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功能目标任务书
全自动捆钞机的功能原理设计
1捆钞机的功能分析与设计要求
全自动捆钞机是金融系统处理纸币的一种自动化办公设备。
它用捆扎带将十把（每把一百张）纸币通过热烫的方式捆扎为一捆，对提高工作效率有重要意义，同时以便于金融系统之间纸币的清点、运输和保存，解决当前部分单位还在采用的手工捆扎的不规范、不安全的问题。
根据产品设计的创新原则、可靠原则、效益原则、审核原则，拟定了产品功能要求、适用性要求、性能要求、生产力要求、制造工艺要求、可靠性要求、适用寿命要求、降低成本要求、人机要求、安全性要求、包装和运输要求，见表2-1.
表2-1全自动捆钞机设计要求
1
功能
基本功能：
钞票捆扎。
2
适应性
作业对象：
松散纸币，人民币1~100元纸币券完整券和损伤券。
工况：
恒定载荷。
环境：
摄氏-10℃～40℃；相对湿度：
40%RH～90%RH；大气压力：
70kPa～106kPa。
3
性能
捆扎速度：
<20秒/捆。
结构尺寸：
490×570×1150mm。
4
生产能力
生产率（理论的、额定的、实际的）。
5
可靠性
可靠度、维修度和有效度。
6
使用寿命
多次、多时段使用，机器可连续不间断运转工作24小时。
7
经济成本
材料费用、设计费用、制造加工费用、管理费用。
8
人机工程
操作方便、省力、视野宽阔、舒适；仪表显示清晰；造型美观。
9
安全
保证人身、设备安全；具有安全保护装置，确保操作人员安全；具有节电功能，30分钟无人操作自动关机；具有自动检测设备状态，发现故障停机报警。
10
包装运输
产品运输、移动方便，重量轻。
11
环保指标
工作时不产生烟雾、异味、无污染，＜65分贝。
2.捆钞机的功能原理设计
2.1求总功能
功能是抽象描述机械产品输入量和输出量之间的因果关系，对具体产品来说，功能是指产品的效能、用途和作用。
全自动捆钞机作为金融系统处理纸币的一种自动化办公设备。
它用6mm～7mm宽的塑料带（捆扎带）将十把（每把一百张）纸币通过热烫的方式捆扎为一捆，以便于金融系统之间纸币的清点、运输和保存，解决当前部分单位还在采用的手工捆扎的不规范、不安全的问题。
本全自动捆钞机原理方案采用黑箱图确定总功能，如图2-1。
图2-1全自动捆钞机黑箱图
全自动捆钞机的捆扎工艺过程：
捆钞机接通电源，等待1~2分钟后（捆扎带熔接装置预热），启动设备，打开币窗，将码放整齐、松散的纸币（厚度：
80~180mm）放在压紧台上，关闭币窗。
启动捆钞机自动控制，压紧工作台将松散的纸币压紧，传感器检测压紧力是否在合理压力范围内，如达到合理预设压力，单片机接收正确的实际信号，同时向横向送带和纵向送带电机发送送带信号，横、纵电机开始同时送带，传感器检测送带情况，如达到合理要求，横、纵向压头将带头压紧，横、纵送带电机反转将捆扎带收紧，熔接头开始熔接捆扎带，切割装置将捆扎带切割，传感检测装置检测一切工序完成时，币窗自动打开。
捆扎工艺过程，如图2-2。
图2-2捆钞机捆扎工艺流程
2.2总功能分解
机械系统的总功能可以分解为分功能（或称一级功能、二级功能……），分功能再分解为功能元（最小单位）。
为了将全自动捆钞机的总能细分为个小功能，我们将机械设计中常用的基本功能元：
物理功能元、逻辑功能元、数学功能元，按照功能结构形式分解，见图2-4，图2-。
图2-划分分功能及功能元
图2-功能结构
2.3分功能求解
通过前面进行的各个工作步骤，已经弄清机械系统的总功能、子功能、功能元之间的关系。
这种功能关系说明系统的输入和输出以及内部的转换。
那么怎样才能实现这些功能呢？
就是功能或功能元的求解问题。
分功能求解时方案设计中重要的“发散”“搜索”阶段，它就是要寻求实现分功能的技术实体——功能载体。
在求解全自动捆钞机的功能或功能元中我们采用直觉法和调查分析法。
我们通过了解当前国内外技术发展状况，大量查阅文献资料，包括专业书刊、专利资料、学术报告和研究性论文等，通过对比研究和结合实际经验初步得出全自动捆钞机的功能解：
全自动捆钞机采用全程自动控制，减少人力，缩短工作时间，操作安全可靠，对环境无任何污染，全部资源可继续回收利用。
2.4原理解组合
原理方案综合是把分功能解法合成为一个整体以实现总功能的过程。
在功能分析阶段，确定了产品的分功能；通过分功能求解，经选择与变异，得到一些分功能载体的备选方案；在变体分析中，对主要分功能解的发展有了较清楚的认识，各备选方案在机构、产品发展演化中的地位有了大致的了解；在这些工作的基础上，把分功能解加以组合，寻求整体方案最优方案。
表2-2形态学矩阵
功能元
功能元求解
1
2
3
4
5
A能量转换
手摇式
电动机
液压马达
B送带
电动机转动
手工
C固定带头
压头施压
D拉紧
手摇
电机反转
E联接
熔接
金属接头
胶水粘合
F切割
压断
剪割
G压紧
齿轮齿条
丝杆螺母
蜗杆齿条
连杆机构
液压缸
H启/停
同时启动
单独启动
可同时又可单独
I币窗开/闭
齿轮齿条
链条
绳传动
J支承和联接
四柱圆定
六柱固定
四柱移动
六柱移动
根据上述，可建立全自动捆钞机的系统解形态学矩阵如表2-2。
从表2-2中得到，组合方案数为：
3×2×1×2×3×2×5×3×3×4=12960种
方案
：
A3+B1+C1+D1+E3+F1+G5+H3+J2
方案
：
A2+B1+C1+D2+E1+F1+G2+H3+J1
方案
：
A1+B2+C1+D1+E2+F2+G3+H2+J1
在上表的12960种组合方案中，根据确定方案的3原则，结合工程设计经验、现有资料信息及来自其他方面的建议，筛选3个方案供评价决策使用，用工程设计方案的技术—经济综合评价的步骤最后决策出最佳方案。
2.5评价与决策
1、根据设计要求，分析和确定评价目标和重要性系数，建立目标树以及相应的加权系数，如图2-6。
图2-6全自动捆钞机评价目标树及重要性系数分布
2、各方案技术价见表2-4。
表2-4全自动捆钞机方案技术评价表
评价目标
重要性
系数gi
方案
方案
方案
NO
内容
单位
参数值
评分W1j
W1jgi
参数值
评分W1j
W1jgi
参数值
评分W1j
W1jgi
1
捆扎速度
秒/捆
0.21
25
10
2.1
15
8
1.68
20
4
0.84
2
捆扎质量
/
0.81
中等
6
1.08
高等
9
1.62
中等
10
1.8
3
捆扎范围
/
0.09
高等
5
0.45
高等
6
0.54
高等
7
0.63
4
安全
/
0.03
中等
8
0.72
高等
7
0.63
中等
5
0.45
5
重量
kg
0.05
130
4
0.12
110
5
0.15
150
7
0.21
6
特殊加工
/
0.05
无
6
0.3
无
5
0.25
无
6
0.3
7
专用工具
/
0.05
有
5
0.25
无
5
0.25
有
5
0.25
8
维护
/
0.18
中等
4
0.72
高等
8
1.44
中等
4
0.72
9
操作简单
/
0.06
一般
7
0.42
简单
6
0.36
一般
6
0.36
10
急停控制
/
0.06
无
4
0.24
有
7
0.42
无
7
0.42
6.4
7.34
5.98
Wi1=0.64
Wi2=0.734
Wi3=0.598
3、各方案经济价如表2-5。
表2-5全自动捆钞机方案经济评价表
方案
方案
方案
实际制造成本/元H
4565
5578
6100
允许制造成本/元H2
5500
0.84
0.73
0.91
4、技术—经济综合评价
1）总价值W0
三个方案的W0均合格，其顺序W03>W01>W02
2）作优度图，如图2-7。
从图中可知，S2更靠近S，S3的经济价还有待提高，降低生产成本是以途径。
图2-7全自动捆钞机优度图
3）作价值剖面图，如图2-8。
通过图，得知方案2的技术加权评分值为7.34分，各评价目标的打分与它相接近，并较均匀。
其中5、6、7项还有待提高。
图2-8全自动捆钞机的价值剖面图
纸币压紧机构与检测装置
1纸币压紧机构的设计
1.1压紧机构的功能原理分析
纸币压紧机构在全自动捆钞机的整体结构中起到非常重要的作用，对整机性能要求起着决定性作用。
压紧机构的合理设计以及压紧力的合理确定将能提高捆扎质量、工作效率、免纸币的损坏。
为了使捆扎后的现钞在调运过程中不出现散钞、丢张的现象，必须使捆扎带在捆扎后产生足够的张力。
所以对纸币在捆扎前需用一定的压力，而压实纸币的力的大小，对捆扎后效果的影响较大。
满足不散捆、不变形、捆扎松紧度不变的要求前提下，应使所用压力为最小的原则。
因为本机对压力控制要求较高，所以为使结构简单，操作方便，采用电动机转速控制的方法来实现。
压紧机构的作用就是利用压力压紧纸币。
它用6mm～7mm宽的塑料带将十把（每把一百张）纸币通过热烫的方式捆扎为一捆，以便于金融系统之间纸币的清点、运输和保存，解决当前部分单位还在采用的手工捆扎的不规范、不安全的问题。
它的捆扎工艺过程如图4所示。
1.2压紧机构的原理分案
自动捆钞机的压紧机构工作过程如下：
a、放入纸币，压紧机构电机正转，压紧机构下行，压板压紧纸币，到压力后撞行程开关,向电脑发出控制信号，执行b。
b、主电机转动，进行捆扎工艺，包括送带、抽带、张紧、烫合及切断等过程，完成后发出信号由电脑控制自动执行c。
c、压紧机构电机反转，压紧机构上行，到位后撞行程开关X向电脑发出控制信号，电机停止转动。
取出纸币，放入另一捆纸币，自动进行下一自动循环。
1.3压紧机构压紧力的确定
在设计压紧机构的过程中，首先遇到的问题就是一捆松散的纸币压到多大压力以后再进行塑料带捆扎，才能使打出的纸币捆由于纸币的弹性恢复，并可使塑料带紧紧地扎在纸币捆上，从而使纸币捆结实牢固，摔不散，抽不出，达到捆扎目的。
1、纸币厚度随压力变化的关系
为了获得纸币厚度与压力变化的第一手数据，在压力机上做了实验。
用压力机对纸币从0KN开始，每间隔0.5KN施加不同压力，测出不同压力下对应的纸币厚度。
开始用5元新纸币做了3次实验，实验数据见表。
根据表数据，绘制了纸币厚度随压力变化的关系线，如图所示。
后来又用不同面额、不同厚度（80~180mm）、不同新旧程度的纸币做了实验，发现其厚度随压力变化的关系都符合图所示的曲线。
纸币厚度与压力变化纸币厚度随压力变化曲线
2、压紧机构合理压力的确定
从图可以看到，当压力达到12.5KN时，纸币厚度压到91.1mm，这时，即使再增大压力，其纸币的厚度也不再发生变化。
所以，根据最小压力原则，以及在降低制造成本的前提下达到所需压力要求，确定该全自动捆钞机的压力为10KN。
3、压紧机构压力恒定的意义
压紧机构在压紧纸币的过程中，如果压力不合理，就不能达到预期的效果。
压力小，压不紧纸币；压力太大，会使电机压紧纸币后不能及时发出停止信号，继续转动会使电机堵转发生损坏。
所以必须合理地确定压紧机构的压力。
1.4压紧机构传动参数设计
1、电动机的选择
为提高工作效率，以及考虑到安全操作的要求，压紧机构在压紧纸币的过程中，工作台（如图）的移动速度必须控制在0.01m/s。
同时根据分析得到捆钞机纸币厚度与压力变化关系，得到所需捆钞机的压力为10KN。
捆钞机所需的压力F=10000N
捆钞机工作台的移动速度ν=0.01m/s
机械传动的总功率η=80%
工作台（如图）的移动速度必须控制在0.01m/s，初步选择丝杆的螺距：
P=5mm
可知：
丝杆的转动速度：
n=2r/s
则：
涡轮的转动速度：
n2=120r/min
传动比：
根据《机械设计》表11-1，如图，
≈5
6
29~31
14~30
2
29~61
7~15
4
29~61
29~82
1
29~82
计算得：
按工作要求和条件，选用三相笼型异步电动机，封闭式结构，电压3800V，Y型。
电动机型号
额定功率/kw
满载转速r/min
堵转转矩
最大转矩
额定转矩
额定转矩
Y801-2
0.75
2825
2.2
2.2
1.5压紧机构的润滑、散热和维护
润滑油的种类很多，需根据蜗杆；蜗轮配对材料和运转条件合理选用。
在钢蜗杆配青铜蜗轮时，常用的润滑油见表。
全损耗系统用油牌号L-AN
68
100
150
220
320
460
680
运动粘度v40（cSt）
61.2—74.8
90—110
135—165
198—242
288—352
414—506
612—748
粘度指数不小于
90
闪点（开口）（0C）不低于
180
200
220
倾点（0C）不高于
-8
-5
润滑油粘度及给油方法
润滑油粘度及给油方法，一般根据相对滑动速度及载荷类型进行选择。
对于闭式传动，常用的润滑油粘度及给油方法见表；对于开式传动，则采用粘度较高的齿轮油或润滑旨。
如果采用喷油润滑，喷油嘴要对准蜗杆啮入端；蜗杆正反转时，两边都要装有喷油嘴，而且要控制一定的油压。
蜗杆传动的相对滑动速度
0-1
1-2.5
0-5
>5-10
>10-15
>15-25
>25
载荷类型
重
重
中
（不限）
（不限）
（不限）
（不限）
运动粘度v40（cSt）
900
500
350
220
150
100
80
给油方法
油池润滑
喷池润滑或油池润滑
喷池润滑时的喷油压力（MPa）
0.7
2
3
润滑油量
对闭式蜗杆传动采用油池润滑时，在搅油损耗不致过大的情况下，应有适当的油量。
这样不仅有利于动压油膜的形成，而且有助于散热。
对于蜗杆下置式或蜗杆侧置式的传动，浸油深度应为蜗杆的一个齿高；当为蜗杆上置式时，浸油深度约为蜗轮外径的1／3。
（end）
2纸币压紧机构的检测装置
2.1检测装置的作用
为了使对纸币在捆扎前需用一定的压力，捆扎后的现钞在调运过程中不出现散钞、丢张的现象，必须使捆扎带在捆扎后产生足够的张力。
满采用电动机转速控制的方法来实现。
该检测装置的主要作用是检测电动机的转速，合理控制压紧机构所施加的压紧力，达到捆扎的质量要求，提高工作效率。
同时避免电动机在已经将纸币压紧后继续加压而损坏电动机。
2.2检测装置的控制原理
该检测装置如（图）。
检测装置在压紧机构施加压力时：
根据在A点的速度检测数据通过整形电路将信号装换为电信号，电信号通过计数器开始计数，计数结果通过锁存器进入译码器，译码器将实际数据检测结果传递给单片机，与单片机中的预设值相比较，当实际检测数值达到预定设置时，即电动机转速降低到设定转速时，单片机发送控制信号，电动机停止转动。
检测装置在压机机构卸除压力时：
当电动机接收到捆扎带切断信号时，单片机发送电动机启动信号，电动机反转，压紧机构工作台向下移动。
图
2.3检测装置的控制流程
总结
我们本次设计的全自动捆扎机在主要技术参数方面得到改进。
捆扎机的主要技术参数包括：
①捆扎速度；②压紧力矩；③消耗功率。
……
参考文献
【1】全相文，机械系统设计,2000.
【2】宋孔杰,机械设计学,2005.
【3】刘春美、李梦群，机械传动设计，2001.
【4】刘朝儒,机械制图第五版，北京：
高等教育出版社，2006.
【6】葛文杰,机械原理第七版，北京：
高等教育出版社，2006.
【7】纪名刚,机械设计第八版，北京：
高等教育出版社，2005.
【8】方键，机械结构设计，北京：
化学工业出版社，2005.
【9】陈守强，机械产品结构课程设计指导书，成都：
西华大学，2010.
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