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基于拓扑优化的硬币打包机结构轻量化设计.pdf
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1、第 61 卷 第 10 期Vol.61 No.102023 年 10 月October 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERINGdoi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.10.033基于拓扑优化的硬币打包机结构轻量化设计曹雪坤,刘子源,孙建瓴,何京京,董万鹏(201600 上海市 上海工程技术大学 材料工程学院)摘要 为解决大批硬币包装困难的问题,方便对硬币进行分类、整理和包装,设计了一款低成本硬币打包机。采用 SolidWorks 对硬币打包机进行结构设计,压紧、支撑包装、动力驱动各机构协调工作,
2、实现硬币打包功能。同时,为解决硬币打包机携带方便、节省制作材料的问题,在拓扑优化理论的基础上利用 Ansys Workbench 对打包机进行优化设计,整体质量减少 50%。设计的硬币打包机体积小、成本低、美观便携,自由化程度高,实用性强,可快速打包硬币,具有良好的实用和推广价值。关键词 硬币打包机;拓扑优化;轻量化设计 中图分类号 TH12;TB486 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)09-0151-04引用格式:曹雪坤,刘子源,孙建瓴,等.基于拓扑优化的硬币打包机结构轻量化设计 J.农业装备与车辆工程,2023,61(10):151-154.Lightweight
3、design of coin packer structure based on topology optimizationCAO Xuekun,LIU Ziyuan,SUN Jianling,HE Jingjing,DONG Wanpeng(School of Materials Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201600,China)Abstract In order to solve the problem of packaging a large number of coins and t
4、o facilitate the classification,sorting and packaging of coins,a low-cost coin packer was designed.The three-dimensional modeling software SolidWorks was used to design the structure of the coin packer.The designed coin packer mainly includes three parts:pressing mechanism,supporting packaging mecha
5、nism and power driving mechanism.Each part works in coordination,and finally realizes the packing function of coins.In order to make the coin packer easy to carry and to save manufacturing materials,based on the topology optimization theory,ANSYS Workbench was used to optimize the design of the coin
6、 packer,and the overall weight was reduced by 50%.The designed coin packer has small volume,low cost,beautiful and convenient,high degree of liberalization,strong practicability,and can pack coins quickly.Therefore,it has good practical and promotional value,and has a broad market prospect.Key words
7、 coin packer;topological optimization;lightweight design0 引言硬币是日常生活中必不可少的交换媒介,但不易携带也难以整理和清点,如何快捷而高效地对硬币进行包装,是当前必须解决的问题1-4。随着无人售票、自动售货机等的推广,银行、超市、公交公司每天都要面对硬币分拣、计数、包装的问题5-8。目前,国内市场上最常用的硬币包装机为银信 yb-1半自动硬币包装机,但是成本较高,不适合推广。国外硬币包装机具备较成熟的技术,为解决硬币包装困难提供了完美的选择9-15。国内外学者和企业对硬币分拣包装机构进行了研究,但产品依然存在卡币、价格昂贵等问题16-
8、21。为此,将硬币分拣和包装机构分离开来,在硬币分拣、计数、收集的基础上进一步包装,设计了一种硬币包装机,不仅价格适中,而且解决了硬币包装问题。基于拓扑优化理论,对设计好的硬币包装机进行结构优化,达到轻量化和美观的效果24-27。1 硬币自动打包机结构设计设计的硬币自动打包机主要由上端压紧机构、支撑包装机构和动力驱动3部分组成。工作原理为:将通过分拣、计数、收集好的不同直径的 3 种常用硬币(1 元直径 25 mm,5 角直径 20.5 mm,1 角直径 19 mm)50 枚,存放在临时储币轨道内,打开开关,手动抬起包装机上端压紧装置,将要包装的硬币放入打包机内,电机带动辊子转动,电磁推拉器产
9、生联动,实现硬币打包。打包好的硬币由于重力自动掉入储币抽屉,达到收集硬币的目的。图 1所示为打包机三维模型闭合与打开状态。收稿日期:2022-06-28152农业装备与车辆工程 2023 年2 包装机组成部分上端压紧机构主要由左右 2 块支撑板和上端弯板组成整体框架;临时储币槽可临时存放分拣、计数、收集好的 3 种常用硬币;支撑包装机构由内部包装机构和外部结构构成,内部包装结构是整个包装机的核心组成部分,外部结构也为包装机的下端箱体部分,由下端支撑底板、包装机后支撑板以及左右 2 块支撑板构成整体框架;动力驱动机构为86BYG250 三相混合式步进电动机,电动机参数如表 1 所示。86BYG2
10、50 三相混合式步进电机不仅符合设计要求,而且具有高响应速度、高步距角精度、能耗低、低噪音、大面积散热、不惧高温环境、自动半流、发热量少等优点。硬币打包机各部分结构如图 2图 4 所示。表 1 86BYG25 电动机参数Tab.1 86BYG250 motor parameters型号保持扭转/(N m)转子惯量/(g cm2)机身长度/mm86BYG250A41 00080考虑到硬币包装机的便携和美观问题,对上端压紧机构和下端支撑结构进行拓扑优化,达到减重目的,其中需优化部分的结构如图 5 所示。3 拓扑优化3.1 拓扑优化理论基础拓扑优化指施加一定载荷和约束条件,保证结构将外载荷传递到支撑
11、位置的前提下,在结构一定区域内获取内部非实体区域位置和数量的最佳搭配形式,同时使结构的某种形态指标达到最优的过程。根据优化对象的不同,结构拓扑优化可分为 2 类:一是连续体结构的拓扑优化,主要确定优化对象内部有无孔洞及孔洞大小、形状等;二是以桁架为代表的离散结构拓扑优化,主要确定优化对象的节点单元的相互连接方式,也包括节点的增删22。连续体拓扑优化相对较为成熟,其常用的方法有均匀化法、渐进结构优化法和变密度法等。借助 ANSYS Workbench 中的 Shape optimization(拓扑优化或形状优化)模块,可以实现对结构的快速拓扑优化。Workbench 使用的分析数学模型就是变密
12、度法23。拓扑优化前对硬币打包机进行有限元静力学分析,分别对打包机上端和下端施加5 000 N轴向载荷,拓扑优化前硬币打包机总变形如图 6 所示。经过运算后得到如图 7 所示的优化结构图。可以发现受力点在图形两边,中间多余部分已经被挖掉。从图 7可见,拓扑优化的结果基本合理。图 8 为优化后的总应力变形图,总质量变为优化前的50%,且优化效果显著,拓扑优化结果较明显。图 1 硬币打包机三维模型Fig.1 3D model of coin packaging machine1.活动辊支撑轴 2.电磁推拉器 3.上支撑板左 4.临时储币槽 5.上支撑板右 6.上端弯板 7.上端平板 8.硬币压紧辊
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