基于熔融沉积3D打印技术的硬币分离机设计与实验研究.pdf
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1、第4 3卷第3期黄 冈 师 范 学 院 学 报V o l.4 3N o.32 0 2 3年6月J o u r n a l o fH u a n g g a n gN o r m a lU n i v e r s i t yJ u n e.2 0 2 3基于熔融沉积3 D打印技术的硬币分离机设计与实验研究李 强1,张 旺1,张亦弛2,张 郑1(1.宿州学院 机械与电子工程学院,安徽 宿州2 3 4 0 0 0;2.宿州学院 化学化工学院,安徽 宿州2 3 4 0 0 0)摘 要:针对公交公司、银行柜台硬币分离难,依靠手工分离费时费力等问题,本文通过三维数字化设计软件创新设计了一款全重力滑道式硬币
2、分离机,完成了硬币分离机的结构设计、虚拟装配,在经切片处理后,基于熔融沉积3 D打印技术,应用聚乳酸材料完成了全重力滑道式硬币分离机样机制作。整体基于3 D打印技术完成制作,造价成本低;整机为聚乳酸材料,仅重3 8 0g。样机分离实验结果表明:该硬币分离机能够在仅依靠重力作用下,实现硬币自动分离和分类收集,无需消耗其他能量,结构简单,操作方便。能克服现有硬币分离机造价昂贵,结构复杂,制作困难且消耗电能、噪声大等缺点,为相关行业进行产品开发、设计、样机制作等提供借鉴与参考。关键词:3 D打印;硬币分离;全重力中图分类号:TH 1 2 文献标志码:A 文章编号:2 0 9 6-7 0 2 0(2
3、0 2 3)0 3-0 0 5 8-0 5收稿日期:2 0 2 2-1 0-2 1 D O I:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 6-7 0 2 0.2 0 2 3.0 3.0 1 2作者简介:李强,男,湖北英山人,讲师,博士研究生,主要研究方向为机械优化设计、增材制造等。基金项目:教 育 部 产 学 研 合 作 协 同 育 人 项 目(2 2 0 6 0 4 5 8 3 0 2 5 7 5 7);安 徽 高 校 科 学 研 究 项 目(K J 2 0 2 1 A 1 1 0 6,2 0 2 2 AH 0 5 1 3 7 8);宿州学院线上线下混合课程项目(s z x y
4、 2 0 2 2 h h k c 0 1);宿州学院科研平台开放课题项目(2 0 2 2 y k f 3 0)。D e s i g na n de x p e r i m e n t a l s t u d yo f c o i ns o r t i n gm a c h i n eb a s e do n3 Dp r i n t i n g t e c h n o l o g yL IQ i a n g1,2,Z H A N G W a n g1,Z H A N GY i-c h i2,Z H A N GZ h e n g1(1.S c h o o l o fM e c h a n i c
5、a l a n dE l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g,S u z h o uU n i v e r s i t y,S u z h o u2 3 4 0 0 0,A n h u i,C h i n a;2.C o l l e g eo fC h e m i s t r ya n dC h e m i c a lE n g i n e e r i n g,S u z h o uU n i v e r s i t y,S u z h o u2 3 4 0 0 0,A n h u i,C h i n a)A b s t r a c t I nv i e
6、wo f t h ep r o b l e mo f c o i ns e p a r a t i o n,e s p e c i a l l yf o rb u sc o m p a n i e sa n db a n kc o u n t e r s,r e l y i n go nm a n u a ls e p a r a t i o n i st i m e-c o n s u m i n ga n dl a b o r i o u s.I nt h i sp a p e r,af u l lg r a v i t ys l i d e-t y p ec o i ns o r t i
7、 n g m a c h i n ew a sd e s i g n e dt h r o u g ht h e t h r e e-d i m e n s i o n a l(3 D)d i g i t a ld e s i g ns o f t w a r e,c o m p l e t e dt h es t r u c t u r ed e s i g na n dv i r t u a la s s e m b l yo f t h ec o i ns o r t i n gm a c h i n e.A f t e r s l i c ep r o c e s s i n g,t
8、h ef u l lg r a v i t ys l i d i n gt oc o i ns o r t i n gm e c h a n i s m w a sc o m p l e t e db a s e do nf u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g(F DM)3 Dp r i n t i n gt e c h n o l o g y.T h ew h o l ep r o d u c t i o nw a sb a s e do n3 Dp r i n t i n gt e c h n o l o g y,w i t hl o wc
9、o s t;t h em a c h i n e i sm a d eo fp o l yl a c t i ca c i d(P L A)m a t e r i a la n do n l yw e i g h s3 8 0 g.C o i ns p l i t t i n ge x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u t a n d t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w e d t h a t:T h e c o i ns o r t i n gm a c h i n e c a na
10、u t o m a t i c a l l ys e p a r a t e a n dc o l l e c tc o i n sb yg r a v i t yw i t h o u t c o n s u m i n go t h e r e n e r g y,i tw a s s i m p l e i ns t r u c t u r ea n de a s y t oo p e r a t e.I t c a no v e r c o m e t h ed i s-a d v a n t a g e so f c o i ns o r t i n gm a c h i n e s
11、 i nt h ee x i s t i n gm a r k e t,s u c ha sh i g hc o s t,c o m p l e xs t r u c t u r e,d i f f i c u l tp r o d u c t i o n,p o w e rc o n s u m p t i o na n d l a r g en o i s e.I t c a np r o v i d e r e f e r e n c e f o rp r o d u c td e v e l o p m e n t,d e s i g na n dp r o t o t y p ep
12、r o d u c t i o n i nr e l a t e d i n d u s t r i e s.K e yw o r d s 3 Dp r i n t i n g;P L A;c o i ns o r t i n g;a l l t h e f o r c eo fg r a v i t y第3期李 强,等:基于熔融沉积3 D打印技术的硬币分离机设计与实验研究 硬币作为货币中的一种在公交公司、银行和超市等场所应用广泛,这些场所大量的不同币值硬币混在一起,需要分离出来。手工分离是一件耗时费力,还不能确保合格率的工作1-3。目前,市场上推广使用的硬币分离机主要有大型硬币清分机,单次分
13、离量大,但其设备笨重,结构复杂,造价高,占地面积大,一般超市和银行不愿购买。迫切需要研发一款造价低、分离效率高、准确率高的硬币分离机,能满足超市、银行柜台、公交公司现实需求的小型硬币分离机。因此,当前迫切需要进行小型硬币分离机的设计与研发4。在小型硬币分离机的设计与研究方面,许多学者也进行了尝试。2 0 1 6年,陈鹏等5在对滑槽式硬币清分机调研并进行原理分析的基础上,对滑槽式硬币清分机进行了结构创新设计。同年,欧阳哲6提出了一种模块化硬币检测与面额统计图像处理子系统,并对该系统进行了研究与设计。2 0 1 7年,陈鹏等7提出用齿轮齿条机构与偏置曲柄滑块机构共同驱动离心式硬币清分筛往复摆动实现
14、硬币分离的设计思想,以提高硬币的清分效率。2 0 1 8年,陈鹏等8又在现有曲柄连杆式硬币分离机的基础上,对曲柄连杆式硬币分离机的整体结构进行了创新设计。同年,毕晓伟9设计了一种新型硬币分离机,设计了3个自上而下平行排列的硬币筛筒,三个筛筒依次分离硬币,分离时硬币直径大于筛孔直径的被推送至计数装置,计数装置对硬币进行计数,然后利用整理与包装装置对分离后的硬币进行包装。2 0 1 9年,舒瑞斌等1 0利用曲柄滑块机构在投币口设置卡盘,使待分离的硬币定时定量的掉落至送币机构上,送币机构利用两个紧密接触的传送带将硬币进行单层平铺,然后再送入分拣机构分拣,完成硬币分离工作。由上述研究可以看出,现有研究
15、人员所设计的小型硬币分离机大都依靠曲柄滑块机构,还伴有复杂的电控装置,硬币分离机的机构依然复杂,制作成本偏高。本文应用三维数字化设计技术,拟创新性设计一款全重力滑道式硬币分离机,依靠纯重力将硬币分离,体积小,原理简单。为了验证设计效果,基于熔融沉积(F u s e dD e p o s i t i o n M o d e l i n g,以下简称F DM)3 D打印技术制作实验样机,并进行硬币分离实验。1 3 D打印技术概述3 D打印(也称为增材制造)是在数字模型基础上,由材料逐层累积的方法制造实体零件的技术,将材料逐点累积形成面,逐面累积形成体,逐步叠加成型1 0-1 1,每一层分的越小,精
16、度越高。在众多实现3 D打印的具体技术方案中,最具有代表意义的是F DM成形技术,其工作原理是将成卷的线材通过送料装置均匀送入加热头,加热头在计算机程序的控制下,将受热软化的线材挤出,在三维数字化模型数据的控制下,逐点逐层累积成型。现阶段F DM技术可以对金属、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乳酸(P L A)等材料进行打印成型,被广泛应用于建筑、模具、玩具、汽车、航空航天和医疗等领域,生产出样件、零部件、日常用品等。相比于传统加工技术,F DM技术具有成本低、原料利用率高、污染小、不需要模具等优势1 2-1 4。2 滑道式硬币分离机设计、3 D打印及装配2.1 原理滑道式硬币分离机由外壳、硬
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