西华大学产品开发课程设计概要.docx
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西华大学产品开发课程设计概要
课程设计说明书
课程名称:
产品开发课程设计
课程代码:
6004029
题目:
全自动捆钞机
学院（直属系）:
机械工程与自动化学院
年级/专业/班:
2011级机设2班
学生姓名:
曾印权
学号:
312011081102225
目录
摘要I
引言II
1．全自动捆钞机可行性论证1
1.1开发捆钞机的目的和意义1
1.2国内外捆钞机的发展概况1
1.3捆钞机的市场需求分析1
1.4对产品的原理方案及关键技术进行分析1
1.5预期社会经济效应分析2
2.全自动捆钞机的功能分析6
2．1全自动捆钞机功能描述以及功能分析6
2．2总功能分解6
2．3功能分析与功能结构图8
3.全自动捆钞机功能原理设计9
3．1形态学矩阵寻找原理解和原理解组合9
3．2模糊综合评价和抉策9
4.机械总体方案设计13
4.1捆钞机主要组成部分13
4.2机构布局框图13
4.3总体方案设计14
4.4产品总体控制原理15
5.产品技术参数和运动学、动力学分析计算16
5.1基本参数16
5.2运动学、动力学分析计算17
5.3承载能力计算与校核20
6.横带带头、带尾夹紧、切断装置21
6．1凸轮组件21
6．2凸轮箱体零件21
6．3凸轮部件22
7.结论23
8.参考文献24
摘要
本课程设计以现有的捆钞机为参考，从设计开发新产品的角度出发，运用系统设计的思想和方法，过参考样机、市场调研和查阅相关资料，作出可行性论证，进行功能原理分析和功能分解，绘制功能结构图，作工艺动作的分析和分解，分析、构思出系统总功能原理图并进行原理方案评价。
对整机的功能原理进行设计，通确定产品技术参数和进行相关的运动分析，设计了整机工作循环图和控制原理图。
并完成其分功能部件或系统的实用化设计。
最后我们针对全自动捆钞机的直带送带机构进行了具体的结构计算和设计，对现有捆钞机中对该部分机构的主要零部件都一一进行了结构功能的分析，完成横带带头、带尾夹紧、切断装置的创新和改进。
应用三维设计软件SolidWorks进行了模拟制造加工和装配，完成了横带带头、带尾夹紧、切断装置虚拟设计，并完成了部件的装配图以及关键零件的零件图设计。
通过本
课程设计的训练，了解和掌握了产品开发设计的一般过程和方法，培养了科学严谨的工作作风。
关键词：
送带夹紧困扎检测
引言
伴随着我国经济的快速发展，自加入世界贸易组织以来，金融行业的发展也渐渐达到了高峰。
当前国内的货币交易主体依旧是纸币，因而就需要对纸币进行清点、储存和运输。
首先金融机构就需要对纸币进行捆扎处理，从而相应的纸币捆扎设备应运而生。
本课设计就是设计一款基于单片机控制的全自动的捆钞机，设计出系统的总体原理方案。
进而对整机的功能原理进行开发设计，并完成其部分功能部件或系统的实用化设计。
设计中参照了现今一些捆钞机产品的优点和金融行业对捆钞机的要求，机械设计中分析几种方案的优缺点进行选择，对横带带头、带尾夹紧、切断装置进行优化开发设计。
1、产品开发的可行性论证报告
1.1捆钞机的目的和意义
捆钞机的目的在于将一些钞票捆扎在一起，以便于清理、保存、运输等。
随着社会的发展，人民的生活水平有了大大的提高，在满足日常所需之余，人们还将多余的钱放进了银行。
越来越多的纸币累积，各大银行机构或其他金融机构就涉及到了钞票的存放和运输问题，又得考虑其方便性，以适应越来越快的生活节奏。
捆钞机的诞生很好的解决了这个问题，不仅节约了工作人员的时间，而且比手工困扎的更为牢靠，稳定性也更好。
1.2国内外捆钞机的发展概况
传统的捆钞机主要是通过液压电动机构把钞票压紧，然后手工用纤维绳捆紧。
人工手捆操作劳动强度大，工作效率低，由于纤维绳与纸币接触面积小很容易把钞票勒伤，更严重的是手工捆扎的双十字没有互相连接成为一个整体在现金调运中易产生散捆，丢张等安全问题，为此中国人民银行发文要求入库纸币线捆采用宽塑料PP（聚丙脂）捆扎带捆扎双十字交叉点粘接起来使捆扎带成为一个整体。
传统的大把捆钞机无法实现这些要求，所有的入库钱捆使用自动的烫接捆钞机捆扎将是不可避免的趋势。
捆扎机的发展趋势有三大特点：
全自动化；高速度化；多样化发展。
1.3捆钞机的市场需求分析
改革开放以来，人们的人均纯收入有了大幅度的提升，当然也就是说除满足自身必需的生活所需外也了不少的积蓄，而这些积蓄考虑到安全问题他们便会将它投掷银行机构或其他金融机构，这样随着钞票的积累就涉及到它的存放问题，再考虑到大数量的钞票的提取问题,单由人工直接点数或小型捆扎既费时又费力,而且效果也很不理想.对于少量钞票如万元左右它还可以勉强由人工捆扎,但对于数量较大的如十万元单由人工捆扎那就可想而知,一大叠钞票即使被捆扎但人的力量有限致使捆扎不太紧固,松散的坏处就是一是所占的空间大,二是比捆紧的容易变质,还有人工捆扎速度慢,社会在进步讲究的就是效率,另外就是对于大数量的提款,如果没有将十万或更多的钞票捆扎在一起,那样一张一张或一万一万的数起,那些要是提取几百亿上千亿的再那样数,那也不知道要数到何时,有了大数额钞票的捆扎,便又可以节省更多时间以及劳动力啦,考虑到这些优点市场对它的需求越来越强.捆扎机有中型和小型机而大型机目前还没有,原因就在于钞票有一定的厚度,而它的尺寸又并不是很大,如果捆扎太多反而显得更易松散或不便携带,试想:
十万元钞票厚度就近十厘米,如果捆扎一百万那便是十个十万那就是一百厘米也即一米高,然而面额最大的一百元钞票长十五厘米宽六厘米左右,由此可想那样显得极不方便,再说一百万也就是十个十万由人工点数也不过是十来秒时间的事,对于小型捆钞机只捆扎一万元人民币,对于这少量数额厚度小的则要求并不高,因为如果要存放一般还得将一万的十个累加在一起后还得压缩,这里就不必压紧,还有一万元人民币一般是由银行供给活期用户提取小数额用的算是”流动资金”小型捆钞机在包装上也更简洁只有纵向包装,包装带由牛皮纸代替在接口处要么由胶水粘合要么把它笮起即可,对于中型捆钞机则两次纵向捆扎,一次横向捆扎压紧包装带由塑料带在接口处高温融化粘合再由刀切割即可.
1.4对产品的原理方案及关键技术进行分析
现有捆钞机包括全自动捆钞机,手动齿轮捆钞机,油压捆钞机,卧式手动捆钞机,手动快速液压捆钞机,电动螺旋捆钞机等等,在众多需要运用捆钞机的行业都需要卫生环保清洁的环境所以电动全自动捆钞机是首选之一.这里我们来研究全自动捆钞机的工作原理：
我们使用的是条带捆扎机，它是由人工将一大叠钞票放入到一定的位子，然后完成送带、抽紧、结合、切断等动作。
其按钮有一个启动开关、一个捆扎自动开关、几个按钮（压紧按钮、松开按钮、直进按钮、直退按钮、横进按钮、横退按钮、直切按钮、横切按钮、加温按钮、降温按钮）当打开电源总开关后，机子先预热，各信号灯闪耀，直到信号灯处于稳定状态不再闪亮，即到达稳定后捆钞就可正常工作了。
工作过程可分为点动控制也可以是连续全自动控制。
这里以全自动控制为列说明其工作过程：
将一叠预先点清的钞票放入捆钞机指定位置后，由其面额调整其位置（在捆钞机放钱的背面有一个旋转开关，上面有几个不同面额的刻度，这样要捆扎的是什么面值就调到相应位置，就这样可以调节相应的宽度）按下自动捆扎按钮，然后先直进，也就是让包装带横向绕纸币绕一周后收紧压缩再加热切割，这样就完成一道工序，之后再竖向（竖向由两根包装带包扎）绕一周后收紧压缩再加热切割，这样就完成了整个包扎过程。
这里涉及到送带，压缩，切断几个过程。
即横向送带需要一个电机，纵向送带需要一个电机（这里虽然纵向有两根包装带，但它只需一个电机通过一个辅助筒即可完成两根带的同时送达），压缩与提升需要一个电机，切割需要一个电机。
即全自动捆钞机的工作原理是：
（1）捆扎带的之间，压头2上升并利用切刀切断扁带，将其压紧在封接台面与热板，热板与压头2之间加热。
当加热温度达到要求，扁带表层熔化后，压头2微降，热板退出，然后压头2再上升，压紧两扁带，使已局部热熔的两层扁带粘合在一起。
经适当冷却后，压头2复位，封接台面亦退出，扁带由于自身回弹性而紧束在捆扎物上。
1.5预期社会、经济效应分析
在西部大开发之际，各行各业正在飞速的发展，企业也如雨后春笋般四处林立，特别是金融行业发展迅速，对捆扎钞票、票据的自动化机械需求量很大，从外地购进增大了运输成本及维修成本，本公司占着地理优势（地处西部的中心城市成都），社会关系密切，人际关系占着优势（熟悉本地各关系企业），对于同类产品有着绝大优势占领西部市场。
产品成本估算：
产品成本估算首先要合理的分解成本，逐项计算单位成本，最后计算总成本，年产量为375台。
表1单位成本估算表
序号
成本项目
单位
单耗
单价
单位成本
备注
一
1、
2、
3、
4、
主要原料
钢材
铸铁
塑料
轴承、螺钉等标准件
Kg
Kg
M3
件
58
60
0．001
n
6
2.667
20000
5
348
160
20
1600
二、
1、
2、
3、
辅助材料
捆扎带
印字板
塑料
Kg
块
个
10
2
n
25
150
x
250
300
680
三、
生产过程用电
度
300
0.5
150
四、
生产过程用焦碳
吨
0.05
1000
50
五、
生产过程用水
吨
0.5
10
5
六、
工资
人
80
50
1500
七、
提取的职工福利基金
人
0.667
28
18.7
八、
车间经费
月
0.032
62500
2000
九、
车间成本
月
0.032
83330
2667
租用
十、
企业管理费
月
0.032
100000
3200
十一
工厂成本
月
0.032
100000
3200
十二
销售成本
件
1
2500
2500
十三
单位成本
件
1
16241
16241
十四
平均单位成本
件
1
16241
16241
由于物价波动不大，有也是下滑趋势，故忽略物价波动造成的影响。
表2总成本估算表
序号
项目
金额（单位：
万元）
100%达到设计生产能力
80%达到设计生产能力
60%达到设计生产能力
一
原材料
80．25
64．2
48．15
二
辅助材料
46．125
36．9
27．675
三
燃料及动力
7．6875
6．15
4．6125
四
工资
56．25
45
33．75
五
提取的职工福利基金
0．7125
0．57
0．4275
六
车间经费
75
75
75
七
车间成本
10
10
10
八
企业管理费
120
120
120
九
工厂成本
120
120
120
十
销售费用
93．75
93．75
93．75
十一
总成本
其中
（1）折旧费
（2）流动资金利息
130
10
130
10
130
10
十二
经营成本
240
240
240
十三
固定成本
325
325
325
十四
可变成本
285
228
171
总计620563506
市场供求趋势预测：
表3项目产品市场需求调查预测表（单位：
千台/年）
序号
内容
项目评估时情况
项目投产时情况
项目投产后5年时情况
项目投产后10年时情况
1
国内销售量
8
9
15
17
2
未满足需求
3
5
4
1
3
国内需求
11
14
19
18
4
出口
0
0
2
1
5
总需求
11
14
21
19
6
国内现有生产能力
7
8
14
17
7
进口
1
1
3
1
8
总供应
8
9
17
18
9
总需求与总供给差额
3
5
4
1
10
本项目年产量（包含在6中）
设计产量为0.375
0
0.35
0.7
0.5
根据上述调查预测，可以得到如下信息：
该项目产品目前供不应求，缺口远大于项目设计能力，近十年内国内现有生产能力发展迅速，供求缺口呈下降趋势，项目规模不宜过大。
该项目产品由进口转为进出口混合，国内外竞争较强，必须重视产品质量，提高竞争力。
项目投产后年收入与收益净现值的估算：
表4项目收益净现值表（单位：
万元）
序号
内容
年份
合计
0
1
2
3
4
5
1
销售收入
700
900
1000
1200
1500
5300
2
现金支出
620
696
734
810
924
3784
3
支付税金
26
67
87
128
190
500
4
投资额
620
620
5
总支出（2+3+4）
620
646
763
821
938
1114
4904
6
净现金流量（1-5）
-620
53
136
178
261
385
395
7
现值系数（折现率4%）
1
0．962
0．925
0．889
0.855
0.822
8
净现值（6x7）
-620
51．56
126．4
158．4
223．4
317．2
256．96
综上：
此项目投入正是时机，正遇上经济飞速发展的今天，对此产品的需求正逐年增加，前5年正是鼎盛时期。
并且该项目产品目前供不应求，缺口远大于项目设计能力，近十年内国内现有生产能力发展迅速，供求缺口呈下降趋势，项目规模不宜过大。
该项目产品由进口转为进出口混合，国内外竞争较强，必须重视产品质量，提高竞争力。
另外，应尽可能的开拓需求市场，将规模扩大至可行规模以满足市场需求，也能降低成本，目前的设计生产能力中固定成本所占比例过大，应尽可能缩小及增加产量来减小固定成本所占比例。
从而获取更高的经济利润。
2、全自动捆钞机功能分析
2.1全自动捆钞机功能描述以及功能分析
用黑箱法寻找总功能和转换关系，见图2-1。
图2-1黑箱示意图
2.2总功能分解
总功能分解依据：
机器一般由四个部分组成，即原动机、传动部分、执行部分、控制部分组成。
其技术过程通常是:
原动机—传动—控制—工作机构。
而这四个部分一般安装在支撑部件上工作机构就是每台机器的执行部分，为了表示这种技术过程和周围的环境，用技术过程流程图表示，见图2-2。
图2-2中的几点说明：
1）环境系统：
依据使用条件，要求室内使用。
2）“人”：
指操作人员对机器的要求，即要符合人机工程学设计。
3）相邻技术系统：
能量种类：
电力
控制：
机电一体化控制
4）虚线框以内表示机械的内部结构，而机械与外界联系用实线大方框表示。
图2-2技术过程流程图
将总功能分解为一级、二级分功能：
图2-3功能分解图
2.3功能分析与功能结构图
建立功能结构图，见图2-4。
第一步首先建立总功能与一级分功能的功能结构图，如图2-4（a）（b）
第二不建立二级功能的结构图（c）
接着往下建立还可以建立更详细完善的功能结构图。
图2-4功能结构图
3、功能原理设计
3.1形态学矩阵寻找原理解法和原理解组合
按功能结构图，即可寻找各功能的原理解，然后用形态学矩阵进行原理解组合，即可得到设计方案的多种解，见表3-1。
序号
分功能
1
2
3
4
5
A
送带
预置轨道
摩擦
牵引
B
拉紧
凸轮机构
弹簧装置
电磁装置
电机
C
结合
胶粘合
热融合
打结
金属薄片压紧
D
切断
热熔断
刀切断
锯断
凸轮机构剪短
E
能量转换
汽油机
柴油机
电动机
F
能量分配
齿轮箱
油泵
链传动
带传动
蜗杆涡轮
G
控制
机电（单片机）
机械装置
电磁
PC
H
检测
光电装置
机械装置
表3-1分功能形态学矩阵
综上所述：
可建立全自动捆钞机的系统解形态学矩阵如上表。
从表中可得到，组合方案数为：
3×4×4×4×3×5×4×2=23040（种）
在上表的23040种组合方案中，根据确定原理方案的3条原则，结合工程设计经验，现有信息资料及来自其它方面的建议，筛选出如下3种方案供评价决策使用，用工程设计方案的模糊综合评判法最后决策出最后方案。
方案Ⅰ：
A1×B4×C2×D4×E3×F1×G1×H1.
方案Ⅱ：
A2×B2×C4×D2×E3×F1×G4×H1.
方案Ⅲ：
A2×B3×C2×D3×E3×F2×G1×H2.
3.2模糊综合评价和决策
分析和确定评价目标和权重系数，建立目标树，见图3-1
图3-1评价目标树
各方案评价目标的初步评语，见表3-2。
评价目标
方案
1
2
3
4
5
6
7
捆扎
速度
适用性
噪声
振动
操作方便
安全性
方案
好
一般
一般
好
好
一般
一般
方案
差
好
好
一般
一般
好
差
方案
一般
差
差
差
差
差
好
表3-2评价目标评语
模糊评价：
评价目标集X={x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7}.
权重系数G={0.25，0.2，0.05，0.1，0.10.15，0.15}
评价集u=｛u1,u2,u3,u4｝={优，良，中，差}
隶属度矩阵：
按M（∧，∨）模型，求各方案模糊综合评价：
BⅠ=G·RⅠ=（0.25,0.2,0.05,0.1,0.1,0.15,0.15）·Ri=（b1，b2，b3，b4）
其中：
M—--模型“∧”，“∨”----为合成运算符号，若a∧b，取小者；若a∨b，取大者。
BⅠ=G·R1=（b1，b2，b3，b4）
b1=（0.25∧0.5）∨（0.2∧0）∨（0.05∧0）∨（0.1∧0.5）∨（0.1∧0.5）∨（0.15∧0）∨（0.15∧0）
=0.25∨0∨0∨0.1∨0.1∨0∨0
=0.25
同理；b2=0.25；b3=0.25；b4=0.2
BII=G·RII=（b1，b2，b3，b4）
b1=0.2；b2=0.25；b3=0.25；b4=0.25
BIII=G·RIII=（b1，b2，b3，b4）
b1=15；b2=0.25；b3=0.25；b4=0.25
各方案综合评价数B的比较：
BI=（0.25,0.25,0.25,0.2）
BII=（0.2,0.25,0.25,0.25）
BII=（0.15,0.25,0.25,0.25）
为了便于各方案的比较，将评价指标归一化，即：
B=（b1/∑bj，b2/∑bj，b3/∑bj，b4/∑bj，）
得到三个方案的综合评价指标：
B’I=（0.26,0.26,0.26,0.21）
B’II=（0.21,0.26,0.26,0.26）
B’II=（0.16,0.27,0.27,0.27）
3个方案按优劣排队顺序为：
I,II,III。
故选择方案I。
4、机械总体方案设计
4.1捆钞机主要组成部分
首先捆钞机的工作为对各类版本及面额的纸币进行捆扎，也达到便于储存、运输和管理的设备。
捆钞机主要包括部分如4-1图所示。
图4-1捆钞机主要组成部分
1.捆钞机压紧机构：
捆钞机的压紧机构是捆钞机机械设备中比较重要的一个机构，该机构主要完成对送入的大捆纸币进行压币以方便后续的捆扎工作。
2.捆钞机工作区：
该部分为捆钞机工作时的纸币存放地，纸币放在密闭的设备中，被设备进行压紧，送带收带捆扎等一系列工作。
3.捆钞机送收带、凸轮机构：
这两个机构是该设备最主要的机构，捆钞机的主要动作都要靠这两个机构来实现。
送、收带机构为一个机构完成，分纵向和横向送收带机构：
凸轮机构主要完成捆扎带收紧后对捆扎带的热合剪断处理，当然收带前对捆扎带的带头压紧工作也由凸轮机构来完成。
4.2机构布局框图
对捆钞机的组成部分了解了后总体大致分析出其机构布局的简单框图，进而便于也后的各部分机械原理的设计。
机构布局框图如图4-2所示。
图4-2机构布局简图
压紧机构设定为采取上压式布局，方便对纸币的压币和松币。
送、收带机构由于分纵向和横向，机构布局为纸币侧向设置。
对于凸轮机构的布局，分析到压紧机构也为上压式，避免机构的复杂位置设计和考虑到整体设备的尺寸大小尽量小型化，故而安排到整体机构下方，采取顶杆上升动作式。
4.3总体方案选择
依据初步的机构划分和布局设定开始拟定捆钞机的总体方案，经设计分析出两种机械原理方案。
方案一如图4-3所示，方案二如图4-4所示
对分析出的两种方案进行比较，两种方案中主要区别在于压紧机构和凸轮机构的设计上。
经查找资料和同学讨论，方案一中压紧机构的布局有利于设备整体体积的减小，但是对于反向同轴丝杆转动时可能发生使两移动快的水平移动不一致，从而导致连杆的上升不一致，致使压板不能良好的压币，并且在检测压币压紧采用特殊材料的压缩通过限位信号来检测，此方案中材料不易选取并且材料受温度影响后压缩量会变化而影响压紧，致使纸币的捆扎效果变差或失败。
检测凸轮机构方案一中采用带轮作为一级传动，在凸轮动作中如果出现打滑现象会造成纸币捆扎时出现一些故障，导致捆币失败。
在方案二中由于其压紧传动机构的设计增加了整体结构的体积，在压紧检测时可能通过限位开关，延时压紧、测被动轮测速方案，方案有待确定。
凸轮传动机构采用齿轮作为一级传动，避免了方案一中带轮打滑的现象，但是由于齿轮的齿隙的存在可能会产生定位误差导致凸轮动作不到位而影响捆钞。
所以方案二中可能需要较好的定位方案从而减小这样误差。
图4-3机械方案一
图4-4机械方案二
最终分析比较确定方案二作为捆钞机整体的初步设计方案，在后续各部分的机械部分详细设计中解决方案二中所出现的一系列问题。
4.4产品总体控制原理
考虑该产品属于全自动机器，由光机电一体化控制，其总体控制原理如下，见图4-5
图4-6全自动捆钞机总控制图
分析捆钞机的工作流程：
纸币到位-压币-送纵带-压带-收纵带-热合剪断-送横带-压带-收横带-热合剪断-松币-取币。
捆钞机工作中要求对相关机构进行实时检测控制：
压紧限位，压紧检测；送带到位收紧检测；纵向横向带完检测；凸轮到位检测等。
在结合控制面板的设计、及控制电路分析出其控制流程如图4-1所示
图4-6主程序控制流程图
5、产品的技术参数和运动学、动力学分析计算
5.1基本参数
工作电源：
单相220V/50HZ
功率：
500W
最小捆扎范围（长×宽×高）：
110×57×80mm
最大捆扎范围（长×宽×高）：
180×80×130mm
捆扎带规格（宽×厚）：
12×0.3mm
捆扎速度：
每捆18秒
压紧力：
＞
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