【分享帖】硬币分类装置设计（源于炮手）第一阶段完毕

先开个题在这里，待我明天将理论分析完毕和图纸画好了开始发帖分析每一步的过程。(待续。。。)

///***更新第二波（第一波更新完后一不小心没保存，，，）***///：
感觉计算量有点多，所以先把已经计算的结果发发贴吧。我的想法来源于RM炮手的发射机构，所以就在此论坛分享一下，首先说明一下需要分类的硬币种类有一元，五毛，一毛（小的），这个装置只针对我们学校的比赛。
首先把硬币参数给出，如下表：

表1-1

我的想法最开始来源于RM炮手发射机构的供弹装置。先给出目前设计的图纸模型，这只是一个简图，还待完善。如下图所示：

图1-1

这只是一个方案设计图，还待细化，这个看上去是不是很像炮手上的供弹装置呢？嘿嘿

首先定出设计的目标：10s内完成分拣300个硬币==>>1秒分拣30个硬币。

下面开始分析计算。一般分析计算的都是关键的尺寸，而这个分拣机构的关键尺寸有两个：

1.转盘的直径，因为转盘的尺寸决定了整体装置的尺寸；

2.固定板上的出口尺寸，该尺寸决定了硬币能否完美的从转盘上分拣出来。

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首先从简单的开始分析，从只有一环开始分析。

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下面先分析第一个关键尺寸:转盘的半径R。

先给出一些参数的符号及其定义：

一元硬币直径为D1；五毛硬币直径为D2；一毛硬币直径为D3；

设转盘的角速度为ω；一环上有m个圆筒；当转过1秒时转过的角度为β；β角度内有n0个圆孔；设γ=2π /m，表示在γ角度范围内当且仅当只有一个圆筒和出口时，γ为最大的角度；

图1-2

圆孔的直径为D；β角度对应的圆弧长为S͡   ；圆孔之间的间隙为Δ1；β角度范围内所有的圆孔直径D加上所有圆孔之间的间隙Δ1的值为 S͞   ；转盘的半径为R；γ-β角度α对应的圆弧长度为Δ͡S；

图1-3

圆孔与硬币之间的间隙，即直径之差为Δ2；

图1-4

圆孔与转盘边缘的距离为Δ3；

图1-5

下面根据各个参数的定义可以得到一些表达式：

γ=2π /m                    （公式1-1）；

β=ω*1                      （公式1-2）；

Δ2=D-D1                  （公式1-3）；

S͡  =βr                        （公式1-4）；

S͞  =n0*(D+Δ1)         （公式1-5）；

由公式1-3和公式1-5得：

S͞  =n0*(D1+Δ)          （公式1-6）  其中Δ=Δ1+Δ2     （公式1-7） ；

由于S͡   ≈ S͞  ，所以根据公式1-4和公式1-6得：

r =n0*(D1+Δ) /β      （公式1-8）；

由图1-5，可得：

R=r+D/2+Δ3             （公式1-9）；

结合公式1-8和公式1-9，得：

R=n0*(D1+Δ) /β +D/2+Δ3        （公式1-10）；

公式1-10就是我们需要求的结果。下面开始确定参数并计算出结果。

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确定公式1-10中的各个参数

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未知数有n0 、Δ （Δ 1、Δ 2） 、β  、D 、 Δ3 。下面将对这些参数一个一个确定其具体数值。

//***首先确定n0的数值***//

首先来看看n0的定义：β角度内有n0个圆孔。

然后注意一下我们的设计目标是：10s内完成分拣300个硬币==>>1秒分拣30个硬币。

则一秒钟就得有30个硬币分拣出来，又已知一秒钟旋转角度是β，而β角内有n0个圆孔，则一秒钟β角内将会有n0个圆孔经过出口。又根据γ角的含义：表示在γ角度范围内当且仅当只有一个圆筒和出口时，γ为最大的角度。其中γ角内存在一个β角。根据公式1-1可知转盘一周上总的有m(m=2π /γ)个γ角。又由于一个γ角内存在一个β角，则将存在m个β角，即旋转一周将会有M个圆孔经过出口，其中M=m*n0。而根据设计目标，1秒分拣30个，即得出M=30。则m*n0为一个常数。因此可以列出一个表格表示，如下表所示：

表1-2

那么n0和m到底取多少才合适呢？这将是下面讨论的热点。

n0和m的取值已经由表1-2决定，一共有12组，不可能每一组都去计算一遍，后面的计算还有很多呢，，，如果有12个人的话可以去试试，，，但是我就一个人，况且是完全手动码字，，，更可恨的是这些字是我在打第二遍（说起都是泪）。

言归正传，n0和m的该取哪一组呢？首先简单分析一下，直觉（男生的第六感）告诉我这两个任何一个取大了即组号选择两端的时候都是不合理的。

其实这是可以分析的：

当角速度ω、Δ3和Δ一定时，根据公式1-2可知β也一定，这是n0越大，根据（公式1-9）则转盘的半径R就得越大，则整体尺寸就越大，这和我们的设计准则是相反的，我们的设计准则是在满足功能的条件下尽可能的使得R的值小；

当半径R不变时，由于m越大，根据公式1-1可知γ将越小，由于γ>β，所以β也会变小，将会导致圆孔之间的间隔Δ1越小，这将直接影响转盘的刚度。

所以根据上面的分析，n0和m的值都不能太大太小，那只有取一个中间量了。根据表1-2，我选择了第5组，n0=5，m=6。让m=6是想让圆周的个数是一个偶数。

由此确定出了n0的值。

//***确定β的大小***//

由前面分析已经知道了γ>β（图1-3可知），且γ=2π /m=2π /6=π /3；

所以β<π /3（公式1-11）；

由β的定义可知和角速度ω关系较大，而角速度ω又与转速n有关系，那么β和转速n之间的关系又是什么呢？

首先看看各个参数的单位：ω （rad/s）、β(rad)、n(r/min)

再看看角速度ω和转速n之间的关系：ω=2π n/60=π n/30；

β与ω之间的关系为：β=ω*1；

所以β与转速n之间的关系为：β=π n/30（公式1-12）。

由公式1-11和公式1-12得：

n<10  

n的取值主要看我们选择的电机，由于不需要什么增大扭转之类的条件，所以选择直接上电机，则电机选择减速电机，n<10r/min。

经过逛逛淘宝之后，决定选择一个n=5r/min的减速电机，这个具体等于多少每个人选择的不一样，得出的结果也有一定的差异。

为了保证整体尺寸尽量小，所以n不能太小，又由于不能让转盘转速过快，容易导致卡死，所以n也不能太大了。

根据公式1-12得出：

β=π/6   ；

/////*******下面计算见第九楼**********////

///***突然帖子就超过了正常的长度，，，哎！***///

//***确定Δ 的大小***//

下面确定Δ 的大小，Δ 由Δ 1和Δ 2组成，先确定Δ 1。

先看Δ 1的定义：圆孔之间的间隙为Δ1。

则这个参数完全是由设计人员来定的，考虑到若Δ 1太大，则整体尺寸将变大，Δ 1过小，将导致转盘的刚度太弱，所以Δ 1去一个合适的值就行了。我取Δ 1=4mm。

再看看Δ 2的定义：圆孔与硬币之间的间隙，即直径之差为Δ2。

这个参数和Δ 1一样，也是由设计者定的，但也是有一个准则，Δ 2太大，则整体尺寸就大或者Δ 1变小导致刚度减弱，Δ 2太小，则导致硬币很难进入转盘圆孔内随其转动，则导致卡死状态！所以也需要取一个合适的值。我也取Δ 2=4mm。

所以Δ=Δ1+Δ2=8mm  ；

Δ2已知了，则根据公式1-3得：

D=D1+Δ2=25+4=29mm。

//***下面将所有参数n0、β、Δ、D带进公式1-9即可算出结果***//
R= r+D/2+Δ3= n0*（D1+Δ）/β+D/2+Δ3 为了画图方便，需要保证r为整数，所以不能以公式1-9直接得出结果，需要先根据公式1-7确定出r的值。则
r≈n0*（D1+Δ）/β =5*（25+8）/（π/6）=315.13
因为S͡  ≈S͞  ，且S͡   > S͞   ，所以r应该比计算的结果稍大一点，这里划整，r=316mm。
这时再根据公式1-9得：
R= r+D/2+Δ3 =316+29/2+Δ3 =330.5+Δ3
前面留下Δ3没给参数就是为了在这里划整用的。为了使R为整数，取Δ3=9.5mm
则R=340mm。

//***这样结果就得出来了***//
R=340mm


//***结果分析***//
这样的结果表示，设计的转盘的直径就应该为680mm，那么需要亚克力板尺寸为700*700。厚度选用1mm，为什么是1mm，这里不分析，这部分后续再讲。但是问题来了，这么薄的亚克力板，面积越大那么刚度就越弱，在运输过程中很可能就会折断，且不考虑加工出来之后由于刚度太弱能不能使用都是问题，有人说，要不换个材料？
说到材料的选择，我先分析一下我的加工条件吧，实验室有一台80w的激光雕刻机，这意味着亚克力是最完美的选择。金属的没法加工，碳纤板更不可能，而且价格都不少。所以材料已经没有二选了，就是亚克力板。所以为了提高刚度，通过改变材料是不可能的，只有通过减小尺寸来保证了，那么怎么改进才能减小尺寸呢？这就是下面需要解决的问题了。
其实上面分析中还没考虑这么大的亚克力板的费用，我在淘宝上问了一家，700*700的一块板60元，由于刚度的原因至少需要购买3块板，意味着我至少需要花180元，，，哥做这个只是一个校级比赛而已，，，所以个中原因不让我这样去设计，这时候机械设计的概念就起作用了，机械设计都是在个中限制条件下才真正体现它的魅力。
一环不行，那就多加几环，把空白的空间充分利用起来。
那么上面计算的过程是不是就白费了呢？
其实并不是，任何复杂的问题都是从简单的开始分析的，我们设计多环的时候，问题就变得更加复杂了，那么该怎么计算分析呢？其实上面的分析的结论还是可以利用的。那就是公式1-8和公式1-10还是成立的，只是增加了更多的参数罢了，设有q环，则需要计算q次半径r。下面开始详细的分析。
//***********详见下回分解************//

好几天没更新了，实在是没时间码字呀，部门这次举办比赛需要操心很多，加上几万字的商业计划书，更要命的是时间还那么紧，，，。待比赛完之后将完整的分析过程分享给大家。今晚算是一个阶段性节点，图纸已经定型，就待把细节完善之后买东西加工了。先上图吧

出口有12个出口，最终需要6个容器收集。具体待比赛完之后更新。

lijie 发表于 2015-11-14 19:20
///***突然帖子就超过了正常的长度，，，哎！***///
//***下面将所有参数带进公式1-9即可算出结果***//
R=  ...

@Robo-OCM 第一阶段更新完毕了 ,  估计都没人看了

数据帝~~~

等你图纸，我也学一下

机械创新，。。。

Tony_Stark 发表于 2015-11-12 21:44
数据帝~~~

    只是简单粗暴的计算一下

Robo-OCM 发表于 2015-11-12 22:29
等你图纸，我也学一下

嘿嘿，好呀，给我提提意见。不过，，，早上才计算完一个整体尺寸。。下午继续计算。估计今天出不了图了。。

疯狂科技宅 发表于 2015-11-13 10:01
机械创新，。。。

这个还不是，只是我们学院举办的一个小比赛，参考了机械创新设计大赛。发帖是因为想法来源于RM

lijie 发表于 2015-11-13 13:07
这个还不是，只是我们学院举办的一个小比赛，参考了机械创新设计大赛。发帖是因为想法来源于RM ...

我说的呢