基于拓?fù)鋬?yōu)化的硬幣打包機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

曹雪坤,劉子源,孫建瓴,何京京,董萬(wàn)鵬

（201600 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院）

0 引言

硬幣是日常生活中必不可少的交換媒介，但不易攜帶也難以整理和清點(diǎn)，如何快捷而高效地對(duì)硬幣進(jìn)行包裝，是當(dāng)前必須解決的問(wèn)題[1-4]。隨著無(wú)人售票、自動(dòng)售貨機(jī)等的推廣，銀行、超市、公交公司每天都要面對(duì)硬幣分揀、計(jì)數(shù)、包裝的問(wèn)題[5-8]。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上最常用的硬幣包裝機(jī)為銀信yb-1半自動(dòng)硬幣包裝機(jī)，但是成本較高，不適合推廣。國(guó)外硬幣包裝機(jī)具備較成熟的技術(shù)，為解決硬幣包裝困難提供了完美的選擇[9-15]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者和企業(yè)對(duì)硬幣分揀包裝機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，但產(chǎn)品依然存在卡幣、價(jià)格昂貴等問(wèn)題[16-21]。為此，將硬幣分揀和包裝機(jī)構(gòu)分離開(kāi)來(lái)，在硬幣分揀、計(jì)數(shù)、收集的基礎(chǔ)上進(jìn)一步包裝，設(shè)計(jì)了一種硬幣包裝機(jī)，不僅價(jià)格適中，而且解決了硬幣包裝問(wèn)題?；谕?fù)鋬?yōu)化理論，對(duì)設(shè)計(jì)好的硬幣包裝機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達(dá)到輕量化和美觀的效果[24-27]。

1 硬幣自動(dòng)打包機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的硬幣自動(dòng)打包機(jī)主要由上端壓緊機(jī)構(gòu)、支撐包裝機(jī)構(gòu)和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)3 部分組成。工作原理為：將通過(guò)分揀、計(jì)數(shù)、收集好的不同直徑的3 種常用硬幣（1 元直徑25 mm，5 角直徑20.5 mm，1 角直徑19 mm）50 枚，存放在臨時(shí)儲(chǔ)幣軌道內(nèi)，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，手動(dòng)抬起包裝機(jī)上端壓緊裝置，將要包裝的硬幣放入打包機(jī)內(nèi)，電機(jī)帶動(dòng)輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)，電磁推拉器產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)硬幣打包。打包好的硬幣由于重力自動(dòng)掉入儲(chǔ)幣抽屜，達(dá)到收集硬幣的目的。圖1所示為打包機(jī)三維模型閉合與打開(kāi)狀態(tài)。

圖1 硬幣打包機(jī)三維模型Fig.1 3D model of coin packaging machine

2 包裝機(jī)組成部分

上端壓緊機(jī)構(gòu)主要由左右2 塊支撐板和上端彎板組成整體框架；臨時(shí)儲(chǔ)幣槽可臨時(shí)存放分揀、計(jì)數(shù)、收集好的3 種常用硬幣；支撐包裝機(jī)構(gòu)由內(nèi)部包裝機(jī)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)構(gòu)成，內(nèi)部包裝結(jié)構(gòu)是整個(gè)包裝機(jī)的核心組成部分，外部結(jié)構(gòu)也為包裝機(jī)的下端箱體部分，由下端支撐底板、包裝機(jī)后支撐板以及左右2 塊支撐板構(gòu)成整體框架；動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為86BYG250 三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1 所示。86BYG250 三相混合式步進(jìn)電機(jī)不僅符合設(shè)計(jì)要求，而且具有高響應(yīng)速度、高步距角精度、能耗低、低噪音、大面積散熱、不懼高溫環(huán)境、自動(dòng)半流、發(fā)熱量少等優(yōu)點(diǎn)。硬幣打包機(jī)各部分結(jié)構(gòu)如圖2—圖4 所示。

表1 86BYG25 電動(dòng)機(jī)參數(shù)Tab.1 86BYG250 motor parameters

圖2 壓緊機(jī)構(gòu)Fig.2 Pressing mechanism

圖3 內(nèi)部包裝機(jī)構(gòu)Fig.3 Internal packaging mechanism

圖4 外部機(jī)構(gòu)Fig.4 External mechanism

考慮到硬幣包裝機(jī)的便攜和美觀問(wèn)題，對(duì)上端壓緊機(jī)構(gòu)和下端支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，達(dá)到減重目的，其中需優(yōu)化部分的結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 優(yōu)化部分結(jié)構(gòu)Fig.5 Optimized part structure

3 拓?fù)鋬?yōu)化

3.1 拓?fù)鋬?yōu)化理論基礎(chǔ)

拓?fù)鋬?yōu)化指施加一定載荷和約束條件，保證結(jié)構(gòu)將外載荷傳遞到支撐位置的前提下，在結(jié)構(gòu)一定區(qū)域內(nèi)獲取內(nèi)部非實(shí)體區(qū)域位置和數(shù)量的最佳搭配形式，同時(shí)使結(jié)構(gòu)的某種形態(tài)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的過(guò)程。根據(jù)優(yōu)化對(duì)象的不同，結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化可分為2 類：一是連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化，主要確定優(yōu)化對(duì)象內(nèi)部有無(wú)孔洞及孔洞大小、形狀等；二是以桁架為代表的離散結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，主要確定優(yōu)化對(duì)象的節(jié)點(diǎn)單元的相互連接方式，也包括節(jié)點(diǎn)的增刪[22]。連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化相對(duì)較為成熟，其常用的方法有均勻化法、漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法和變密度法等。借助ANSYS Workbench 中的Shape optimization（拓?fù)鋬?yōu)化或形狀優(yōu)化）模塊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的快速拓?fù)鋬?yōu)化。Workbench 使用的分析數(shù)學(xué)模型就是變密度法[23]。

拓?fù)鋬?yōu)化前對(duì)硬幣打包機(jī)進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，分別對(duì)打包機(jī)上端和下端施加5 000 N軸向載荷，拓?fù)鋬?yōu)化前硬幣打包機(jī)總變形如圖6 所示。經(jīng)過(guò)運(yùn)算后得到如圖7 所示的優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖?？梢园l(fā)現(xiàn)受力點(diǎn)在圖形兩邊，中間多余部分已經(jīng)被挖掉。從圖7可見(jiàn)，拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果基本合理。

圖6 硬幣打包機(jī)總變形圖Fig.6 General deformation diagram of coin packer

圖7 拓?fù)鋬?yōu)化后結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram after topology optimization

圖8 為優(yōu)化后的總應(yīng)力變形圖，總質(zhì)量變?yōu)閮?yōu)化前的50%，且優(yōu)化效果顯著，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果較明顯。

圖8 拓?fù)鋬?yōu)化后應(yīng)力變形圖Fig.8 Stress deformation diagram after topology optimization

3.2 優(yōu)化后的硬幣打包機(jī)外形設(shè)計(jì)

包裝機(jī)外形主要設(shè)計(jì)為上下2 個(gè)部分，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整體近似三角形，穩(wěn)定性強(qiáng)。上端壓緊裝置采用拱形設(shè)計(jì)可以為硬幣提供臨時(shí)儲(chǔ)幣軌道；前后擋板及上下平板采用玻璃材質(zhì)，包裝機(jī)整體的設(shè)計(jì)美和工作原理更加直觀，用戶體驗(yàn)感增強(qiáng)。表2 為常見(jiàn)包裝機(jī)外形設(shè)計(jì)比較。

表2 包裝機(jī)外形設(shè)計(jì)比較Tab.2 Comparison of packaging machine shape design

經(jīng)過(guò)全面對(duì)比、權(quán)衡利弊，再結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，對(duì)硬幣打包機(jī)外形重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終的外形圖如圖9 所示。

圖9 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.9 Structural design drawing

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)三維軟件建立硬幣打包機(jī)的實(shí)體模型，采用ANSYS Workbench 有限元軟件對(duì)硬幣打包機(jī)在一般工況和預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行模態(tài)分析。通過(guò)仿真計(jì)算和分析，了解硬幣打包機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)，為后續(xù)的研究和改進(jìn)提供較好的理論依據(jù)。對(duì)硬幣打包機(jī)的拓?fù)鋬?yōu)化能夠在設(shè)計(jì)初期避免浪費(fèi)材料，并且優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的模態(tài)均有所提高，特別是滿足靜力學(xué)強(qiáng)度和變形的條件下，打包機(jī)總質(zhì)量比原來(lái)減少了50%，能夠給企業(yè)帶來(lái)更好的經(jīng)濟(jì)效益。