慣性較大的硬幣就會飛出主軌道進入副軌道，經(jīng)過二次彎道的篩選，可將1元，5角，1角的硬幣分開，各自放在不同的儲幣處。這樣的好處是按重量區(qū)分硬幣，不僅可以區(qū)分出面額，也可以將游戲幣等假幣也區(qū)分開來，效果更好。2.3錢箱部分設計錢箱的設計最初有兩種方案，一種是錢箱嵌于底座，利用電機的旋轉(zhuǎn)來帶動錢箱旋轉(zhuǎn)，第二種方案為將錢箱做成抽屜式，當紙幣下落時，對應面值的錢箱被推出接住紙幣，

7、經(jīng)過對比，第二種方案在已規(guī)定尺寸下無法大容量的存幣，因此選用方案一。第3章 理論設計計算此作品用在公交車上，要合理利用空間，因此只有設計好各狀態(tài)的結(jié)構(gòu)尺寸才能合理、協(xié)調(diào)的實現(xiàn)其功能。合理放置四個錢箱可節(jié)省位置3.2 電動機的選型3.2.1 步進電機與伺服電機比較步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件，在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖個數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機安設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達

8、到準確定位的目的，同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到高速的目的。 伺服電機又稱執(zhí)行電機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把收到的電信號轉(zhuǎn)換成電機軸上的角位移或角速度輸出。伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度(線數(shù))也就是說伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，它每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應數(shù)量的脈沖，這樣伺服驅(qū)動器和伺服電機編碼器的脈沖形成了呼應，所以它是閉環(huán)控制，步進電機是開環(huán)控制。 步進電

9、機和伺服電機的區(qū)別在于:1、控制精度不同。步進電機的相數(shù)和拍數(shù)越多，它的精確度就越高，伺服電機取塊于自帶的編碼器，編碼器的刻度越多，精度就越高。2、控制方式不同;一個是開環(huán)控制，一個是閉環(huán)控制。3、低頻特性不同;步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象，當它工作在低速時一般采用阻尼技術或細分技術來克服低頻振動現(xiàn)象，伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能(FFT)，可檢測出機械的共振點便于系統(tǒng)調(diào)整。4、矩頻特性不同;步進電機的輸出力矩會隨轉(zhuǎn)速升高而下降，交流伺服電機為恒力矩輸出，5、過載能力不同;步進電機一

10、般不具有過載能力，而交流電機具有較強的過載能力。6、運行性能不同;步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。7、速度響應性能不同;步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速需要上百毫秒，而交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，一般只需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。 綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機，但是價格比就不一樣了。3.2.2 電機的選型根據(jù)兩種電機的特性，控制小滾輪傳動速度精度要求

11、不高，選擇步進電機；而控制底座的，為了避免錢箱產(chǎn)生累計誤差，則應選擇閉環(huán)控制，精度較高的交流伺服電動機。選用直徑d為2cm的帶輪，則所需發(fā)動機輸出軸的轉(zhuǎn)速為：扭矩公式為：（能提供的力矩）由于不確定小滾輪的摩擦力的大小所以不確定輸出軸所受扭矩大小。（實際所需的力矩）選擇 HSTM86電機,具體參數(shù)如下控制底座的電機選型：若一般公交車投錢速度較快的為3秒每張，除去光電傳感器響應時間和電機啟動時間，則電機至少得保證1s時間轉(zhuǎn)動270°也就是四分之三圈的速度，即45r/min.錢箱的重量加上錢的重量不是很大，故其等效慣量不大，所需啟動力矩沒有太大要求。選擇MAXON 電機，屬于RE

12、系列，型號：139885。3.2.2 光電傳感器的選型光電傳感器一般至少有9種以上傳感模式，使用兩個光源，有三種封裝尺寸，5種以上的檢測范圍，并可以使用各種安裝方式、輸出與工作電壓的組合購買。這產(chǎn)生了令人困擾的種類繁多的候選傳感器可能性，使人難以選擇。 光電傳感器主要參數(shù)：尺寸、傳感模式、傳感范圍、安裝方式、輸出、工作模式、工作電壓、光源、連接方式、封裝材料。特殊功能包括：可處理高速和/或高溫、邏輯控制、可計算機編程、網(wǎng)絡兼容性。這種過剩的選擇可以采用以下兩種方式來縮小范圍：首先需要考慮檢測對象；其次是傳感器的工作環(huán)境。 距離在選擇光源，例如LED或激光時起重要作用。LED雖比較便宜

13、，但由于它是一種散射度較高的光源，因此適合短距離使用。激光可聚焦在一個點上，因此能獲得傳播距離更遠的光束。當需要檢測細微特征時，良好的聚焦也很重要。如果需要從幾英尺外對準細微特征，則必須使用激光。 激光傳感器要比LED要貴很多倍，不過這種差別已經(jīng)被激光二極管價格的下降縮小了。雖然目前使用的激光仍然較貴，但比起過去的花銷已經(jīng)降低了很多。 環(huán)境挑戰(zhàn)  選擇傳感器時的另一項決定因素是工作環(huán)境。一些行業(yè)（如食品與汽車行業(yè)等）的工作環(huán)境可能會很臟或很危險，或二者都有。在處理食品時，濕度可能會較高以及有很多液體。處理引擎或其他零件的汽車制造廠車間，也可能會有沙子、潤滑劑和冷卻

14、劑等。在這種情況下，必須考慮傳感器的環(huán)境適應性，如果傳感器不能適應污垢環(huán)境就不能被使用。這種考慮還會影響所需的檢測范圍，因為可能需要將傳感器放在惡劣環(huán)境外一個更遠的位置上（而不是放在所需的位置）。如果指示燈被弄臟或信號減弱，那么能夠主動告警和通知是很有幫助的。 類似的環(huán)境問題也會影響傳感器的尺寸，尺寸的變化可以從比一個手指還小到比張開的手掌還大。小尺寸傳感器比大尺寸傳感器要貴，因為將所有部件都裝入一個小空間內(nèi)的成本更高。小尺寸傳感器收集光線的面積更小，一次檢測范圍更小，光學性能更低。這些缺點必須克服，以便小尺寸傳感器能更好地可用物理空間相匹配。再如，在半導體潔凈室設備中所使用的傳感器

15、雖然工作環(huán)境不惡劣，但必須在狹窄的空間內(nèi)工作。其檢測距離通常為數(shù)英寸，因此傳感器一般都較小。這些傳感器還常常使用光纖來將光線導入（或?qū)С觯z測區(qū)。安裝與價格另一項考慮的因素是安裝系統(tǒng)。傳感器通常需要用盒子或其他方法來進行機械保護。這種機械與光學保護的成本可能要比傳感器本身的成本還高，因此是購買時需考慮的一項重要因素。如果廠商擁有靈活的安裝系統(tǒng)，以及針對傳感器的保護性安裝安排，則產(chǎn)品更容易實現(xiàn)，壽命也更長。激光與專用光電傳感器的價格約為150500美元。像低級封裝、標準光學性能以及有限的（或完全沒有）外部調(diào)整等，都是每種傳感器低端產(chǎn)品所具有的特征。而高端產(chǎn)品則擁有高級封裝（如不銹鋼或鋁等），高光

16、學性能以及可調(diào)增益、定時或其它選項。低端產(chǎn)品適合普通應用，而高端產(chǎn)品則可以在高速、高溫或易爆等特殊環(huán)境下使用。通過以上要求，以及對設計實物的考慮，我們選用兩組光電傳感器分別檢測紙幣的長度與寬度，最后選用光電傳感器型號為HL-G105-A-C5小型激光位移傳感器 HL-G1，具體參數(shù)如下圖第4章 工作原理及性能計硬幣部分主要采用光電傳感器與單片機相結(jié)合，控制電機再控制錢箱轉(zhuǎn)動來達到分類的目的。 其中光電傳感器選用對射型傳感器與漫反射傳感器相結(jié)合，理謂的對射式傳感器就是指組成傳感器的發(fā)射器和接受器是分開放置的，發(fā)射器發(fā)射紅外光后，會經(jīng)過一定距離的傳輸后才能到達接受器的位置處，并且與接受器形成一個通

17、路，當我們需要檢測的物體通過對射式光電傳感器時，光路就會被檢測物體所阻擋，這是接受器就會及時的反應并輸出一個開關控制信號，而漫反射光電傳感器這種傳感器的檢測頭內(nèi)部也是裝有發(fā)射器和接受器的，但是并沒有反光板的，一般情況下，接受器是無法接收到發(fā)射器所發(fā)出的光的，但是當需要我們檢測的物體通過光電傳感器時，物體會將光線反射回去，接受器接收到光信號，輸出一個開關控制信號，4.2硬幣部分設計硬幣由硬幣投入口投入，經(jīng)過一條由寬到窄的導槽將硬幣引導至硬幣分類軌道。硬幣分類軌道有一定坡度，設置一條軌道作為主軌道，主軌道設置兩個彎道，在每個彎道處延伸出高度稍高于主軌道的副軌道，主軌道與副軌道盡頭均有收納硬幣的圓柱

18、容器，硬幣在分類軌道上下落，當經(jīng)過彎道時，由于不同面值的硬幣質(zhì)量不同，慣性也不同，在經(jīng)過彎道時慣性較大的硬幣就會飛出主軌道進入副軌道，經(jīng)過二次彎道的篩選，可將1元，5角，1角的硬幣分開，各自放在不同的儲幣處。4.3單片機部分設計單片機初采用51單片機，具體程序初步采用以下程序，今后在根據(jù)實際進展做出調(diào)整。void display(uchar qw,uchar bw,uchar sw,uchar gw)/顯示函數(shù) P2=0xe0; P1=tableduqw; delay(6); P2=0xd0; P1=tabledubw; delay(6); P2=0xb0; P1=tabledusw; del

19、ay(6); P2=0x70; P1=tabledugw; delay(6); P2=0x0f;/*任務初始化函數(shù)*/void init0()任務1初始化函數(shù) EA=1; EX0=1; EX1=1; IT1=IT0=1; P0=0x00; flag=1; jishu=0;/void init()/任務2初始化函數(shù) EA=1; TH0=(65536-50000)/256;/初始化加1計數(shù)器 TL0=(65536-50000)%256; ET0=1; TR0=1; TH1=(65536-50000)/256;/初始化加1計數(shù)器 TL1=(65536-50000)%256; ET1=1; TR1=1

20、; 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 模擬仿真將公交投幣箱的各個部分：外框，底座，硬幣通道，紙幣箱，紙硬幣分隔板，小滾輪，投幣口等用proe畫出來，再新建裝配圖，將畫好的零部件導入新建的裝配圖中進行裝配。再用分析，設置底座的轉(zhuǎn)速，進行系列的約束，設置，進行模擬仿真。裝配圖如下：（為更直觀的展示公交投幣箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，部分構(gòu)件已隱藏）第6章 創(chuàng)新點及應用6.1 創(chuàng)新點a. 該設計將公交車的投幣箱，ATM機的部分功能集于一體,實現(xiàn)機器收錢，整理，點錢，分