毕业设计（论文）-CF1200清分机后内后外板组成设计

毕业设计（论文）-CF1200清分机后内后外板组成设计 哈尔滨理工大学学士学位论文 CF1200清分机后内后外板组成设计 摘 要 纸币清分机是现代金融机构必不可缺少的重要工具，是一种机电一体化的金融器具，可以同时实现纸币的清分、鉴伪、计数、识旧等功能的能够提高金融业处理现金的速度和效率的一种方便器具。本课题所研究的CF1200型清分机是基于上一代CF1000型清分机的基础上新开发的一代产品，具有体积小，纸币运行快等优点，能够有多种清分模式，防伪度高，识别精确，可适用于银行、商场、超市等公共场所。 本课题所研究的清分机中，主要研究其总体结构的设计，以及纸币在清分机中传动的路径，速度和清分机传动系统结构等，还包括后内板后外板上的高精度核心检测部件。由于清分机的主要功能是进行纸币的计数，鉴伪，清分等功能，所以需要研究装载这些检测部件的后内后外板组成。需要设计其部件的整体结构，以及清分机整体的传动系统，并对其进行计算，校核以及结构的三维建模等。 由于CF1200 系列纸币清分机运用高速图像处理和模式识别技术、多光谱纸质分析及多种防伪技术，实现纸币的高速准确点算和清分，从而为用户建立快速高效的纸币处理流程。所以研究其核心检测系统的硬件组成是为核心检测部件的顺畅运行提供必要条件。 关键词 纸币清分;后内后外板;结构分析 - I - 哈尔滨理工大学学士学位论文 Paper currency sorter Abstract Paper currency sorting is one of the important tools, modern financial institutions essential is a kind of electromechanical integration of financial instruments, can realize the distribution of the bill at the same time, counterfeit detection, counting, old knowledge, etc can increase the speed and efficiency of cash in the financial sector of a convenient appliance. This topic research the CF1200 type extension is based on the previous generation CF1000 type extension on the basis of a development of the new generation of products, the advantages of small volume, notes the advantages of running fast, and can have a variety of distribution mode, high security, and the identification precision, can be applied to Banks, shopping malls, supermarkets and other public places. This topic in the research by sorting and research its overall structure design, and notes in the sorting transmission path, transmission speed and sorting system structure, etc., also includes high precision on plate after plate in the core after testing parts. Due to sorting the count's main function is to the money, counterfeit, and distribution, and other functions, so need to study after load the detection components inside after plating. The overall structure of the need to design the parts, and sorting the whole transmission system, and carries on the calculation and checking, and structure of 3 d modeling, etc. Because CF1200 series paper currency sorting using high-speed image processing and pattern recognition technology, multispectral paper analysis and a variety of anti-counterfeiting technology, realize the high-speed and exact - II - 哈尔滨理工大学学士学位论文 paper counted and distribution, to establish a fast and efficient paper processing for the user. So study the core detection system is the core of the hardware components of running smoothly to provide necessary conditions. Keywords Notes and distribution ;After the plating ;Structure analysis - III - 哈尔滨理工大学学士学位论文 目 录 摘要 ....................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................... II CF1200清分机后内后外板组成设计 ...................................................................I Paper currency sorter............................................................................................ II 目 录 .................................................................................................................IV 第1章 绪论 ......................................................................................................... 1 1.1 课题背景 .................................................................................................... 1 1.1.1 研究意义 ............................................................................................. 1 1.1.2 国内外研究现状分析 ......................................................................... 2 1.1.3 论文研究的主要内容 ......................................................................... 4 第2章 CF1200清分机的总体设计 ................................................................... 5 2.1 清分机基本结构与性能 ............................................................................ 5 2.1.1 CF1200型清分机的主要结构 ............................................................ 5 2.1.2 CF1200型清分机工作流程 ................................................................ 7 2.2 清分机的功能与技术参数及工作原理 .................................................... 9 2.3 本章小结 .................................................................................................. 11 第3章 CF1200型清分机后内和后外板结构设计 ......................................... 12 3.1 对比研究 .......................................................................................... 12 3.1.1 方案一 ............................................................................................... 12 3.1.2 方案二 ............................................................................................... 12 3.2 三混轮与双混轮的传动计算与校核 ...................................................... 13 3.2.1 三混轮与双混轮的传动计算 ........................................................... 13 3.3 三混轮轴的强度校核 .............................................................................. 15 3.3.1 材料的选择 ....................................................................................... 15 3.3.2 三混轮轴的组成结构 ....................................................................... 16 3.3.3 输入轴上功率和转矩的计算 ........................................................... 16 3.3.4 轴上作用力的计算 ........................................................................... 16 3.3.5 轴跨距的确定 ................................................................................. 17 3.3.6 按当量弯矩校核轴的强度 ............................................................... 17 3.4 双混轮轴的强度校核 ............................................................................. 19 3.4.1 双混轮轴的材料选择 ....................................................................... 19 3.4.2 双混轮轴的组成结构 ....................................................................... 19 3.4.3 输入轴上功率和转矩的计算 ........................................................... 20 - IV - 哈尔滨理工大学学士学位论文 3.4.4 轴上作用力的计算 ........................................................................... 20 3.4.5 轴跨距的确定 ................................................................................... 20 3.4.6 按当量弯矩校核轴的强度 ............................................................... 20 3.4.7 轴承的计算与校核 ........................................................................... 22 3.5 本章小结 .................................................................................................. 22 第4章 清分机后内后外板的三维建模 ........................................................... 23 4.1 各零件的三维建模 .................................................................................. 23 4.1.1 软件简介 ........................................................................................... 23 4.1.2 后内板和后外板的三维建模 ........................................................... 23 4.2 标准件库的提取 ...................................................................................... 29 4.2.1 各标准件的提取 ............................................................................... 29 4.3 本章小结 .................................................................................................. 30 第5章 技术济经分析 ....................................................................................... 32 5.1 可靠性的分析 .......................................................................................... 32 5.1.1 可靠性指标 ....................................................................................... 32 5.1.2 可靠性的经济分析 ........................................................................... 33 5.2 新产品的成本估计 .................................................................................. 33 5.2.1 初步设计阶段的粗略估算 ............................................................... 33 5.2.2 新产品设计工作完成够的成本估算 ............................................... 34 5.2.3 新产品定价 ....................................................................................... 34 5.3 产品开发方案的技术经济评价 .............................................................. 34 5.3.1 新产品评价的分类 ........................................................................... 34 5.3.2 新产品开发方案的技术经济评价与选定 ............................... 35 5.4 工艺设计方案的技术经济分析 .............................................................. 36 5.4.1 工艺设计方案 ................................................................................... 36 5.4.2 工艺方案分项经济效益的分析 ....................................................... 36 5.5 本章小结 .................................................................................................. 37 结论 ..................................................................................................................... 38 致谢 ..................................................................................................................... 39 参考文献 ............................................................................................................. 40 附录A ................................................................................................................. 41 附录B ................................................................................................................. 54 - V - 哈尔滨理工大学学士学位论文 第1章 绪论 1.1 课题背景 纸币是世界上广泛使用的货币形式也是现今商业活动的主要载体,在我们的日常生活中是必不可少的,同时由于我国人口众多,因此,纸币的发行量是非常大的。因为是由纸币,所以在不断循环使用后,纸币染色或破碎的现象时有发生。货币发行者将与金融行业合作回收这些纸币,回收后需要注意对纸币整点,挑剔,分版。留下能够持续使用的流通资金，不能用的被摧毁。票据和货币发行人的发行工作以及各金融行业合作都是一项艰巨的任务。由于纸币清分机的出现,克服现有的效率低的缺点,改善该行业的现金处理业务自动化水平,大大提高清分的能力和效率,加快现金流通的速度,货币存量,同时降低财务部门出纳人员的劳动强度,提高工作效率,是金融部门 [1]非常欢迎的一种理想的金融工具 。 1.1.1 研究意义 清分机是一个高端金融机械产品,在我国九十年代中期,也被称为钞票排序、现金和排序,货币排序、纸币(现金、现金、资金)分隔符。是所有金 [2]融工具、专用计算排序硬币或纸币。 清分机是一种高端金融机具产品， 20世纪90年代中期的时候进入我国，又称为高端纸币分选机、现金纸币清分机、货币分选机、纸币(钞票、现金、货币)分选机。是一种专门用来清点、分选硬币或纸币的金融机具。 清分机分硬币清分机和纸币清分机两种。现主要讲纸币清分机。纸币清分机是光机电一体化的高科技产品，综合运用了计算机、模式识别(高速图像处理)、纸币鉴伪、纸币多通道传送等多学科技术;关键技术包括模式识别和纸币多通道传送技术等;其关键工艺是多方向多角度板金部件的精密加工、电气系统组件加工以及整机质量保证。纸币清分机采用高速度图像扫描仪(CSI)、数字信号处理器(DSP)与控制器进行采样控制，具有图像、荧光、磁性、安全线、红外、穿透、光谱等多种鉴伪功能及全新的数字图像技术，全面兼容新旧版本人民币;具有清分、分版、面 [3]向、计数等功能。可检测纸币的残缺、孔洞、折角、笔道、油渍、胶带等。可处理面额:第四、五套人民币5元、10元、20元、50元、100元;韩币和印度币等。 - 1 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 由于金融机构对纸币的识别精确度要求极高，如何克服分类中低质量纸币的干扰，如何设计纸币图像识别系统，构造稳定的系统实现准确稳定的识别分类各种低质量纸币，是目前高速纸币清分机的核心问题。 1.1.2 国内外研究现状分析 纸币识别技术很早就引起了国外研究者的兴趣，在日本、德国、英国等发达国家在纸币识别技术领域已经比较成熟。图像处理、模式识别以及计算机控制技术已经在清分机中得到了广泛的应用，其发展趋势是采用各个学科最新技术不断提高整个系统的功能和效率。目前国外清分机的主要几个生产厂家有日本 Toshiba、劳雷尔、光荣，德国的 G&D、英国的 Delarue 等公司。德国的G&D、英国 Delarue 和日本的 Toshiba 主要以生产大型清分机为主，供央行一级使用，其中德国的 G&D 所占市场份额最大。日本劳雷尔的 TDU 系列以及光荣的 UW-1 系列则是中小型清分 [3]机中的代表，主要用于各大商业银行。国外的这些公司由于起步较早，技术成熟，其产品在国内占有很大的市场。 由于国内研究相比国外启步较晚，技术相对比较落后。随着近几年，相关金融机具制造行业与国内著名高校的协作下，基本已经实现了纸币清分机的国产化，打破了国外产品的垄断。但国内的产品主要以小型清分机为主，对于大型的清分机国内的技术水平还无法与国外的产品抗衡，大型 [4]清分机主要还是以国外的产品为主。国内清分机的主要生产厂家有鞍山聚龙、上海古鳌、沈阳信达等，清华同方，广州百佳以及哈尔滨电影机具厂等公司。这些公司研发出的产品已经投入到市场中，如古鳌的 GA-5000、清华同方的 CS-100CN、比绍特的 CF2000 以及聚龙的 JL501A 等。以下几图就是国内外最新推出的几种纸币清分机。 图1-1 清分机样品 - 2 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 下表1-1是对国内外清分机不同型号的性能比较: 表1-1 清分机性能比较 生产厂家 型号 速度 适用范围 功能 TDU-50C 英国劳雷尔 同时处理三种不同货币， 十个清分等级，张数、金 额点算清分 FS800 l、券别检测、合格度检40000—6000 FS1200 测、形状检测、厚度检测 张/小时 日本东芝 最 多 212.荧光漂白 3.荧光油墨, 种钞票 红外、磁性油墨、金属 线、铝线、水印鉴伪. 面额、版面(正面、背点钞模式 面、左、右面)、缺损、1000张每分 点钞功能;钞票厚度检测钟;面额 不同型号 及防伪;钞票状态检测，自动识别模GFU-200 日本光荣 对应不同 包括肮脏物、破洞、裂式:640 张每国家货币 缝、卷角、重钞、缺损及分钟;清分模 胶纸。 式 640 张每 分钟，正反面 640 张每分钟 强大的 CCD 图像检测功 能可实现对票面污渍、折 角、破洞、涂写痕迹等的S-100CN 清华同方 超过500张/人民币 检测和清分;、具备安全分钟 线解码、荧光、磁性、红 外、尺寸等检测方法，可 对各种钞票进行全面检测 1.钞票种类:各种版本、 各种面额的人民币2.清分 功能:点数0—999 识别 点数模式:并检测出可以钞票 3.钞票 1200张/分质量状况清分:适合重新JL501A 鞍山聚龙 人民币 钟;清分模发行及销毁卷;4.清分方式:1000 张/ 式:钞票正、反清分;5.分钟 清分程度级别:钞票新旧 0-9 级，钞票粘贴折损0-9 级 1. 自由点算，批量点算;清分模式 2. 面额清分;3.成色清分1000张/分CF2000 比绍特 人民币 (10个清分等级)4.方位钟;点钞模式 清分;5.伪钞鉴别 1200 张/分钟 - 3 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 1.1.3 论文研究的主要内容 CF1200型清分机是哈尔滨理工大学受哈尔滨电影机械厂委托开发的，本课题是在CF1200型清分机的开发基础上完成的。由于CF1200型清分机是一种小型的清分机，其具有体积小便于放置，清分速度快等特点，这就对纸币的处理速度要求非常快。由于清分机的核心功能部件大部分都安装清分机的后内后外板上，所以对清分机后内后外板的硬件机构设计是保证清分机正常运行的基础。所以本课题所研究的主要内容包括: 第一章:主要介绍了本课题的来源及其背景意义，对国内外在该方向上的研究以及清分机的功能做了简单的介绍。调研搜集资料以便对清分机的整体结构与功能用途进行一定的了解。 第二章:主要介绍了 CF1200 型纸币清分机的功能，以及清分机的整体结构，包括清分机的总体设计，方案的选择和工作原理等。还有局部构件的结构和清分机的传动系统，纸币在清分机内的运行路径等。 第三章:主要进行清分机后内板和后外板的零件的强度计算与校核等，由于在后内板和后外板上安装有走纸机构所需的三顶轮、三混轮、双顶轮、双混轮等，所以在清分机工作时主要是这些零件的磨损，所以在本章中需要对混轮轴进行受力分析、强度计算以及强度校核等。 第四章:进行CF1200型清分机的后内后外板的三维零件建模以及整体部件的装配,并进行爆炸图演示。 - 4 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 第2章 CF1200清分机的总体设计 在产品设计过程中会涉及很多的国家或行业的政策、法规和标准。这就要求设计者不但要精通本职业务，还应熟悉现阶段的有关政策、法规和 [5]标准，以便在设计中认真贯彻执行。 2.1 清分机基本结构与性能 2.1.1 CF1200型清分机的主要结构 CF1200型清分机的外部结构大致包括限钞架、入钞口、液晶显示器、操作键盘、上盖锁、拒钞口、出钞口、后盖锁、入钞间隙调节器、外部显示接口、电源开关、打印机接口、电源接口等。清分机外部结构示意图如下图2-1、2-2所示 图2-1 CF1200清分机外部结构示意图1 图2-2 CF1200清分机外部结构示意图2 - 5 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 CF1200型清分机的内部结构大致包括后内板、后外板、上机架、下机架等。上机架的作用主要是使纸币能够顺利有序的由入钞口进入进到后内后外板间进行检测，考虑安装入钞机构，确定入钞角和与验钞通相结合时要平滑、稳定过渡。为了保证电机和整个传输系统的稳定可靠，上机架的传输系统主要包括:?1两个直流电机;?2入钞轮轴、捻钞轮轴、阻钞轮轴组成的入钞传输部分;?3三混轮、两混轮、磁头胶轮机动轮组成验钞传输部分;?4大鼓轮、小鼓轮、小平轮及动轮组成钞票输出部分与下机架配合完成;?5换向机构。需要强调的是要考虑到与后内板后外板这样的验钞部分、下机架、托钞板、收钞板左、右盖等的装配结构，同时还要考虑电器元件、电路板、电源线的走线等结构的布置。由于上机架的结构分析不是本课题所研究的对象，所以在这里不再进行细致分析。CF1200型清分机上机架结构如下图2-3所示 图2-3 CF1200型清分机上机架 清分机的下机架是与上机架结合完成的一个钞票输出通道。清分机的下机架的主要作用是主导钞票输出的传动，下机架中主要是大平轮传动吸钞轮。下机架能够与上机架结合并能开合以及锁紧的机构，起到承载整个清分机的载荷的作用需要稳固底座，在下机架的设计中需要考虑电源部分的安装连接，由于下机架不是本课题研究的对象，所以不再深入分析。CF1200型清分机下机架的结构如下图2-4所示 - 6 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 图2-4 CF1200型清分机下机架 清分机还有一个重要的结构就是其后内后外板的组成结构，在这部分结构中包括了清分机检测系统的核心检测部件。对在后内后外板间通过的纸币进行图像检测与处理的核心部件等例如:识伪架、磁头、红外光管、紫外光管、玻片、图像处理器、图像传感器等，这些核心检测部件是都要安装在后内板和后外板上的，所以针对清分机的后内后外板的结构设计是很重要的，对清分机的后内后外板的结构设计在下一章中会详细介绍。 2.1.2 CF1200型清分机工作流程 CF1200型清分机的工作流程大致为纸币从入钞口进入之后经由上机架进入到后内后外板之间进行检测，检测之后进行图像处理，处理的结果直接影响纸币流出时的走向，例如:如果检测出纸币为假币则会使纸币流向拒钞口，而如果检测出纸币为真币则流向出钞口。清分机的检测部件分布图如下2-5所示其中H1、N1、N2、N3、N4、N5等为光电传感器的分布情况。 图2-5 CF1200型清分机检测部件分布图 - 7 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 CF1200型清分机主要由进钞机构、出钞机构、接钞机构、传动部分、机架组成、执行器件以及电子电路等部分组成。 在CF1200型清分机的运行过程中，进钞机构主要是使纸币能够顺利进入上机架内并且不发生断张，走斜，能够保证纸币在入钞机构每运行一次只有一张进入并且不间断。进钞机构主要由托板、输钞轮、入钞间隙调节钮、捻钞轮、阻钞轮、搓钞轮等组成，在这些机构中为使最下面一张纸币与上面的纸币分开，将待清点的纸币逐张送入机器内部，需要搓钞轮、捻钞轮、阻钞轮的联合带动下完成，根据其相位特点可使相邻两张纸币的间距保持相对固定进钞机构的组成如下图2-7所示 图2-7 CF1200型清分机进钞机构组成 若想让纸币顺利进入通道而不走斜，输钞轮和捻钞轮上的聚氨酯橡胶的相位就需要保持一致，这才可以保证纸币进入清分机内部的时候与机架保持垂直的方向。钞票离开捻钞胶轮进入出钞胶轮，由于搓钞轮有四个而且两个搓钞轮间最大间距为102mm，而100元钞票的长度为155.2mm，所以可以保证钞票在放入入钞口的时候四个搓钞轮在送钞轮的作用下同时把钞票捻开，并形成一定的夹角，这样可以保证钞票在进入通道的时候能够不走斜，自动找正。 出钞机构主要由出钞胶轮、出钞转轮组成。其作用是出钞胶轮以捻钞胶轮两倍的线速度把连续过来的钞票有效及时的分开送到后内后外板间的计数器和传感器进行计数、鉴伪、面额识别等。 接钞机构主要由接钞拨轮、堆钞板、挡钞板等组成。接钞拨轮将出钞机构送来的钞票进行分张处理，由挡钞板接住并整理落分张之后下来的钞票，当落下的钞票积累在出钞口或者拒钞口机器清点总数达到100张时，机器停止工作，这时工作人员将钞票取出进行打捆处理。之后机器将继续运行。 传动部分主要由电机、平滑圆弧同步齿形带、平胶带组成。电机将通过平顶圆弧齿形带、传动轮将动力输送给各传动轴。之所以选用平顶圆弧齿形带是因为它的传动效率很高，与带轮间的反向间隙很小，不易打滑， - 8 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 传动比精确，角速度恒定。而且不需要润滑，使用寿命很长并且无污染，传动平稳，噪音小。 清分机的机架主要分为上机架和下机架，都采用厚度为2.5mm的40钢板用转塔冲床一次冲出板型，这样可以使机架左右部分保证对称，精度较高，而且一次完成很方便快捷。 清分机的检测执行器件主要由旋转电磁铁、刹车器、离合器、图像传感器、磁传感器、厚度传感器等组成。由于这些检测部件大多位于清分机的后内板和后外板上，所以在下章研究后内板和后外板的结构设计的时候会详细分析各个传感器检测部件的位置以及检测的顺序等，在这里不再详细分析。 清分机的电子电路部分主要由主控部分、图像采集处理系统、传感器、收发光管、电源板等组成通过多个接口把紫光、磁性、红外穿透、激光、计数等信号、送入主控板，钞票在通过后内板后外板中各传感器接受到的信号进行统计取样、分析、根据事先设定的程序，将钞票送往各出钞口。其工作流程:清分机在走纸机构的配合下，在纸币流入后内板和后外板间的时候CIS 图像传感器需要采集纸币图像，并且经过调理电路处理后，送达至A/D 转换器转换，将模拟信号转换后得到的数字信号再经电平变换，之后DSP 读取图像信息，对图像信息进行识别处理。DSP 处理完一张纸币的图像信号后，控制机构会将纸币放置在相应的机械位置也就是出 [7]钞口或者拒钞口，实现清分机的功能。根据实际需求，还可以将运算结果通过USB 接口传送到PC机中，用上位机读取、分析或打印。 2.2 清分机的功能与技术参数及工作原理 机械产品的功能是指机械产品的用途或所具有的特定工作能力。机械系统与其他系统一样都存在着能量流、物质流和信息流的传递和转换。因此对机械产品的具体功能来说，是实现物质、物料、信号的传递与变换;从本质上来说，就是实现作用对象(物质、能量和信息)的特征变化。 可以把清分机总功能任务描述为对待处理人民币进行处理并输出信号，总体设计示意图如图2-8，输入的是待处理人民币、输出的物料是已处理纸币及纸币信息。 - 9 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 图2-8 纸币清分示意图 CF1200型清分机是一种两出钞口的小型清分机。它的主要功能有以下五种:1)混合点算不同面额的纸币。2)五种清分模式可灵活选择。3)四重防伪技术实现高精度鉴伪。4)有纸币序列号识别功能，可与总行联网，由电脑存储或打印单据。5)适用于银行分支机构、ATM配钞、超市、零售店等场所。CF1200 系列纸币清分机运用高速图像处理和模式识别技术、多光谱纸质分析及多种防伪技术，实现纸币的高速准确点算和清分，从而为用户建立快速高效的纸币处理流程。CF1200系列纸币清分机具有8种工作模式:混合点算、面额清分、版本清分、新旧清分、正反清分、朝向清分、高精度鉴伪、货币序列号识别/电脑存储或打印。 技术参数:(1)可处理币种:第四套、第五套新旧人民币5元、10元、20元 、50元、100元。(2)点钞速度:1000张/分。(3)混点、清分速度:800张/分。(4)号码打印速度:400张/分。(5)入钞口容量:500张。(6)出钞口容量:200张。(7)拒钞口容量:50张。(8)电源:220VAC?10,50HZ。(9)功率:110W。(10)体积:长350X宽330X高360(mm)。(11)净重:16Kg。 清分机的主要工作原理如下图所示，纸币在进入入钞口后，选定清分模式，机器启动，以电机为动力源，在传动机构的带动下，纸币会进入验钞机构也就是后内板和后外板之间，在这里各种控制子系统会被触发对纸币进行清分、鉴伪、计数等处理。在处理之后纸币会在出钞机构的引导下由换向机构将纸币进行分开处理，将需要排除的纸币送入到拒钞口，其余的纸币则输送到出钞口。这样整个清分机的工作流程大致结束。 图2-9清分机工作流程图 - 10 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 2.3 本章小结 本章内容主要为CF1200型清分机的总体设计，包括了清分机的主要功能，清分机主要是来做纸币的清分、计数、鉴伪等。给出了CF1200型清分机工作时的主要参数包括点钞币种。清点速度、入钞口出钞口以及拒钞口的容量等。同时本章也介绍了清分机的外观组成。由于清分机大致可分为上机架、下机架、后内后外板以及后盖等几部分硬件机构，本章介绍了上级架的主要组成以及组成上机架的部分的主要功能，下机架的组成部件和其在清分机工作的时候所起的主要功能，在本章提到了后内板和后外板的组成结构，在下一章中会重点介绍清分机的后内板和后外板的主要结构设计与分析。在本章也给出了清分机的工作原理，在清分机进行清分纸币的时候各部件的主要作用以及纸币在检测的时候的流动过程，同时也对清分机的图像采集及处理系统总体硬件流程进行了推导。 - 11 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 第3章 CF1200型清分机后内和后外板结构设计 3.1 方案对比研究 在清分机的后内板和后外板的方案选用中，有两个方案可供选择，其一是后内板和后外板的材料选择用ABS板，还有一种方案是选择钣金件，在这两个方案中需要综合考虑各自的优缺点来确定最终的选择方案。 3.1.1 方案一 如果选择ABS板的话，无需对板进行冲压、折弯等工艺的处理，而使用模具成型技术一次即可成型，这样的话省下了过多工艺带来的时间上的浪费，这样可以节省时间。但这样的话在设计板的模型时需要花很多的时间，由于板是一次成型的，所以在设计的时候需要考虑模具成型过程中的不利因素，尽量排除掉，而且板的材料为塑料板，所以在选用塑料型号的时候需要考虑其实用性、经济性、材料的耐磨损程度等。在ABS板成型之后，在其上安装的齿轮类零件和各个检测部件会方便很多，在后外板上大多采用过盈配合直接嵌入其中即可使用，而且在板上无需安装红外架检测装置。由于ABS板的重量较轻，安装的时候对定位卡紧装置要求较高，避免产生过多的震动，而且可能会出现前重后轻的现象。 3.1.2 方案二 另一个方案的选择是使用钣金件作为后内板和后外板，使用钣金件的话，在加工的时候需要进行钣金冲压成型及钣金折弯处理等工艺，工艺过程较多，但材料的选择很容易，选择类型也很多，可多方面考虑，而且加工成本并不是很高，各个检测部件和齿轮类的零件在安装的时候定位更容易，而且如果板出现故障不至于连零件都需要更换，而ABS板如果出现故障的话会导致红外架的功能也会出现故障，这样的话会影响检测零件的工作。钣金件由于是金属，所以在重量上可以满足要求，不至于安装之后出现震动的现象影响清分机的工作，所以其稳定性好，而且根据清分机整体的结构考虑要使重量前后均匀，不会出现头重脚轻的现象。所以综合整体考虑的话，选用钣金件会更好一些，经济上成本更划算，整体上结构更合理。清分机后外板的ABS板和钣金件的模型图如下图3-1所示 - 12 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 图3-1 后外板ABS板和钣金件的模型图 3.2 三混轮与双混轮的传动计算与校核 由于清分机后内板与后外板中的部件大部分都是由钣金冲压形成的钣金件，而对于钣金件的强度有关计算本人所了解到的不是很多，而在后内板和后外板之间起传动作用的仅有三混轮和双混轮两部分，所以在本章中只涉及到三混轮和双混轮及相关轴与轴承的计算，所需的其他数值由导师提供。 3.2.1 三混轮与双混轮的传动计算 首先选择动力源，电机的选择:45ZY-2450型永磁直流电机，转速=2400r/min.之后确定传动方案，电机输出转速大、需要减速传动，要求n1[9]传动比精确、平稳、无污染、使用寿命长。给出如下两种传动方案: 方案一:采用齿轮传动。 方案二:采用带传动中的平顶圆弧同步齿形带传动。 方案对比如表3-1所示: - 13 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 表3-1齿轮传动与齿形带传动对比 项目 齿轮传动 齿形带传动 电机连接小带轮，传动 电机与联轴器相连经过一级齿轮传动达轴连接大带轮，中间采基本介绍 到要求的传动比，使电机降速。 用平顶圆弧同步齿形 带。 刚度 较好 较差 受力 承受力较大 承受力较小 安装调试 齿轮安装精度要求高，调试麻烦 安装调试较为方便 设计加工整机重量减轻，结构简整机重量加大，机械加工成本略高 成本 单，制造成本较低 通过对比选择平顶圆弧同步齿形带的原因是:适合长距离传动且传动率高，严格同步，不打滑，传动比准确;无需润滑，不产生对纸币造成的污染;使用寿命长且无需保养;带的使用伸长性非常小，张力调定后便不需再调，初张力也很小，带的运转生热小，还可延长电机和轴承的的使用 [9]寿命;啮合圆滑，传动平稳，噪音小。因此优先选择齿形带传动。确定带型:平顶圆弧同步齿形带，型号为S3M。由于电机传动出来之后通过带连接入钞轮轴和三混轮轴，所以在传动部分需要计算入钞轮轴与三混轮轴之间的传动参数。由于在右板上三混轮轴和入钞轮轴以及双混轮轴之间都是同步带传动，所以只考虑左板上带的传动。 确定设计功率:设计功率是根据需要传递的名义功率、载荷性质、原动机类型和每天连续工作的时间长短等因素共同确定的查机械设计手册可知公式为: P,K，P,0.0336KWdam 根据清分机的清分效率为800张/分，以及三混轮齿轮的齿数做下面的计算。 已知=18;z=22，各级传动比: z轮三混轮18 nn=/=z/z=22/18=11/9 轮三混轮三混轮轮11818i nn=/=z/z=22/30=11/15 对齿轮三混轮三混轮对齿轮2i nn=/=z/z=22/22=1/1 三混轮双混轮双混轮三混轮3i 确定带轮基准直径，在选取模数时考虑到传动比选取模数为: m=0.9 - 14 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 模数的参考值如下表3-2所示: [11]表3-2 齿轮标准模数系列表 0.1 0.12 0.15 0.2 0.25 0.3 0.4 0.5 0.6 0.8 第一 系列 1 1.25 1.5 2 2.5 3 4 5 6 8 10 12 16 20 25 32 40 50 0.35 0.7 0.9 1.75 2.25 2.75 3.25 3.5 3.75 4.5 5.5 第二 6.5 7 8 11 14 18 22 28 30 36 45 系列 18轮的基准直径:==0.9×18=17.2mm; mzd轮轮1818 三混轮的齿轮直径为:==0.9×22=19.8mm; mzd三混轮三混轮 双混轮的基准直径:==0.9×22=19.8mm; mzd双混轮双混轮 其传动误差i=0，故此数据可用。 , 验算带的速度。根据如公式(3-1)所示，计算带的速度。 (3-1)，，,,,dn/60，1000 ,式中:为带速，m/s;d 为带轮基准直径，mm;n为带轮转速，r/min。 ,，，=/60，1000 d,轮轮轮n181818 , =(×17.19×2400)/(60×1000) =2.2m/s?25m/s(满足) 由清分机清分速率为800张/分可知，三混轮的转速为: 800，77n,,1100r/min; ,d v,2,nr则三混轮的齿轮的线速度为:=68.3m/min2.5m/s;则走钞速度为, 888张/分，满足要求。由于三混轮与双混轮的直径尺寸相同，齿轮齿数相同，所以双混轮的转速与线速度与三混轮相同。 确定18轮与三混轮的中心距和基准长度: 根据如公式(3-2)所示，初步确定中心距。 (3-2) ，，，0.7d，d,a,2，d，d12012 a 18轮与三混轮0.7×(17.19+21.01)=26.74mm? ?2×0 a(17.19+21.01)=76.4mm 取=50mm; 0 确定三顶轮与双混轮的中心距: a0.7×(19.8+19.8)=27.72mm? ?2×(19.8+19.8)=79.2mm 0 a取=60mm; 0 3.3 三混轮轴的强度校核 3.3.1 材料的选择 对于三混轮轴材料的选择:0Cr13是铁素体不锈钢中含Cr量最低的一 - 15 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 种。其力学性能为:淬火回火条件下，抗拉强度 σb?490MPa;淬火回火条件下，条件屈服强度 σ0.2?345 MPa;淬火回火条件下，伸长率 δ?245 %;淬火回火条件下，断面收缩率 ψ?60 %;退火条件下，硬度 HBW?183HB。综合上述:可选择的材料为铁素体不锈钢，牌号为0Cr13。 3.3.2 三混轮轴的组成结构 三混轮轴组成的部件主要有三混轮轴1、小捻钞轮2组成。 其结构设计要求主要有:三混轮轴两端保留中心孔;边缘倒棱0.2mm。三混轮轴组成结构如图3-2所示。 图3-2 三混轮轴的结构组成 3.3.3 输入轴上功率和转矩的计算 假设每级传动效率为,=96%根据公式计算每级传动的功率和转矩。 n (3-3) Ρ,Ρηidi20.96 根据公式得:传动功率为0.336得等于0.031KW ，P1 Ρ6Τ ,9，10 (3-4) n 6T,271.910 根据公式得:三混轮的转矩为90.031/1026得 ，，N,mm d2 (3-5) n,n12d1 根据公式得:三混轮的转速为28.65818.5/19.8得 ， =1026r/min n三混轮 3.3.4 轴上作用力的计算 根据公式计算齿轮上圆周力和径向力: T2F, (3-6) td - 16 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 ,Ftantn (3-7) F,rcos, 式(3-6)中:为齿轮上的圆周力，N。式(3-7)中:为齿轮上的径FFtr 20:向力，N;为齿轮法面压力角，对标准齿轮=;为螺旋角。 ,,,nn带入之后得圆周力=2×271.9/19.8 =25.25径向力=9.19。 NNFFtr3.3.5 轴跨距的确定 D,16三混轮轴选择的轴承型号为Z889，其参数为、、,8mmdB,5、。故根据如公式(3-8)所示，来计算轴承载荷中心与轴承,,0: 外侧端面的距离。 DB (3-8) a,，，tanα22 将公式带入得=5/2+(16+8)/2+0等于14.5。 amm 故左、右轴承的支反力作用点分别至左、右齿轮力作用点的间距分别 为:A点到B点的距离为=55.9-11/2-14.5= 35.9,B点到D点的距离LmmAB =192+11/2-14.5=183，A和C的距离为=252.9+11/2-为LLmmACDB 14.5=243.9D与C的距离为 =5+11/2+14.2=25.52。 LmmmmDC 3.3.6 按当量弯矩校核轴的强度 1)作轴的空间受力简图，如图3-3(a)所示。 2)作水平面受力图及弯矩图,如图3-3(a)、(b)所示。 Fcos42:，Fcos48:L-FL，，tBrBDBτCDCR, 根据公式: (3-9) AHL，LABDB 18.76，6.1，183-25.25，25，，17.24N A点的水平分力为等于 35.9，183 Fcos42:，Fcos48:L，FL，，tBrBABτCACR, 根据公式: (3-10) DHL，LABDB 18.76，6.15，35.9，25.25，243.9，，33.42ND点的水平分力为 等于 35.9，183 M,RL 根据公式: (3-11) BHAHAB ,B点水平分力力产生的弯矩为17.9435.9等于644.046mm ，N M,FL 根据公式: (3-12) DH,CDC ,D点的水平分力产生的弯矩为25.25，25等于648.25mm N - 17 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 图3-3 轴的受力分析图 3)作垂直面受力图及弯矩图，如图3-3(a)、(c)所示。 Fsin42:-Fsin48:L-FL，，tBrBDBrCDCR, 根据公式: (3-9) AVL，LABDB 16.90-6.83，183-9，25，，,7.37N得A点的垂直分力为 35.9，183 Fsin42:-Fsin48:L，FL，，BrBABrCACtR, 根据公式: (3-10) DVL，LABDB得D点的垂直分力为=11.89 16.90-6.83，35.9，9，243.9N，， 35.9，183 M,RL 根据公式: (3-11) BVAVAB ,得B点垂直分力产生的弯矩为7.3735.9等于264.583mm ，N M,FL 根据公式: (3-12) DVrCDC N,mm得D点的垂直分力产生的弯矩为925.52等于229.75 ， 4)作合成弯矩图，如图3-3(d)所示。 22M,M，M 根据表达式:得到力在B点处的弯矩应该为BBHBV 22,644.046，264.583等于696.28mm。同理，根据表达式N - 18 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 2222M,M，M,得D点的弯矩为等于671.76mm 631.25，229.75NDDHDV 5)作转矩图，如图3-3(e)所示。计算得出 T,265.3N,mm 6)作当量弯矩图，如图3-3(f)所示。 7)按当量弯矩校核轴的强度。 根据如公式(3-9)所示，来校核轴的强度; 由图3-3(f)可知，取,;因轴的截面尺寸相同，截面B处的当,0.6 量弯矩最大，故应对此校核。截面B处的当量弯矩为: 22M,M，，αT， 根据公式: (3-9) eB 22，，,696.28，0.6，265.3计算当量弯矩为等于714.24mm N ,,490MPa,,,,40MPa对于铁素体不锈钢0Cr13材料，，，故根b-1W 据实心圆轴上危险截面应满足以下强度条件，如公式(3-10)所示，来校核轴的强度。 MMee,,,σ,,σ根据公式: (3-10) 1e-W301W.d 714.243MPa8714.25/0.1等于13.95小于计算危险截面所受弯曲应力为 ，30.1，8 MPa许用载荷40。故轴的强度足够。 3.4 双混轮轴的强度校核 3.4.1 双混轮轴的材料选择 由于轴工作时会主要承受圆周力和径向力，所以轴会出现疲劳损坏。双混轮轴的设计在清分机的整体设计中占有重要的部分，因此需要校核双混轮轴，应保证其有足够高的强度和韧性。来应对应力集中现象还要有良 [12]好的工艺性，还需满足刚度、耐磨性、耐腐蚀性要求。轴的一般材料主要是碳素钢和合金钢。所以双混轮的材料可以选择奥氏体不锈钢，牌号为0Cr19Ni9。其力学性能为:抗拉强度 σb?520MPa;条件屈服强度 σ0.2?205MPa;伸长率 δ5?40%;断面收缩率 ψ?60%;硬度:布氏硬度?187HBS，洛氏硬度?90HRB，维氏硬度?200HV。 3.4.2 双混轮轴的组成结构 双混轮轴组成的部件主要有双混轮轴1、小捻钞轮2组成。 其结构设计要求主要有:双混轮轴两端保留中心孔;边缘倒棱0.2mm。双混轮轴组成结构如图3-4所示。 - 19 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 图3-4 双混轮轴的组成结构 3.4.3 输入轴上功率和转矩的计算 仍取每级的传动效率为，根据公式(3-3)(3-4)(3-5)计,,96% 算每级齿轮传动的功率和转矩。 3KW根据公式计算得实际传动功率为等于0.0336×0.96等于0.029727则P1 r/min计算双混轮的转速为28.65×818.5/19.8等于1106计算转矩为=9×Τ610×0.029727/1106等于254.4。 N,mm 3.4.4 轴上作用力的计算 根据公式(3-6)(3-7)所示，分别计算齿轮上的圆周力和径向力得 tan20:N圆周力为2×254.4/19.8等于25.69径向力为25.69×/等于FFtr N8.81。 3.4.5 轴跨距的确定 D,16,8mmd双混轮轴选择的轴承型号为Z889，其参数为、、B,5α,0:、。故根据如公式(3-8)所示，来计算轴承载荷中心与轴承外侧端面的距离为5/2+(16+8)/2+0等于14.5故左、右轴承的支反力amm 作用点至齿轮力作用点的间距分别为:A点与B点间长度为等于LBA11/2+6+14.5等于26，B点与D点间长度等于11/2+254-14.5等于LmmBD 245。 mm 3.4.6 按当量弯矩校核轴的强度 1)作轴的空间受力简图，如图3-5(a)所示。 2)作水平面受力图及弯矩图,如图3-5(a)、(b)所示。 245FτNR,根据表达式:等于24525.69/219等于27.1。 ，AH245-26 26FτNR, 根据表达式:等于2625.69等于2.9。 ，DH245-26 - 20 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 图3-5 双混轮轴的分析图 根据表达式:等于2625.69等于629.2 N,mmM,26F，AHt 3)作垂直面受力图及弯矩图，如图3-5(a)、(c)所示。 245FrN 根据表达式:等于2458.81/219等于9.86 R,，AV245-26 26FrN 根据表达式:等于268.81/219等于1.05 R,，DV245-26 根据表达式:等于268.81等于229.06 N,mmM,26F，AVr 4)作合成弯矩图，如图3-5(d)所示。 2222，，M,M，M，，根据表达式:等于629.2，229.06等于AAHAV N,mm669.6 5)作转矩图，如图3-5(e)所示。 N,mm=254.4 T 6)作当量弯矩图，如图3-5(f)所示。 7)按当量弯矩校核轴的强度。 22，，M,M，αT根据如公式(3-9)所示: eA 22，，669.6，0.6，254.4N,mm所校核的当量弯矩等于等于686.8 对于0Cr19Ni9材料，，,,，故根据实心圆轴σ,520MPaσ,45MPab-1W上危险截面应满足以下强度条件来校核轴的强度。 MMee,,,σ,,σ根据公式(3-10)所示: 1e-W301W.d - 21 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 3危险截面的弯曲应力等于686.8/(0.1×8)等于13.4小于等于MPa,,σσe,1W45。 MPa 故轴的强度足够。 3.4.7 轴承的计算与校核 由于三混轮轴与双混轮轴所使用的轴承型号相同，所以在这里举三混轮轴的轴承为例进行计算。 计算轴承的当量动载荷: 由上文中计算所得的数据已知轴承所承受的圆周力和径向力分别为: 根据代数式:=2×271.9/19.8等于25.25 NFt tan20:cos0: 根据代数式:=25.25×/等于9.19 NFr 由于该齿轮类型为直齿圆柱齿轮，所以不承受轴向力，由公式(3-11)可知: (3-11) P,XF，YFra 其中P为当量动载荷，X为径向系数，Y为轴向系数。 带入公式得: N P,F,25.25r 轴承的寿命计算: 6fC10,tL,()h10由公式(3-12)可知: (3-12) nfP60p L,14289将数值带入后得轴承的寿命为h满足要求。 10h 3.5 本章小结 本章主要内容都是围绕着清分机后内板和后外板展开的，首先确定后内板和后外板设计的方案选择。由于清分机后内板后外板在清分机工作时主要是各个核心检测部件进行运转，对到来的纸币进行清分、鉴伪、计数等，而在纸币的运输途径上主要是双混轮与三混轮再起作用，所以在本章中主要进行三混轮和双混轮的设计。根据清分机的清分效率为800张/分为已知条件设计双混轮和三混轮的模数以及转速和线速度等，并对双混轮轴和三混轮轴进行结构设计，详细分析了三混轮轴和双混轮轴在工作运转是所受的作用力，并对其强度进行校核，在此过程中绘制出轴的弯矩和扭矩分析图。 - 22 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 第4章 清分机后内后外板的三维建模 为了更好更直观的了解清分机后内板后外板的结构组成，我们试用三维建模的方法生成后内板和后外板以及各个组成零件的三维模型图。在这里我们采用基于SolidWorks三维设计软件的平台设计清分机后内板和后外板的各个零件的三维图。 4.1 各零件的三维建模 4.1.1 软件简介 SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows的3 D CAD系统开发的软件,由于技术创新的趋势和CAD技术的发展趋势,该系统在1995 - 1995年全球顶级微机平台CAD系统评价;自1995年以来,已经积累了第17届国际奖项,并且自1999年以来,权威专业杂志CAD连续四年获得最佳编辑， 界面简洁。并且SolidWorks易用,稳定和创新选择SolidWorks的创新活力, 三原则得到了全面实现和证明,使用它,设计师大大缩短设计时间,产品迅速、有效地占据市场。Solidworks拥有强大的组件。 Solidworks有强大,易于学习,易于使用和技术创新这三个特点,这使得Solidworks领先于同款软件。SolidWorks可以提供不同的设计方案,减少设计过程中的错误,提高产品质量。SolidWorks不仅提供了这样一个强大的功能,还能使所有的工程师和设计师更快速的熟悉SolidWorks，SolidWorks操作简单、方便,易于学习 [16]和容易使用。 熟悉微软Windows系统的用户,基本上可以用SolidWorks设计。SolidWorks的独特的拖拽功能使用户在相对较短的时间内完成一个大型装配设计。SolidWorks和Windows资源管理器和CAD文件管理器是一样的,它可以很容易地管理CAD文件。这样SolidWorks的用户可以在短时间内 高质量的产品在市场上更快被接受。用SolidWorks,整个完成更多的工作, 产品设计可以百分之一百的任意进行编辑、组件设计、装配设计和工程图纸所有相关之间的操作。 4.1.2 后内板和后外板的三维建模 由于CF1200型清分机的后内板和后外板的各个零件过多，所以在这里不一一列举所有的零件的建模过程，我们只分析几个有代表性的零件建模过程，其他的零件建模都使用类似的方法。 - 23 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 4.1.2.1 三顶轮的三维建模 以前视基准面为参考系进 入草图界面选择中心线以原点为中心绘制一条水平的构造线并绘制如下图4-1所示的草图将各部分尺寸标注上绘制完成后点击完成进入零件二维图生成三维图界面点击旋转以平行于X轴方向的中心线为旋转轴生成三顶轮轴如图4-1所示 图4-1 旋转凸台 以前视图为基准面点击正视于并进入草绘界面绘制如图4-2所示的草图绘制完成后推出草绘。 图4-2 拉伸切除草图 点击拉伸切除并确定生成的三维图，以上视基准面为参考系 点击正视于进入草绘界面绘制如下图4-5所示的草图绘制完成后点击确定退出草绘界面。点击拉伸切除生成三维图后点击确定，最后进行倒角过程，点击倒角输入数值后点击确定，这样三顶轮轴的建模过程就完成了如下图4-3所示。 图4-3 三顶轮轴的三维模型 - 24 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 这样三顶轮的建模我们就生成完毕，在装配的时候由于需要有三个三顶轮需要安装配合所以只需要将三顶轮进行重复使用即可进行装配。 4.1.2.2 后内板传感器架的三维建模 由于后内板和后外板的一些零件建模 过程比较类似，所以在这里只举清分机后内板的零件建模和装配的例子，清分机后外板的建模与装配与后内板方法相同，在这里不做过多的讨论。下面进行清分机后内板的各个零件建模过程展示。 首先是清分机的后内板的传感器架的三维建模，打开SolidWorks点击新建?确定?以前视基准面为参考系进入草绘面，绘制入下图4-5所示的草图绘制完成后退出草绘，绘制完成后点击拉伸并进行草图拉伸处理，输入拉伸厚度，之后点击确定，生成的结果如下图4-4所示 图4-4 拉伸特征图 之后我们使用拉伸切除的方式将传感器架进行拉伸切除处理，去除安装检测部件的位置上的多余材料，以前视基准面为参考系并正视于之后进入草绘界面绘制草图并标注尺寸绘制完成后点击 退出草绘界面。退出草绘之后点击拉伸特征中的拉伸切除对刚才的草图进行去除材料的拉伸特征，拉伸切除之后生成三维模型，生成之后我们进行打孔的操作以及拉伸凸台定位装置的操作，仍然选择上视基准面为参考系进入草绘，绘制如下图所示的各个孔的草图，完成后退出草绘进行拉伸切除操作，切除条件选择完全贯穿 打出通孔。之后绘制草图进行凸台拉伸处理，选择拉伸的高度，完成之后选择确定。之后我们做出螺纹孔，首先以右视基准面为参考系进入草绘绘制草图两个圆，绘制完成后退出草绘进行拉伸切除 处理，处理之后点击之后点击异型孔导向选择直纹螺孔 Iso标准孔大小选择M3之后点击位置将螺纹装饰在打好的孔上，在装饰的时候要注意十字光 - 25 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 标要与孔的轴线重合，生成的图型如下图4-5所示 图4-5 螺纹孔特征 完成之后仍然选择前视基准面为参考系绘制草图，绘制完成后进行拉伸凸台与拉伸切除的特征处理，输入拉伸数值，完成之后进行倒角处理，最后将拉伸切除的特征进行镜像处理，镜像参考系为右视基准面点击确定之后生成的传感器架如下图4-6所示。 图4-6 传感器架的三维图型 这样，我们的传感器架的三维建模过程就结束了，下面的三维模型的建模过程其操作大致与前两个相似，这里就不一一赘述了，下面是后内板的各个零件的三维模型图。 后内板的双灯座三维建模模型。 图4-7 双灯座 后内板上传感器架的三维建模模型。 - 26 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 图4-8 传感器架 后内板上佳能传感器的三维建模模型。 图4-9 佳能传感器 后内板的透光板的三维建模模型。 图4-10 透光板 后内板的红外光板的三维建模模型。 图4-11 红外光板 4.1.2.3 后内板的装配 下面进行三维建模的装配过程，在这里我们以后内 板和其上的各个零件为例进行装配。首先打开SolidWorks点击新建?装配体?确定，打开装配界面点击插入零部件插入清分机后内板将后内板固定到坐标中心原点处，之后点击插入零件点击浏览选 - 27 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 择要插入的零件佳能传感器。点击?点击重合?平行 ?同轴心配合之后的结果如下图4-12所示。 图4-12佳能传感器的装配 点击插入零件图插入传感器架将传感器放入装配界面，点击配合 ?点击重合与同轴选择传感器架的正面与后内板的背面重合配合，以两个零件的通孔的轴线同轴心进行配合，配合后的结果如图4-13(左)所示。 图4-13 传感器架装配 点击插入零部件插入下一个零件双灯座如图4-13(右)所示。之后点击配合?重合和同轴心选择双灯座的正面与后内板的背面上侧重合并使双灯座的螺纹孔与后内板的螺纹孔的轴线重合?点击平行使后内板外侧面与双灯座外侧面平行，点击插入零部件插入红外架点击配合?点击重合?平行?同轴心将红外架安装在后内板下方框架，这样，清分机后内板和其上的零部件我们就装配完毕，最后的装配图如下图4-14所示。 - 28 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 图4-14 后内板装配 到这里，我们的三维建模和装配过程就结束了，由于后外板和其上的零部件的建模和装配过程与后内板的装配过程相似，都是使用相同的方法进行建模和装配，在这里就不再一一赘述。 4.2 标准件库的提取 在后内板和后外板的三维建模装配中会用到很多标准间的装配，例如:轴承、螺栓、螺母、垫片等，而这些标准件都是要严格按照国际标准选择尺寸的。在SolidWorks中有标准件库，我们可以在此提取我们所需要的各种类型的标准件，下面介绍一些标准间从库中提取的过程。 4.2.1 各标准件的提取 首先介绍螺钉和螺母的提取，以M320的六角螺钉为例，打开， SolidWorks，点击设计库点击工具库，在列出的所有标准中选择国际标准，选择螺栓和螺钉，选择六角螺栓和螺钉 ，根据具体需要选择B级精度六角螺钉点击鼠标右键选择生成零件在配置零部件选项下选择大小为 长度选择螺纹显示选择以便更好更直观的看清楚零件最后点击确定生成的六角螺钉如下图4-15。 - 29 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 图4-15 六角螺钉 下面进行销零件的提取，以圆锥销320为例。先打开SolidWorks， ， 点击设计库，选择设计库选项下的工具库，选择国际标准的选项，选择销钉选项，选择锥形销选项选择型号为锥 选择大小为销ISO-2339的销，点击鼠标右键选择生成零件 长度为其他选项为默认选项，点击完成生成的销零件如下图4-16所示。 图4-16 销零件模型 还有很多其他的标准件如轴承、螺母等，在SolidWorks里的提取方式都是一样的在这里就不一一赘述了，需要注意的是不要选错型号和精度等级。 4.3 本章小结 在本章中，我们主要进行的是对清分机后内板和后外板以及其上的各个零件进行三维建模与装配，在本章中通过对三维零件的建模，我对SolidWorks有了更深入的了解，在这几个零件的建模过程中，我深刻体会 - 30 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 到了一个三维软件强大的功能。使用三维建模的方法创建后内板和后外板的各个零件模型让我对清分机的后内板和后外板的外形有更深入的了解，在进行三维建模的装配过程中，我了解到了清分机后内板和后外板结构的细节，以及各个零件的安装位置和外形结构。 - 31 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 第5章 技术济经分析 5.1 可靠性的分析 5.1.1 可靠性指标 可靠性指产品在条件下和规定时间内完成规定功能的能力。广义上来说，还包括在规定条件下的规定时间内恢复功能的能力。用数量表示可靠性的特征量成为可靠性指标。可靠性指标主要有: (1)可靠度。指产品在规定时间内和规定条件下完成规定功能的概率。提高产品的可靠度，可以减少修理费用，减少计划外的停工损失，从 [17]而可以提高产品的生成率和降低其生产费用。提高产品可靠度的主要途径有:减少需要调整的部位;采用新的优质材料，改进产品的工艺性，提高产品强度等。可靠度可用如下公式表示: ,,tR=1-F= e 式中 R---可靠度 F---不可靠度 , ---故障率 t---时间 图5-1 可靠度与成本的临界点 - 32 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 图5-2 可靠度与利润的关系 (2)维护度。维护度表示产品不发生故障，持续工作的概率。产品在工作过程中绝对不发生故障的情况是很少的，要有一个指标来反映产品在使用过程中发生故障后能立即修复，保持良好运行状态的能力，这个指标就是维护度。指产品在规定工作时间内修复的概率。 (3)有效度。有效度是指产品无故障工作时间和修复时间合起来表示的可靠度。 (4)故障率。故障率指产品工作t时间后，每单位时间发生故障的概率。故障指产品丧失了规定的功能，包括修复后的失效。 5.1.2 可靠性的经济分析 如果想要对产品的可靠度进行确定，就需要满足两个必要的条件:一是了解产品的功能以及用户对产品的要求，这些都是要满足的;二是利润的因素，由于企业的存活很关键的因素就是利润，所以提高产品的可靠性，这样的话会投入更多的财力人力，产品的价格势必会提高，而成本同样也会提高，但是价格不可以提的过高，因为过高的价格会影响购买的用户的数量，成本过高的话，企业也会因此得不到应有的利润，所以在对产品的可靠度进行评估时必须进行技术经济分析。 5.2 新产品的成本估计 新产品成本是由原材料、工资和费用三个主要部分组成的。由于新产品设计阶段的成本受到许多未确定因素的影响，一般只能估算。但随着新产品设计工作的不断深化，估算的精确性也随之不断提高。 5.2.1 初步设计阶段的粗略估算 计算公式为: C=C1H 式中 C---新产品的估算成本; - 33 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 C1---类似产品的单位重量或者尺寸规格的成本; H---新产品的设计质量; 5.2.2 新产品设计工作完成够的成本估算 计算公式为: 1 C,[M，L(1，,，β)]()11，γ 式中C---新产品估算成本; 5.2.3 新产品定价 (1)系列产品中新规定产品的定价方法。系列产品指同一个品种有许多不同规格的产品，新规格产品的定价，可参照拉规格产品定制。 (2)原创型新产品的定价方法。原创型新产品价格的确定，应考虑生成成本、产品价值、市场供求状况及购买者的心里状态等因素。 5.3 产品开发方案的技术经济评价 21世纪之后，我们对新产品的技术经济的评价有了新的指标，例如要在技术上和经济上分别对新产品的方案进行分析，还要对比方案，对新产品进行研究和论证并且做出最科学的分析和最全面的评价，这是对新产品开发很重要的环节，也是为了提高产品的效益保证产品能够顺利稳定住市场。新产品的开发是需要不断创新，不断改正，从市场中得到反馈并针对反馈的结论进行改进，尽最大可能的消除不稳定的因素。所以，在新产品开发的各个阶段都要进行全面的技术经济分析评价，不断完善新产品的方案以达到设计新产品时预期的效果。 5.3.1 新产品评价的分类 根据新产品开发的方式、目的及评价角度不同，可有不同的评价。 (1)按新产品开发的顺序分为初期评价、终期评价和事后评价。 初期评价。是在设计新产品确定最初的方案时的评价。其目的是为了让设计部门，市场营销部门，生产部门等相关部门互相交换信息和意见，以便考虑该产品是否适合生产，能否满足市场的需求为企业带来利益，以及企业的技术是否完全支持并经费方案的问题。 中期评价。是在新产品的样机生产出来之后进行检测、试用合格之后进行的评价。这样做是为了全面检查新产品的各项功能指标，技术是否满足要求，成本的指标是否符合开始制定方案时所要求的，避免出现故障，为下一步投入生产做准备。 事后评价。是在新产品投入生产一段时间之后进行的评价。其目的是 - 34 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 为了各方面收集使用者的意见，对产品的使用效果进行检测，评估其性能指标，以便进一步的改进。 (2)按新产品开发方案的评价内容分为技术评价和经济评价。 技术评价。对产品的机构、功能、性价比和使用场所等有关的产品技术因素进行的评价。 经济评价。是对产品投入生产上市之后的利润效益做出评价。 (3)按照新产品开发的想、影响因素分为定量评价和定性评价。 5.3.2 新产品开发方案的技术经济评价方法与选定 新产品开发的技术经济评价方法很多，例如:产品价值工程、投资利润效率法、投资分期偿还法、成本与利润分析法、可行性分析、净现值法、指数法、评分法、利益评价法等，这些方法中在这里我们简要介绍评分法及利益评价法的应用。 1)评分法。评分法是听取评价方对新产品的方案所作出的直接判断，并对其进行打分来确定最佳的方案其程序是: (1)针对评价对象，选定评价项目。这种评价一般是考虑评价方的情况把各个影响因素对各项指标的影响作为评价的目标，这些因素大致包括产品的生命期，产品开发技术基础、环境、生产力、销售市场以及利润成本等。 (2)制定评价标准进行评分。就是把每个评价的项目按照等级划分再进行评价。等级采用分值制，例如如果满分为100分，那么60分才能达到合格的标准，这样的话就能清楚的反映出各个指标的具体水平。假如评价的是具体的某个技术经济指标，那可以用比例的方法直接表示各个评价项目的先后重要性。 最后，将各个评价项目的评价结果加以归纳综合，就可以对方案进行总评价。 2)利益评价法。利益评价法是通过计算开发后所能获得利益的概率，确定其是否符合目标要求，以作为新产品开发决策的依据。 新产品开发利益的期望值计算公式为: S,Q(S,C),F BhV SB式中 ---某产品开发利益期望值; Q---平均产量估算值; Sh---产品销售价格; Cv---单位产品的可变费用; F---开发新产品的固定费用总额。 最后选取综合评价值最高的。 - 35 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 5.4 工艺设计方案的技术经济分析 5.4.1 工艺设计方案 工艺过程是按照产品设计图纸，劳动者使用劳动工具直接改变劳动对象的物理性能成化学性能，使之变成具有一定使用价值的产品的过程。对工艺过程的设计成为工艺设计。为保证优质、高产、低耗、安全地制造产品，必须制定工艺方案。工艺方案的基本内容包括:新产品试制及老产品改进中的技术管件及其解决办法;主要部件的加工方法及设备、工艺装备的选择配备;工艺线路的安排及相应的生产组织形式的调整;工艺方案的经济效果分析等。完成同一产品的工艺过程，可以有很多种工艺方案。因此，必须对工艺方案进行全名的技术经济分析，以选择采用既能保证产品质量，又能尽可能少的劳动耗费完成工艺过程的方案。 5.4.2 工艺方案分项经济效益的分析 图5-3 清分机后内板后外板 这组零件我们首先进行经济性分析:采用钣金件的零件价格为:165元。其中材料费为:22元;加工费为:75元;均摊设备折旧、工人工资、企业管理费等费用为:68元。对样机功能性验证完成后，对这组零件做批量生产工艺技术经济分析。如采用注塑模具加工，则模具制造费用为:8万元，按3年生产10000台份均摊模具费用，则每组零件均摊模具费用为:8元。零件原材料费:重量×材料单位价格=36元;加工费:重量×单位材料加工费用=23元，均摊零件包装、运费每组件为:5元.则采用模具加工，零件成本为:64元。 其次，我们对其进行技术性。采用钣金件，存在的技术问题一是加工使用设备多，有转塔冲床、激光切割机、数控折弯机、钻床、攻丝机等，设备精度将直接影响零件加工质量和质量稳定。最为关键一点是，由于零件设计存在工艺性不好问题(这主要是整体设计结构局限)，在落料加工 - 36 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 过程产生的内应力没有消去，造成折弯后零件表面凹凸，平面度超差，不得不采用后续人工调平来补救。但人工调平存在不稳定和反弹问题，使得装机后，走钞通道间隙过大且不均匀，使得磁信号、图像信号波动过大，采集不好，必须反复调整零件或更换部件来调整。不仅影响装配质量和效率，还影响机器功能，造成机器性能不稳定。而采用注塑模具加工，不仅成本大幅降低了，同时还解决了钣金件存在的平面度问题，使得走钞通道间距能够保证，确保磁头、传感器在最佳间距采集信号，完全可以实现机器设计功能。 这就是我们在实际进行产品和供应设计过程中根据产品结构和零部件的特点进行技术经济分析和比较，从而，实现降本增效的目的。 5.5 本章小结 在本章中谈到了技术经济分析的问题，在清分机产品的制造过程中要考虑的因素有很多包括制造材料的选择、制造成本、技术人员的制造水平等，所以在对清分机进行研究的时候讨论产品的技术经济分析是必不可缺少的。在本章中更多的讨论了对一个新产品的研发生产中都应注意哪些问题以及方案的选择，由于这是第一次在论文中讨论技术经济分析的问题，所以在此过程中会有很多不足和疏忽遗漏的地方，这些问题还有待改进和完善。 - 37 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 结论 在本文的设计中对CF1200型清分机进行了一定的分析，重点分析了清分机的后内板和后外板的结构设计。在本次设计中，对清分机的整体结构有了一定的了解，明白了清分机的功能。在整篇文章中分层次的介绍了如下的内容: (1)首先，对清分机的作用，在国内外发展情况以及对整个金融界的贡献做出了一定的介绍，由于清分机的出现，大大提高了银行工作人员的工作效率，减少了工作人员的劳动强度，所以本科题研究清分机具有实际意义。 (2)对清分机的整体结构进行详细的介绍，介绍了清分机的外形和内外部结构，并简单介绍了清分机的工作原理，纸币在清分机中的传动途径，分析了清分机上机架、下机架、和后内板后外板的具体结构，阐述了进钞机构和出钞机构具体内容。 (3)对清分机的后内板和后外板进行结构分析，确定了最优方案，在本章中对清分机后内板和后外板的主要传动机构三混轮轴和双混轮轴部分进行传动计算和轴的强度校核以及受力分析。 (4)在本章中重点介绍了后内板和后外板上各个零件部分的三维建模过程，以及后内板上各零件的装配模拟，通过对本章内容的设计加强了自己使用三维软件的能力，能够更熟练的使用三维软件进行各种零件的建模，通过对三维零件的建模，使自己对各个零件的具体结构有了更深入的了解，个人觉得三维零件的建模真的是做毕业设计中不可缺少的一个环节，通过做三维建模才能使自己真的了解所做课题所涉及到的零件的结构，同时也可以辅助自己看懂二维CAD图。 (5)对清分机的产品进行技术经济分析，通过评估技术水平，生成因素最终评价产品生成成本，以实现对技术经济的分析。 在本文的设计中能够很好的满足CF1200型清分机的后内板和后外板的传动结构设计要求，清分机的研制成功，极大的提高了我国清分纸币的自动化和标准化水平，减轻工人的劳动强度。虽然所设计的CF1200型清分机能够满足工作的需求，但是和国外的清分机性能相比还是有一定的距离，还需进行优化改进的地方是:清分模式的多样性，自动化程度提高，以及硬件的使用寿命。 - 38 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 致谢 本论文是在我的导师李建丁的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严谨的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，李建丁老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在设计、审图和结稿修改过程中学院老师们也给予我很大的帮助，在此谨向老师们致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 经过不懈努力，我的毕业设计圆满地画上了句号。通过学习、研究清分机结构的相关资料，学到了很多知识，而且在图纸的绘制过程中进一步熟悉了二维及三维绘图软件的应用。这段历程不仅仅是单纯的设计过程，更重要的是一个独立工作能力的锻炼过程。从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学朋友给了我无形的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意～ 在本文结束之际，大学生生活也即将宣布结束，在大学生活里，大学的老师们给予我无私的教导，有了他们的帮助，使我少走了很多的弯路，受益匪浅，在此一并向大学期间所有关心、支持、帮助我的老师和同学们，特别是我的父母，是他们的无私奉献，我才能在此安心学习，得到深造的机会，我对此表示衷心的感谢～在即将毕业之际，祝他们一路顺风、事业有成，老师、父母身体健康;更希望母校蒸蒸日上，桃李满天下，建设得更加美好～ - 39 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 参考文献 [1] 不宜流通人民币挑剔标准 ,2004:1-3 [2] 于滨红，刘洪志.纸币清分机系统介绍，2009:12-14 [3] 李鹏.纸币清分机图像采集及处理系统硬件平台的设计，2008 [4] 多滨.多币种清分机的研究与设计[D];哈尔滨理工大学，2008 [5] 段铁群.机械系统设计.北京:科学出版社,2010 [6] Teranis hi M, Omato S, Kosaka T. 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Generalized 3D tolerance analysis of mechanical assemblies with small kinematic adjustments. 11E Transactions.2008 - 40 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 附录A - 41 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 42 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 43 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 44 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 45 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 46 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 47 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 48 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 49 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 50 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 51 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 52 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 53 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 附录B 关于机械系统的控制系统的自动化 清川 工业电子产品与系统实验室,三菱电机公司8-1-1, 尼崎Tsukaguchi-Honmachi,661年兵库县, 电子与电子工程系,香港大学。 在本文中,一个用户友好的和全面的对控制系统设计方案 控制系统设计自动化(CSDA)进行描述。系统包括五个主要模块: 要求解释,建模、分析/设计、数据库管理和知识库,验证。要求解释的块规范方面的控制应用程序的转换。分析/设计选择一个最优控制块结构和控制器参数确定。除了传统的设计方法CSDA还包含最新的LMI设计方法和凯斯勒等设计方法。LMI方法可以获得一个控制器,同时满足多个规范项目配置系统和分析/设计详细描述。 关键词:控制系统设计,机械系统,反馈控制,设计自动化, 计算机辅助控制系统设计。 1。介绍 目前,许多控制系统设计问题是解决由技术熟练的控制工程师这个行业。自动化控制系统设计的一个目标(CSDA)是使控制系统设计方法更多的工程师,这样他们就可以得到满意的控制系统设计和控制器在很短的时间内。CSDA系统包括用户机器人设计师和机械设计人才培养在机械工程领域。工程师的目的在于综合控制系统设计工具进行机械系统的设计。工业的特定目标机器人、x - y表和转让的机器。如今,计算机辅助控制系统设计(CACSD)工具MATLAB / SIMULINK和MATRIXx高绩效的分析,仿真和快速原型。这些工具是非常有用的对于一个熟练的工程师设计一个控制器来说。并对其进一步的工作进行了构建。CACSD工具的最优控制参数对于一个给定的控制结构自动计算。然而,这些工具不能转换应用程序的需求规范用于CACSD的物品工具。此外,他们不自动选择一个最优控制结构。为了克服这些问题,高水平的用户 - 54 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 友好的控制系统设计方案建立机械系统的控制器设计。这样的的控制系统设计环境称为CSDA。它的特殊功能CSDA系统包括以下: (1)要求在一个特定的应用程序可能不会表达的条件控制设计的规范。CSDA系统可以改变这些应用程序需求规格可以治疗的控制设计方案。 (2)CSDA系统一组全面的控制设计方法。最近的一些方法如LMI方法和设计凯斯勒/ Manabe方法。 (3)系统可以自动选择适当的控制结构除了确定一组控制参数。 (4)一个用户友好的界面使用图形用户界面开发在MATLAB(GUI)。 (5)分析,设计的控制系统可以进行不同类型的命令输入。目的是选择一个合适的命令控制信号在最后的控制系统。 (6)验证控制系统的设计可以使用DSP-CIT系统。 (7)CSDA中的知识库模块系统可以提供指导用户在设计过程中。启发式知识从以前的设计 经验可以编纂和提供给用户。 (8)系统中数据库管理模块可以帮助组织设计结果的用户。一个数据库过去设计活动也可以 帮助设计师决定适当的控制结构和控制器参数。CSDA系统的目标是,用户可以设计满意的控制器容易即使他们没有太多的经验控制系统的设计。微调控制器可以进行的参数优化。 摘要CSDA系统中描述的配置细节。同时,详细描述了分析/设计。分析/设计CSDA块最重要的块,提供所需的控制系统设计自动化。 2。系统的配置 CSDA系统的配置如图1所示。CSDA系统由五块:一块要求解释,建模,分析/设计,数据库管理和知识库,和一个验证块。建模,分析/设计块,验证的仿真模块使用MATLAB /构造块仿真软件。DSP-CIT(由:GmbH)用于快速在验证块原型模块。 2.1。要求解释块 有时,在一个特定的应用程序需求可能不会表达控制设计规范的条款。在这一块,给定的需求 从应用程序转换为规范治疗控制设计方案。由于不同应用程序的要求应用程序,要求解释块指定模块显示每个控制对象。例如,当被控对象是一个工业机器人需求在应用程序中是标准的连续运转,定位精度和跟踪准确性。控制设计规范交叉频率,数量的过头,沉淀时间。加速时间和减速时间计算,和标准连续运转转换结算时间。可以接受的 - 55 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 极限过度的定位精度的计算。交叉频率是决定根据所需的跟踪精度和最大速度。规范之后再交由分析/设计和建模块。 2.2。建模块 在建模,控制对象的模型是通过一个实际的设计参数的测量或控制对象。在这样的情况下,顺序模型太高的设计一个控制器,模型的订单需要减少。例如,一个three-mass模型是近似的两个模型如果第二振型共振频率是高于交叉频率。然后发送到降阶模型分析/设计。 2.3。分析/设计块 分析/设计块有六个模块:控制结构选择模块,一个控制参数计算模块,预设计分析模块 ,命令信号生成模块和一个参数优化器模块。控制结构选择模块和命令生成模块将应用适当的模块控制系统设计。所有模块的分析/设计构造块的使用。 在这一块,一个控制器的结构和参数设计根据解释需求和系统模型。在传统CACSD系统,用户需要选择控制器的结构,如PID。此外,用户需要提供的一些标准,成本函数,等CACSD系统。CSDA系统开发的目的是自动化这些过程通过分析给定的规范和模式。因为它很难得到最好的自动控制器,系统需要一些重新设计的过程。如果结果不满意,用户可以修改后和/或过程中设计参数。如果给出的规格要求解释感到满意,设计命令信号和设计控制器发送到验证块。如果这个规格不满意,重新设计需求发送到要求解释。更多细节将在下一节中给出。 2.4。验证块 在这个块中,仿真实验和/或规范是满意。在模拟块采样时间的影响,定量,反弹,摩擦是考虑。此外,高阶模型可用于模拟。使用MATLAB / SIMULINK编写M——CIT文件和DSP用于快速原型。如果不满意给定的规范,重新设计的命令将被送到,要求占建 模和分析/设计或块。如果规范满意,命令信号,控制器设计。 2.5。数据库管理和知识库 2.5.1。数据库管理模块 - 56 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 许多控制系统设计方案没有提供任何支持的数据库管理。控制系统使用包或进行设计活动 比如MATLAB设计环境。然后由工程师决定存储的设计结果和文档设计活动。通常,结果 放入文本格式的数据文件,并给出一个有意义的文件名的文件。 很少的设计方案有一个内置的数据库管理功能作为一个整体CACSD环境的一部分。数据库管理模块CSDA为用户系统是一个内置的工具。工具的目的是: 1。跟踪和组织模型、设计规范、控制器获得和控制系统设计生命周期分析结果。 2。自动化控制系统设计的文档的活动工程师。这是为了避免手工组织大量的数据和文件创建过程中设计过程。 3。形成一个数据库在过去设计活动可以帮助未来的设计尝试。它应该很容易通过使用查询检索数据和信息在数据库上。 数据库的形成和更新后的每个设计会议。结束时每一个会话,系统参数,设计规范,控制结构 选中时,控制参数,设计分析结果以及编写评论从设计师作为一个关系数据库存储,与基础 信息设计的会议如身份证号码、日期、时间和名称的设计师。这是一个非常有用的设施的自动化文档设计会议。当前版本的CSDA而言线性控制系统设计,衍生品模型之间的可溯性的问题没有出现。然而,如果CSDA扩大在未来,然后信息不同模型之间的关系必须存储通过引入参考指针在每个数据库项目。 2.5.2。知识库模块 CSDA系统知识库模块包含了启发式知识控制系统的设计过程。它是使用控制实现的系统设计方案称为奖牌。奖牌是一个复杂的计算环境开发了滑铁卢大学的数学模拟和专家系统开发。奖牌的独特的特征是,它提供了一个集成环境对数值计算和以知识为基础的系统开发。 奖牌是一个扩展的语言语法受欢迎的MATLAB(矩阵实验室)的语言。奖牌语言语法的例子, 金牌提供数学函数和M-files功能类似于MATLAB。然而,金牌也有命令的语法(模糊)专家系统开发、包装等数据结构矩阵,和框架。因此,奖牌是一个集成专家系统外壳以知识为基础的系统的开发可以执行复杂的数值计算。知识可以使用事实、规则框架和模糊逻辑。 在我们CSDA系统,模型和相关信息系统可以输入的规范知识库模块。发现从预设计分析也将用于知识库模块。模块应该轮流提供建议。用户可以请求推理知识库模块的结果。设计在会话结束时,用户要求他设计文档和注释。这些设计经验也是非常有 - 57 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 用的更新知识库模块。但并不是当前的实现与MATLAB的奖牌,设计师必须打开一个单独的窗口运行一个奖章。MATLAB之间的数据交换和奖牌必须使用外部数据文件进行。因此,奖牌被用作辅助计划,帮助组织CSDA知识库。 3。分析/设计块 这一块是CSDA的核心系统。控制结构选择的细节模块和控制参数计算模块进行了介绍。预设计分析模块和部分设计分析模块是短暂的。一个命令信号生成模块和参数优化模块将包括在未来。作者检查了控制算法选择一个满意的控制结构及其参数。这些算法被编写为用户定义在MATLAB函数。CSDA系统的一个特殊特性是一个“汽车设计”按钮。这个按钮的目的是给一个自动化的设计解决方案用户。这包括控制结构的选择和一个合适的设计控制器参数。前面的结果设计一个控制器也保存。因此,系统也可以选择一个满意的控制结构和决定其参数参照以前的设计结果。 3.1。预设计分析模块 系统模型参数在此模块显示或修改。各种各样的图可以显示控制系统分析。系统的极点,谐振频率和谐振频率的模型还显示,帮助用户决定控制结构和控制器参数。结果这个模块还可以通过知识库模块,可为用户提供一些启发式知识和建议。 3.2。控制结构选择模块 选择模块,两个模块1、2两个模块,选择模块选择一个合适的模块根据降阶系统模型。然后,一个令人满意的控制结构中使用选中的模块,如图3所示。如果订单减少模型是一个两个模型如图2所示,可以加载位置测量,两个模块1将被选中。在两个模块1中,两种类型的状态反馈控制器在图4和图5。图4所示的控制器是一个没有扰动观测器状态反馈控制器。所示的控制器图5是一个额外的扰动观测器的状态反馈控制器它包含的名义逆模型加载和挠性接头。这观察者介绍抑制负载参数变化的影响惯性和刚度系数的两个模型。所以,以防最小j - 1的值是小于标称值的一半,控制器2所示图5是在汽车设计中选择模式。 当负载位置无法衡量,2是选择两个模块而不是两个模块1。在两个模块2中,一个状态反馈 控制器与全阶观测器和四个控制器内部循环速度准备。四个控制器扰动观测器控制器,状态观测器控制器、PI-D控制器和PI控制器。在两个模块2令人满意选择控制结构的反谐振频率控制对象和所需的截止频率。如果反谐振频率高于截止频率,一个状态观测器的控制器被选中。在另一起案件中,一个扰动观测器的控制器被选中。当然,用户也可以选择一个控制器。 3.3。控制参数计算模块 参数的控制结构可以使用相同的控制计算系统设计技术,如极点配置或凯斯勒/ Manabe方法。计算的方法有一些共同点,即使满意的参数控制器的结构是不同的。 - 58 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 主要模块有LMI模块,极点配置模块,和凯斯勒/ Manabe模块方法。这样的控制结构参数选择计算在这些模块。 3.3.1。LMI模块 线性矩阵不等式(lmi)已经开始被用于控制系统设计。lmi的优点是,许多分析和合成可以制定为lmi问题,例如h,H2,极点配置等等。此外,lmi通常可以解决有效地利用现代数值算法。如果找到一个解决方案,它是全球最优解问题LMI-constraints。LMI的概念是有吸引力的,因为它可以结合不同的控制规范或方法在同一框架。的设计师可以找到一个最优控制器控制规范制约。LMI问题的最优解是通过迭代找到。计算能力要求非常高,足以解决lmi。在未来,这将是更高因此能够解决更复杂问题更快。 LMI模块,三个不同规格的总和。这些规范,极点配置和参数变化是用来实现较低的系统对扰动的敏感性。换句话说,一个最优控制器设计最小化 最严重的错误所产生的任何干扰。 (B)极点配置LMI。极点配置LMI方法指定系统的性能。通过分配一个极点配置区域、时间响应和系统的阻尼可以控制。这使我们能够执行机构考虑到限制。例如汽车只有有限的驾驶 转矩,因此反馈收益的大小是有限的。同时,稳定度和时间响应可以指定的两极移动从原点。 LMI(C)植物参数变化。提高性能,两种规格正在被使用。首先,上述描述目标确保低灵敏度在低频区域。其次,参数变化量发生变化。控制对象是由一个描述符表示形式LMI模块和LMI形成每一个最大/最小值降阶模型的参数。例如,模块的数量lmi变成四个当两个参数是不同的。 一个状态反馈控制器和全阶观测器极点可以分配会的。算法,算法3、4或算法用于分配的两极控制器。名义上的植物,状态反馈控制器的设计算法1没有超调,但上升时间长。状态反馈控制器算法设计的3大超调,响应振荡的算法设计的控制器4上升时间很短,但它有一个很小的超调。算法2也有类似的性能算法1。参数变化是最高的算法2。根据上面提到的特性,算法2是用于汽车设计模式。 3.3.3。凯斯勒/ Manabe方法模块 凯斯勒/ Manabe方法是一个代数方法,其设计理念基于闭环特征多项式系数的相对大小。 首次提出这种方法的是老人凯斯勒博士在1960年西门子1974年由Blaschke精制。一个标准形式的设计参数建议和方法用于直流巨大的成功和交流电机控制。重要研究的稳定性 1978年由Lipatov加强。稳定和充足的条件导出了线性连续系统的不稳定,这些表达不平等的形式根据相邻系数的特性多项式。该方法成功地应用卫星的姿态控制在日 - 59 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 本三菱电机。Manabe博士进一步发展的方法引入一个图形,称之为系数图方法(CDM)。 他也进行了广泛的研究设计参数和修改了凯斯勒提出的标准形式。它已经被用于钢厂控制, 空气加热器的控制和监管城市供热网络的压差。因此,凯斯勒/ Manabe[20]设计方法已经被知道并应用于巨大的成功在许多工业应用,尽管该方法存在不知名的学术圈。 这种方法是一组的设计参数稳定指数和一个等效时间常数。 3.4。POST-DESIGN分析模块 post-design分析模块提供给一个初步的评估控制设计。这将给一个想法的适用性控制结构 选择和控制参数。更详细的分析在验证块进行更详细的系统模型。另外,微调控制器的参数可以进一步提高控制设计参数优化模块。在这个模块中,九项相关的性能和鲁棒性系统检查。上升时间、超调、最大震级控制信号、带宽、最大下降步骤添加扰动时,从测量噪声加载角度最大增益,增益裕度,相位,和最大跟踪误差梯形速度命令时。数据也可以这个模块所示。这些数据是阶跃响应负载的位置,转矩命令时输入和扰动是一步一步的，补充说明,跟踪误差速度命令是一个梯形时,满足开环波德图和闭环波德图。 是否满足规范可以检查这些九项目和五个数字。如果满足规范,设计和的结果设计上的评论是保存到数据库中,这将有助于未来设计的尝试。如果不满意的设计结果,用户将返回以前的模块,并使用另一个控制器结构或设计一个控制器其他控制器参数。 承认 作者想表达他们在皇家理工学院对Tobias的LMI模块做出的贡献表示由衷的感谢 引用 1。赖利,J。Eadan莱文,w .年代,E。和黄,C。:计算机辅助optimization-based 控制器设计工具:Proc。。控制研讨会,1991年,第990 - 995页。 2。村上,K。、Knnno T。、Kurotani K。Takano,M。:优化系统控制 系统设计、IEEE东京部分Denshi东京33(1994),页124 - 127。 3。Gahinet,P。Nemirowski,。到来之后,a?J。Chilali,M。:LMI工具箱,数学 工程公司,1994年。 4。有何利,Y。:小说2-inertia共振系统控制方法和最近的趋势,在:ROBOMEC 94、1994(在日本),第1278 - 1283页。 5。博伊德,et al。:线性矩阵不等式系统和控制理论,暹罗,1994年。 - 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