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摘 要
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，主要目的是完成螺旋式滾筒硬幣分離計(jì)數(shù)包裝機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，技術(shù)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化，目的是把不同面值的硬幣通過一系列機(jī)構(gòu)分離計(jì)數(shù)，最終進(jìn)入包裝機(jī)構(gòu)進(jìn)行包裝。本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)地分析了整體方案及各結(jié)構(gòu)，在對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)和目的總體把握的情況下，進(jìn)行整機(jī)結(jié)構(gòu)、原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、分離系統(tǒng)、計(jì)數(shù)裝置和包裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。由于裝置分離的精確性和計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性是一個(gè)至關(guān)重要的性能要求，因此需要對(duì)滾筒轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)形式、收集形式進(jìn)行分析選取，分析工作的實(shí)際情況進(jìn)行編程，根據(jù)安裝條件選取合適的傳感器，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出選擇，同時(shí)選取最佳的包裝方式，保證最終效果。還需要站在全局角度進(jìn)行裝置的可靠性，加工工藝性和經(jīng)濟(jì)性分析，使得裝置得到優(yōu)化。并且在實(shí)際工程模式下，充分考慮加工工藝性和經(jīng)濟(jì)性之間的關(guān)系，制定合理的加工工藝，保證加工精度，同時(shí)運(yùn)用合理的工程管理方法指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。
關(guān)鍵詞：硬幣分離；計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)；包裝裝置
I
ABSTRACT
The main purpose of this graduation design is to complete the structural design of the spiral drum coin separation and counting packaging machine, technical design and optimization, separate the coins with different face values and count the final packaging. This design systematically analyzes the overall plan and the various structures. In the case of the overall grasp of the design task and purpose, the design of the whole machine structure, the original mechanism, the transmission mechanism, the separation system and the counting device are carried out. As the accuracy of the separation of the device and the accuracy of the count is a critical performance requirement, it is necessary to select the rotating speed of the cylinder, choose the experimental results and select the best way of packing. From the global perspective, the reliability, manufacturability and economy of the device are analyzed, and the device is optimized. In the actual project model, the relationship between processing technology and economy is fully considered, the reasonable processing technology is formulated, and the production practice is guided by reasonable engineering management methods.
Key Words:Coin separation;Counting mechanism;Packing device
II
目 錄
摘 要 I
1．緒論 1
1.1螺旋式滾筒硬幣分離計(jì)數(shù)包裝機(jī)的目的和意義 1
1.2本課題應(yīng)解決的主要問題及技術(shù)要求 1
1.3國內(nèi)外硬幣分離機(jī)的發(fā)展概況 2
2．總體方案設(shè)計(jì) 4
2.1螺旋式滾筒硬幣分離計(jì)數(shù)包裝機(jī)總設(shè)計(jì)要求 4
2.2螺旋式滾筒硬幣分離計(jì)數(shù)包裝機(jī)的設(shè)計(jì)方法及方案選擇 5
3．螺旋式滾筒硬幣分離計(jì)數(shù)包裝機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 6
3.1整機(jī)機(jī)座的設(shè)計(jì) 6
3.2電動(dòng)機(jī)的選擇 6
3.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 6
3.4分離機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 8
3.5計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 10
3.6包裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 11
4．零部件設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核 12
4.1程序檢驗(yàn) 12
4.2零件設(shè)計(jì) 17
4.3強(qiáng)度校核 18
5.結(jié)論 20
致 謝 22
附錄1：外文翻譯 23
附錄2：外文原文 29
附錄3：計(jì)數(shù)程序 39
螺旋式滾筒硬幣分離計(jì)數(shù)包裝機(jī)設(shè)計(jì)
1．緒論
1.1螺旋式滾筒硬幣分離計(jì)數(shù)包裝機(jī)的目的和意義
本畢業(yè)設(shè)計(jì)課題來源于遼寧省機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新大賽，命題與高校工程訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容相銜接，體現(xiàn)綜合性工程能力。隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和自動(dòng)化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，硬幣流通量逐漸增大，各種面值的硬幣會(huì)出現(xiàn)混合的情況，而現(xiàn)階段硬幣的分類和清點(diǎn)還主要依靠人手工完成，耗費(fèi)大量人力，國內(nèi)外可以實(shí)現(xiàn)此功能的裝置又大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難于大批生產(chǎn)且尚未成熟。無人售票、自動(dòng)售貨機(jī)的推廣，硬幣流通量大大增加，特別是公交公司、金融機(jī)構(gòu)等每天要對(duì)大量硬幣進(jìn)行分類。命題內(nèi)容體現(xiàn)“創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、制造工藝能力、實(shí)際操作能力和工程管理能力”四個(gè)方面的要求。現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展不僅要求產(chǎn)品高質(zhì)量、高性能，而且為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝必須高效率、低成本、節(jié)約能源。
所以，從現(xiàn)實(shí)以及長遠(yuǎn)來說，都有必要掌握硬幣識(shí)別的核心技術(shù)，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，打破壟斷，提高在該領(lǐng)域的國際競爭力?，F(xiàn)有的硬幣分離機(jī)主要有篩動(dòng)式硬幣分類裝置:該硬幣分離裝置由動(dòng)力及傳動(dòng)裝置、分離裝置、收集裝置及計(jì)數(shù)裝置等部分組成；旋轉(zhuǎn)式硬幣分離機(jī)：旋轉(zhuǎn)分離裝置、分類收集裝置、送幣裝置和機(jī)座組成；根據(jù)直徑及厚度進(jìn)行分離的：因?yàn)椴煌嬷档挠矌藕穸群椭睆讲煌ㄟ^一些機(jī)械裝置進(jìn)行分離。
因此我設(shè)計(jì)制作螺旋式滾筒硬幣分離計(jì)數(shù)包裝機(jī)，希望可以找到新的方法來更好的解決這個(gè)問題。
1.2本課題應(yīng)解決的主要問題及技術(shù)要求
主要問題：
（1）完成螺旋式滾筒硬幣分離計(jì)數(shù)包裝機(jī)總體方案設(shè)計(jì)
（2）完成螺旋式滾筒硬幣分離計(jì)數(shù)包裝機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（3）繪制相關(guān)的CAD設(shè)計(jì)圖紙
技術(shù)要求：主體的分離裝置是一個(gè)具有兩種不同直徑的圓柱筒，圓柱筒由鋼軸和圓盤支架支撐，鋼軸通過軸承固定于分離機(jī)的機(jī)座上，在鋼軸靠近軸端位置安裝一個(gè)鏈輪，交流伺服電機(jī)末端安裝一個(gè)鏈輪，兩者通過鏈條連接傳動(dòng)。滾筒的下方通過兩塊擋板相隔，下面通過三個(gè)收集裝置將不同面值的硬幣收集起來。硬幣下落時(shí)先到達(dá)一塊斜置的擋板上，然后滑落到一個(gè)通道里，硬幣滾出通道的末端時(shí)，通過安裝好的計(jì)數(shù)裝置進(jìn)行計(jì)數(shù)，最后通過包裝機(jī)構(gòu)對(duì)收集好的硬幣進(jìn)行包裝。
1.3國內(nèi)外硬幣分離機(jī)的發(fā)展概況
硬幣與國民生活形影不離，國內(nèi)外很早已開始對(duì)硬幣的識(shí)別研究。在這個(gè)領(lǐng)域里,國外較早的開展了研究，并且做了大量的工作。開發(fā)的產(chǎn)品大致也分為三個(gè)檔次，低檔、中檔和高檔。低檔清分速度在1000 枚/ min以下，中檔為1000～1500枚/ min左右，高檔則在 1500 枚/ min 以上。所使用的清分方法上主要有兩大類，一類是根據(jù)物理技術(shù)進(jìn)行清分，另一類是根據(jù)性能指標(biāo)進(jìn)行清分。高速清分基本上都是采用性能指標(biāo)來進(jìn)行清分。國際上很多銀行器具公司也做了大量工作，如瑞典Scan CoinAB 公司，它是一家專業(yè)生產(chǎn)各種銀行器具的公司，也是國際上公認(rèn)的銀行器具做的最好的公司，成系列地研制了針對(duì)不同貨幣體制下的清分系統(tǒng)。但是，中國的貨幣比較復(fù)雜，他們的系統(tǒng)應(yīng)用在中國尚有一系列問題。在國內(nèi)使用，誤判率≤0.5%，但該公司的產(chǎn)品價(jià)格昂貴，且存在技術(shù)壟斷，從發(fā)展趨勢(shì)上來講，一味依靠國外企業(yè)，不利于我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
所以，從現(xiàn)實(shí)以及長遠(yuǎn)來說，都有必要掌握硬幣識(shí)別的核心技術(shù)，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，打破壟斷，提高在該領(lǐng)域的國際競爭力?，F(xiàn)有的硬幣分離機(jī)主要有篩動(dòng)式硬幣分類裝置：該硬幣分離裝置由動(dòng)力及傳動(dòng)裝置、分離裝置、收集裝置及計(jì)數(shù)裝置等部分組成；旋轉(zhuǎn)式硬幣分離機(jī)：旋轉(zhuǎn)分離裝置、分類收集裝置、送幣裝置和機(jī)座組成；根據(jù)直徑及厚度進(jìn)行分離的：因?yàn)椴煌嬷档挠矌藕穸群椭睆讲煌?，通過一些機(jī)械裝置進(jìn)行分離。
在2004年7月7日公開的中國專利公告CN2624299Y中公開了一種“硬幣分離機(jī)的硬幣提供裝置”，它是為了解決硬幣容易被卡住、無法繼續(xù)分離的技術(shù)問題，包括安裝在硬幣分離機(jī)上的可正、反向旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)以及馬達(dá)輸出軸，輸出軸上套有一棘輪，與棘輪相配合的棘爪裝在彈簧安放孔內(nèi)，其后部設(shè)有彈簧，在棘輪上方設(shè)有一硬幣盤，硬幣盤上開有多個(gè)硬幣盤孔，硬幣盤的上方扣合有一中間內(nèi)凹的硬幣內(nèi)盤，在硬幣內(nèi)盤的側(cè)壁上開有漏幣調(diào)整口，硬幣盤和硬幣內(nèi)盤均套裝在輸出軸上，它實(shí)際上是一種硬幣分離機(jī)。
但是，現(xiàn)有的硬幣分離機(jī)有幾個(gè)缺點(diǎn):
（1）分離大量的硬幣時(shí)，當(dāng)硬幣收納管都裝滿時(shí)也不能自動(dòng)停止，落幣抽屜中落下的硬幣還要重新分離；
（2）硬幣分離都完成后，即使搬運(yùn)容器中沒有硬幣，使用者如果不關(guān)電源，硬幣分離還要繼續(xù)操作；
（3）在硬幣分離過程中，使用者不能取出硬幣收納管包裝，必須等硬幣分離完了，硬幣分離機(jī)操作停止；
（4）硬幣分離完了，沒有確認(rèn)硬幣分離管內(nèi)收納的硬幣個(gè)數(shù)的方法，只能把硬幣收納管收納的硬幣倒出來數(shù)數(shù)?？偟膩碚f，現(xiàn)有的這種硬幣分離機(jī)的缺點(diǎn)是控制能力差、使用不方便、噪聲大、壽命短。
采用根據(jù)硬幣直徑的大小對(duì)幣值進(jìn)行清分的方法，雖然不具備辯偽功能，但可以對(duì)中國現(xiàn)行硬幣快速準(zhǔn)確按幣值進(jìn)行清分。主要特色是設(shè)計(jì)簡便、清分準(zhǔn)確、使用可靠、維護(hù)簡便、價(jià)格低廉等。而且系統(tǒng)具備擴(kuò)展的潛能，可以滿足將來硬幣分離機(jī)發(fā)展的需求，因此此產(chǎn)品具備較高的推廣應(yīng)用價(jià)值，其發(fā)展前景相當(dāng)廣闊。
新型硬幣分離計(jì)數(shù)裝置與其它處理錢幣的機(jī)械裝置相比，設(shè)計(jì)理念簡單、合理，能實(shí)現(xiàn)高效處理、功能雙帶，且可用于生產(chǎn)并投入使用，成本較低，前景可觀。可廣泛應(yīng)用于各種商場(chǎng)、地鐵公司、公交公司等硬幣流通量大的場(chǎng)所，大大節(jié)省人力、物力和財(cái)力。針對(duì)國家發(fā)行的第五套硬幣，根據(jù)不同面值硬幣具有不同直徑和厚度的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種簡易、小型的硬幣分離機(jī)，通過電機(jī)帶動(dòng)分離盤，使混合的硬幣通過分離槽分離出來，并分別進(jìn)行計(jì)數(shù)收集。
2．總體方案設(shè)計(jì)
2.1螺旋式滾筒硬幣分離計(jì)數(shù)包裝機(jī)總設(shè)計(jì)要求
此設(shè)計(jì)需要解決的問題以及實(shí)現(xiàn)的功能：
（1）硬幣分離機(jī)的電機(jī)：選擇電機(jī)時(shí)需要綜合考慮負(fù)載類型、額定電壓、額定功率、轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)，根據(jù)實(shí)際工作情況，對(duì)各部分機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行分析計(jì)算，最后做出選擇。
（2）傳動(dòng)方案選擇：在選擇傳動(dòng)方案時(shí)，要考慮整機(jī)的功能要求和工作條件，經(jīng)過分析計(jì)算，確定傳動(dòng)的級(jí)數(shù)以及各組成部分的連接方式，先做出草圖示意圖。傳動(dòng)的方案有很多種可能，其中可以通過改變傳動(dòng)類型和布置順序來實(shí)現(xiàn)。最后還要考慮整個(gè)傳動(dòng)裝置對(duì)整機(jī)的影響，要有一定的保護(hù)作用。
（3）分離機(jī)構(gòu)選擇：分離機(jī)構(gòu)可以通過硬幣的多種參數(shù)進(jìn)行分離，其中較常用的幾個(gè)參數(shù)為硬幣的化學(xué)成分、質(zhì)量、直徑等，選擇時(shí)需要綜合考慮各機(jī)構(gòu)相互配合的問題，以及最后的分離效果，還有裝置的制造工藝是否能夠達(dá)到，以及材料的選擇，最后確定方案。
（4）計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)選擇：計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)最重要的是精確性和穩(wěn)定性，可以通過傳感器實(shí)現(xiàn)，此時(shí)就需要選擇傳感器的類型，選擇時(shí)要綜合考慮其他機(jī)構(gòu)的方案，不能影響其他機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行以及保證后續(xù)功能能夠順利實(shí)現(xiàn)。
（5）包裝機(jī)構(gòu)的選擇：包裝機(jī)構(gòu)是本裝置的最后一項(xiàng)功能，根據(jù)硬幣的自身特性和最后預(yù)期的效果進(jìn)行選擇，也應(yīng)考慮之后的儲(chǔ)存及運(yùn)輸問題。
與此同時(shí)，要將加工工藝方案和需要的材料進(jìn)行分析確定，通過一系列實(shí)驗(yàn)確定最終的方案路線。
本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的功能是：因?yàn)闈L筒上排列不同直徑的圓孔及固定在滾筒上螺旋帶將不同直徑的硬幣分離開，硬幣在進(jìn)入滾筒后，因?yàn)闈L筒的旋轉(zhuǎn)，固定在內(nèi)部的螺旋帶推動(dòng)內(nèi)部的硬幣向另一端移動(dòng)，在此期間不同的硬幣將在對(duì)應(yīng)圓孔區(qū)內(nèi)掉落，之后在收集的同時(shí)完成計(jì)數(shù)，并且在顯示屏上顯示各種硬幣的總值及所有硬幣的總值，最終在包裝機(jī)構(gòu)內(nèi)完成包裝。
設(shè)計(jì)時(shí)需考慮以下要求：
（1） 裝置應(yīng)能精確的將不同面值的硬幣分離開，不能出現(xiàn)漏分的情況。
（2）電機(jī)選取要求：電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)既能保證效率，又不能太快而導(dǎo)致漏分的現(xiàn)象，以及響應(yīng)速度、過載能力和運(yùn)行性能等的要求。
（3）計(jì)數(shù)裝置要滿足準(zhǔn)確的要求，需要滿足計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確和計(jì)算的準(zhǔn)確。
2.2螺旋式滾筒硬幣分離計(jì)數(shù)包裝機(jī)的設(shè)計(jì)方法及方案選擇
完成本題目要求設(shè)計(jì)的螺旋式滾筒硬幣分離計(jì)數(shù)包裝機(jī)應(yīng)先明確目的，確定實(shí)施路線，必須事先認(rèn)真分析討論題目給出的要求，從細(xì)節(jié)出發(fā)，注重每個(gè)環(huán)節(jié)的把控，才能做到條理清楚，事半功倍。其次，為了更好的完成本課題，要做好材料選擇及加工方法的確定。
方案選擇如下：電機(jī)采用有刷直流電機(jī)，傳動(dòng)裝置采用齒輪定比傳動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸通過鍵連接形式與齒輪進(jìn)行配合，轉(zhuǎn)軸與滾筒通過螺紋連接形式實(shí)現(xiàn)，需要用螺母進(jìn)行固定。硬幣在筒內(nèi)的移動(dòng)通過螺旋帶實(shí)現(xiàn)，螺旋帶跟隨滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)推動(dòng)硬幣向前運(yùn)動(dòng)，硬幣在到達(dá)相對(duì)應(yīng)直徑的圓孔時(shí)掉落，硬幣在下落到收集裝置時(shí)，由于裝置有兩塊斜板組成，所以最終硬幣會(huì)到達(dá)槽內(nèi)，最終滾落下來通過計(jì)數(shù)裝置的傳感器，完成計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)裝置由光電傳感器接受光信號(hào)，將轉(zhuǎn)化成的電信號(hào)傳到單片機(jī)內(nèi)，完成統(tǒng)計(jì)計(jì)算工作。之后在包裝機(jī)構(gòu)中完成包裝工作，包裝機(jī)構(gòu)的收集桶固定在一個(gè)一側(cè)有齒條的矩形板上，接著通過控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角將桶移動(dòng)，換到下一個(gè)收集，最終完成所有功能。
3．螺旋式滾筒硬幣分離計(jì)數(shù)包裝機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1整機(jī)機(jī)座的設(shè)計(jì)
因?yàn)殡姍C(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，故機(jī)體需具有一定的穩(wěn)定性和抗振性，兼顧作品的美觀性，機(jī)體采用5mm的亞克力板，考慮到加工精度，采用cad成圖，雕刻機(jī)加工保證精度。
3.2電動(dòng)機(jī)的選擇
為滿足不同的分離速度要求，選取可以調(diào)速的微型有刷直流電機(jī)，型號(hào)為XD-37GB520。
3.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
本硬幣分離機(jī)需要將電機(jī)的動(dòng)力傳遞到分離裝置上，帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，同時(shí)內(nèi)部的螺旋條推進(jìn)硬幣向前移動(dòng)。硬幣分離機(jī)應(yīng)具備如下優(yōu)勢(shì)：運(yùn)行平穩(wěn)、機(jī)構(gòu)不繁瑣、機(jī)械效率高等等，做到這些就能很好的完成功能。下列方案可供選擇：
3.3.1皮帶傳動(dòng)
（1）工作時(shí)傳動(dòng)很平穩(wěn)且無噪聲，具有緩沖、吸振的能力
（2）在過載時(shí)，皮帶會(huì)在帶輪上發(fā)生打滑，可有效防止構(gòu)件中薄弱的零部件損壞，起到安全保護(hù)的作用
（3）較其他傳動(dòng)方式造價(jià)低廉、不需要潤滑以及緩沖、吸震、易維護(hù)等特點(diǎn)
缺點(diǎn)：
（1）滑動(dòng)損失：皮帶在工作時(shí)，由于帶輪兩邊的拉力差以及相應(yīng)的變形經(jīng)差形成彈性滑動(dòng)，導(dǎo)致帶輪與從動(dòng)輪的速度損失。彈性滑動(dòng)與載荷、速度、帶輪直徑和皮帶的結(jié)構(gòu)有關(guān)，彈性滑動(dòng)率通常在1%-2%之間。有的皮帶傳動(dòng)還有幾何滑動(dòng)；
（2）過載時(shí)將引起打滑，使皮帶的運(yùn)動(dòng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，效率急劇下降，造成磨損加劇，嚴(yán)重影響皮帶的壽命；
（3）滯后損失：皮帶在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生反復(fù)伸縮，特別是在帶輪的繞曲會(huì)使皮帶體內(nèi)部產(chǎn)生摩擦引起功率損失；
（4）空氣阻力：皮帶高速傳動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)中的風(fēng)阻也將引起轉(zhuǎn)矩?fù)p耗，損耗值隨著速度的升高而增大；
（5）軸承的摩擦損失：軸承在裝置工作時(shí)受到皮帶的拉力，會(huì)引起轉(zhuǎn)矩?fù)p?；瑒?dòng)軸承和滾動(dòng)軸承均會(huì)造成損失
3.3.2鏈條傳動(dòng)
（1）不需考慮彈性滑動(dòng)和打滑，能夠保持準(zhǔn)確傳動(dòng)比；
（2）工作時(shí)需要張緊力較小，作用在軸上的壓力小，有效減少軸承的摩擦損失；
（3）整個(gè)傳動(dòng)裝置更緊湊；
（4）能夠適應(yīng)高溫，有油污等的惡劣環(huán)境；
（5）制造和安裝精度都較低，中心距較大時(shí)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)比較簡單。
缺點(diǎn)：瞬時(shí)轉(zhuǎn)速以及瞬時(shí)傳動(dòng)比不是常數(shù)，傳動(dòng)時(shí)的平穩(wěn)性較差，會(huì)有一定的沖擊和噪聲。
3.3.3齒輪傳動(dòng)
（1）效率較其他方式高;
（2）整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)緊湊;
（3）工作時(shí)可靠
（4）傳動(dòng)比穩(wěn)定。
綜上所述，本裝置采用齒輪傳動(dòng)，計(jì)算具體參數(shù)：
電機(jī)轉(zhuǎn)軸與滾筒主軸距離：L=100mm
模數(shù) m=2
齒數(shù) Z1=30，Z2=70
傳動(dòng)比i=Z2Z1=7030=2.3 (3.1)
分度圓直徑d1=mz1=60mm，d2=mz2=140mm (3.2)
標(biāo)準(zhǔn)中心距a=m(z1+z2)2=100mm (3.3)
齒頂圓直徑
da2=(Z2+2ha*)m=64mm
da2=(Z2+2ha*)m=144mm (3.4)
齒根圓直徑
df1=(Z1-2ha*-2c*)m=55mm
df2=(Z2-2ha*-2c*)m=135mm (3.5)
圖3.1 小齒輪
圖3.2 大齒輪
3.4分離機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
分離滾筒，采取中空設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)半徑為66.5mm，設(shè)計(jì)長度為270mm，圓筒前半部分陣列排布直徑為19.5mm的圓，負(fù)責(zé)分離1角硬幣，后半部分陣列排布直徑是21mm的圓，用來分離5角硬幣，圓筒內(nèi)部裝有螺距為20mm的窄螺旋，可以讓硬幣向前進(jìn)給，隨機(jī)通過圓筒側(cè)壁的陣列圓。若硬幣直徑小于圓筒所開直徑，硬幣便可以通過筒壁的圓掉落，落到在起下方的收集裝置，進(jìn)行收集、計(jì)數(shù)等工作。螺旋自始至終貫穿圓筒，在圓筒旋轉(zhuǎn)的時(shí)候起到輔助向前推進(jìn)硬幣的作用，最終1角硬幣從前半部分圓孔篩出、5角硬幣從后半部分被篩出，1元硬幣從滾筒末端掉出。以上三種硬幣均掉入到不同的收集裝置里。
圖3.3 滾筒圖
圖3.4 螺旋帶
圖3.5 滾筒軸
圖3.6 整體圖
3.5計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
計(jì)數(shù)功能是由安裝在硬幣滑道出口處的光電傳感器完成的，硬幣通過出口時(shí)會(huì)遮擋光信號(hào)，從而產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)，最終完成計(jì)數(shù)和總值的計(jì)算?？紤]到硬幣在連續(xù)下落時(shí)只有兩側(cè)均會(huì)出現(xiàn)間歇光，所以傳感器安裝在出口的任意一側(cè)。
圖3.7 收集裝置
3.6包裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
包裝機(jī)構(gòu)由5個(gè)直徑略大于硬幣的桶固定在一個(gè)帶齒條的長板上構(gòu)成，齒條由舵機(jī)帶動(dòng)，當(dāng)傳感器檢測(cè)到一定數(shù)量的硬幣落入桶內(nèi)后，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，換到下個(gè)桶收集，直至5個(gè)桶全部收滿。
舵機(jī)選擇：馴龍者DG-2020-MG995 360°可控角度
齒條長度：L=113mm，
Z1=18
m=2
α1=20°
ha1=ha*m=2mm (3.6)
hf1=ha*+c*m=2.5mm (3.7)
齒輪：Z2=18
m=2
α2=20°
da2=(Z2+2ha*)m=40mm (3.8)
df2=(Z2-2ha*-2c*)m=31mm (3.9)
當(dāng)一個(gè)桶收集滿后舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)90°，齒條移動(dòng)28.25mm,舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)360°后完成包裝工作。
圖3.8 收集桶
圖3.9 舵機(jī)齒輪
4．零部件設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核
4.1程序檢驗(yàn)
（1）屏幕上固定顯示的數(shù)字定位
// 函數(shù)功能：輸入定位
void PosLCD(uchar X,uchar Y)
{
uchar ucPos;
if(X == 1)
{ X = 0x80; } //第一行
else if(X == 2)
{ X = 0x90; } //第二行
else if(X == 3)
{ X = 0x88; } //第三行
else if(X == 4)
{ X = 0x98; } //第四行
ucPos = X + Y; //計(jì)算地址
WrComLCD(ucPos); //顯示地址
}
（2）對(duì)LCD屏幕的初始化
// 函數(shù)功能：LCD初始化
void LCD_Init(void)
{
WrComLCD(0x30); // 8位數(shù)據(jù)端口、選擇基本指令
DelayMS(10);
WrComLCD(0x01); // 顯示清屏
DelayMS(10);
WrComLCD(0x0C); // 顯示設(shè)定：整體顯示、游標(biāo)關(guān)、不反白
DelayMS(10);
}
（3）確定顯示內(nèi)容的位置
//函數(shù)功能：顯示內(nèi)容于第幾行第幾列
void disp(uchar nn[],uchar hang,uchar lie)
{
uchar ucVal;
ucVal = 0;
PosLCD(hang,lie); // 選擇第幾行、第幾列
while(nn[ucVal] != '\0')
{
WrDatLCD(nn[ucVal]);
ucVal++;
}
}
（4）計(jì)算結(jié)果顯示位置固定
//函數(shù)功能：固定顯示
void disp_ding(void)
{
disp("一元",1,1);
disp("枚",1,7);
disp("五角",2,1);
disp("枚",2,7);
disp("一毛",3,1);
disp("枚",3,7);
disp("總計(jì)：",4,1);
disp("元",4,7);
}
（5）統(tǒng)計(jì)錢數(shù)并顯示
//函數(shù)功能：顯示錢數(shù)
void disp_money(uchar yishu,uchar wushu,uchar moshu)
{
uint zong;
uchar yibai,yi10,yige,wubai,wu10,wuge,mobai,mo10,moge,zqian,zbai,z10,zge;
zong=yishu*10+wushu*5+moshu;
yibai=(yishu/100);
yi10=((yishu%100)/10);
yige=(yishu%10);
wubai=(wushu/100);
wu10=((wushu%100)/10);
wuge=(wushu%10);
mobai=(moshu/100);
mo10=((moshu%100)/10);
moge=(moshu%10);
zqian=(zong/1000);
zbai=((zong%1000)/100);
z10 =(((zong%1000)%100)/10);
zge =(zong%10);
PosLCD(1,4);
WrDatLCD((0x30+yibai));
WrDatLCD((0x30+yi10));
WrDatLCD((0x30+yige));
PosLCD(2,4);
WrDatLCD((0x30+wubai));
WrDatLCD((0x30+wu10));
WrDatLCD((0x30+wuge));
PosLCD(3,4);
WrDatLCD((0x30+mobai));
WrDatLCD((0x30+mo10));
WrDatLCD((0x30+moge));
PosLCD(4,4);
WrDatLCD((0x30+zqian));
WrDatLCD((0x30+zbai));
WrDatLCD((0x30+z10));
WrDatLCD('.');
WrDatLCD((0x30+zge));
}
/****************主函數(shù)******************/
void main(void)
{
uchar datat1=0,datat2=0,datat3=0;
LCD_Init(); //LCD初始化
disp_ding();
P0=0x00;
P2=0x00;
while(1)
{
if(yiint==1)
{
datat1=P0;
yiput=1;
disp_money(datat1,datat2,datat3);
yiput=0;
}
if(wuint==1)
{
datat2=P0;
wuput=1;
disp_money(datat1,datat2,datat3);
wuput=0;
}
if(moint==1)
{
datat3=P0;
moput=1;
disp_money(datat1,datat2,datat3);
moput=0;
}
}
}
完整程序見附錄
程序演示：
圖4.1 初始顯示
圖4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
4.2零件設(shè)計(jì)
4.2.1設(shè)計(jì)的零件：
（1）機(jī)體框架
亞克力板，厚度為5mm
長度400mm寬度200mm高度460mm
加工方式：cad作圖，雕刻機(jī)加工
（2）滾筒
鋁，厚度2mm
直徑67mm，長度270mm，圓孔直徑前半部分19.5mm后半部分21mm
（3）滾筒軸
鋼軸
直徑15mm，螺紋M15×1LH-6G
加工方式：車床車削
（4）軸套
尼龍。外圓18mm長10mm
加工方式：車床車削
4.2.2可購買的標(biāo)準(zhǔn)件
深溝球軸承2個(gè)
尺寸代號(hào)系列00大小16002
外徑32mm內(nèi)徑15mm寬度8mm
圖4.3 裝配圖
4.3強(qiáng)度校核
表4.1 校核結(jié)果
名稱
類型
最小
最大
應(yīng)力
應(yīng)力
1.037e+004N/m2
4.543e+007N/m2
位移
合位移
0mm
3.423e-002mm
應(yīng)變
對(duì)等應(yīng)變
8.666e-008
1.318e-004
圖4.4 應(yīng)力分布圖
圖4.5 位移分布圖
圖4.6 應(yīng)變分布圖
軸的材料為40Cr，其屬性為：
屈服強(qiáng)度7.85e+008N/m2；張力強(qiáng)度9.8e+008N/m2；彈性模量2.1e+011N/m2
所以，軸所受到的應(yīng)變力遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度，故安全。
5.結(jié)論
本次螺旋式滾筒硬幣分離計(jì)數(shù)包裝機(jī)的關(guān)鍵點(diǎn)在于：傳動(dòng)齒輪需要精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于齒輪，齒輪在制造時(shí)需要保證精度，根據(jù)具體的科學(xué)的理論分析得到較優(yōu)方案，最后通過實(shí)踐來得到最終方案；分離裝置需要合適的轉(zhuǎn)速，以及適量的硬幣，才能保證最后的分離效果，各部分機(jī)構(gòu)正常配合才能正常工作；因?yàn)楸狙b置各機(jī)構(gòu)是自主設(shè)計(jì)，為了保證正常安裝，要查表確定好各配合的公差，這樣減少了因配合問題可能導(dǎo)致的能量損耗，可使裝置更加節(jié)能；計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)要通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)功能，需要編制合適的程序以及正確安裝傳感器才能實(shí)現(xiàn)功能，需要通過多次實(shí)驗(yàn)來確定最終方案。
最后的包裝機(jī)構(gòu)是最后一道功能，它要完美的銜接計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)出來的硬幣，并且要合理控制舵機(jī)轉(zhuǎn)角，使收集筒正確的移動(dòng)。
參 考 文 獻(xiàn)
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致 謝
畢業(yè)設(shè)計(jì)即將結(jié)束，四年的大學(xué)生活也即將結(jié)束，在這個(gè)特殊的時(shí)間段里，心里面有許多感激的話想對(duì)我的母校，我的老師，以及我的同學(xué)們說，感謝他們陪我度過了我人生中最重要的時(shí)期，母校的哺育，各位老師們的教導(dǎo)，同學(xué)們的幫助讓我跨過了一個(gè)又一個(gè)難關(guān)，在此我表示深深的感激！
特別是在這近三個(gè)月中的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我得到了劉安生老師的大力支持以及一些同學(xué)的幫忙，讓我本來就很膚淺的知識(shí)得到了一定的充實(shí)，才得以完成了這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，很難想像沒有他們的指導(dǎo)和幫助要完成這次設(shè)計(jì)將會(huì)是多么困難，因此在此表達(dá)我無限的感激。同時(shí)還要感謝的是機(jī)械工程學(xué)院的所有老師們，感謝他們?yōu)槲覀兊脑O(shè)計(jì)提供了豐富的資料，圖冊(cè)以及學(xué)習(xí)場(chǎng)所，讓我們?cè)诔渥愕馁Y源的學(xué)習(xí)環(huán)境下順利完成了設(shè)計(jì)。
最后我要感謝大連大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的所有老師以及所有曾教育過我的老師們，正是有了你們?cè)诖髮W(xué)期間對(duì)我的教導(dǎo)以及教誨，我才能夠在今后的學(xué)習(xí)之路走得更遠(yuǎn)。
57
附錄1：外文翻譯
平面磁電阻與磁選礦廠有寬帶電力電子應(yīng)用非接觸式電流傳感器
摘要
高頻電力電子變換器需要無損、準(zhǔn)確和隔離的電流測(cè)量。通過印刷電路（PCB）軌跡的高頻電流在跡線周圍產(chǎn)生不均勻的磁場(chǎng)。而且非均勻的磁場(chǎng)可以通過磁場(chǎng)集中器（MCONs）使用導(dǎo)電材料進(jìn)行歸一化。在這項(xiàng)研究中，已經(jīng)提出了一種新的技術(shù)，使用磁電阻（MR）傳感器與平面磁集中器（MCON）利用導(dǎo)電材料的高頻無接觸電流檢測(cè)。研究了不同的MCONs對(duì)各向異性磁共振（AMR）傳感器高頻無接觸電流檢測(cè)性能的影響。實(shí)驗(yàn)表明，配備了不同的MCONs的AMR傳感器相對(duì)于快速上升階躍電流的性能。利用不同的MCONs對(duì)傳感器響應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的頻率分析，以確定對(duì)電流傳感器的檢測(cè)帶寬的影響。
1 介紹
高頻變換器中電流信息的提取是當(dāng)前的主要挑戰(zhàn)之一。高頻功率電子學(xué)隨著近年來高頻功率電子學(xué)的發(fā)展和新一代寬禁帶（WBG）功率器件的引入，無源元件以及電路體積變得非常小型化。為了快速、有效和高效地控制功率變換器，無損、準(zhǔn)確的電流測(cè)量是一個(gè)基本的先決條件。傳統(tǒng)的電流傳感技術(shù)不再適用于高頻轉(zhuǎn)換器中的電流測(cè)量。因此，有必要研究替代的方法和技術(shù)來測(cè)量電流。這些方法應(yīng)該產(chǎn)生具有快速、準(zhǔn)確、拓?fù)錈o關(guān)和無損的當(dāng)前SEN源。此外，使用允許高頻功率轉(zhuǎn)換器（＞1 MHz）的WBG半導(dǎo)體具有更高的電壓器件（＞30 V）需要隔離的電流傳感器。
基于霍爾效應(yīng)的傳感器和基于磁電阻（MR）的傳感器是隔離和非接觸電流檢測(cè)的最流行的解決方案之一?；魻栃?yīng)傳感器廣泛應(yīng)用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域，多年來觀察到了顯著的性能改進(jìn)[1 ] -〔5〕。使用具有高載流子遷移率的材料（例如GaAs和InAs）制造霍爾元件，導(dǎo)致了1 MHz（6）的靈敏度和檢測(cè)帶寬的顯著改善。然而，該技術(shù)要求主電流路徑被中斷并通過感測(cè)裝置。
基于霍爾元件的非接觸電流傳感器的引入是通過平面磁場(chǎng)集中器（MCONs）〔7〕、〔8〕的應(yīng)用而實(shí)現(xiàn)的。霍爾元件響應(yīng)磁場(chǎng)，這是正常的跡線取向。因此，與常規(guī)方法不同，霍爾元件被放置在磁集中器下面，該磁場(chǎng)集中器向傳感器提供正常場(chǎng)。這些磁集中器利用鐵磁材料將磁場(chǎng)集中在霍爾傳感元件上。最先進(jìn)的基于非接觸霍爾效應(yīng)的電流傳感器的帶寬限制在250 kHz（7），〔8〕，從而使它們不適用于高頻（＞1 MHz）的無接觸電流測(cè)量。
MR傳感器可以基于金屬合金和半導(dǎo)體來開發(fā)，從而提高設(shè)計(jì)靈活性。MR傳感器具有良好的靈敏度和測(cè)量精度，因?yàn)樗鼈儽然诨魻栃?yīng)的傳感器具有更少的漂移。它們可以響應(yīng)AC和DC場(chǎng)，并且具有非常高的檢測(cè)帶寬，這使得它們成為電力電子轉(zhuǎn)換器中高頻電流檢測(cè)的有吸引力的選擇。與基于霍爾效應(yīng)的傳感器不同，MR傳感器對(duì)水平磁場(chǎng)進(jìn)行響應(yīng)，該水平磁場(chǎng)能夠利用諸如銅（Cu）或鋁（Al）的導(dǎo)電材料作為平面MCONs。幾個(gè)研究小組正在研究技術(shù)，以提高霍爾效應(yīng)以及基于MR和GMR的電力電子應(yīng)用設(shè)備的靈敏度（9）-（17）的電流感應(yīng)的靈敏度和準(zhǔn)確度。
在這項(xiàng)研究中，我們提出了一種新的技術(shù)，使用MR傳感器的平面磁集中器（MCON）利用導(dǎo)電材料的增強(qiáng)帶寬非接觸電流檢測(cè)。研究了不同的MCONs對(duì)各向異性磁共振（AMR）傳感器高頻無接觸電流檢測(cè)性能的影響。市售AMR傳感器霍尼韋爾HMC1021S〔18〕被用作非接觸電流監(jiān)測(cè)裝置。AMR傳感器被用于檢測(cè)由定制設(shè)計(jì)的步進(jìn)電流發(fā)生器產(chǎn)生的非?？斓乃矐B(tài)電流的電流。設(shè)計(jì)了六種不同材料和厚度的磁集中器（MCONs），分析了在檢測(cè)到20μA的快速瞬態(tài)電流對(duì)傳感器性能的影響。記錄了具有不同MCONs的傳感器響應(yīng)，并對(duì)A進(jìn)行了詳細(xì)的分析。分析了MCONs的作用。用不同的MCONs對(duì)傳感器響應(yīng)進(jìn)行頻率分析，分析MCONs對(duì)AMR傳感器的傳感性能和檢測(cè)帶寬的影響。
2 MR傳感器的MCON
在典型的電力電子應(yīng)用中，MR傳感器被放置在印刷電路板（PCB）上的當(dāng)前汽車行駛軌跡的頂部或下方（底層），如圖1所示。傳感器與電流跡線沒有物理接觸，并且通過傳感器芯片內(nèi)的AMR傳感元件檢測(cè)通過跡線的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。當(dāng)?shù)皖l電流通過PCB跡線時(shí)，由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)是均勻的并且均勻分布在電流跡線周圍。圖1（a）和（b）在低頻和高頻電流下可視化磁場(chǎng)分布。與AMR傳感器的默認(rèn)檢測(cè)軸相交的磁通線產(chǎn)生響應(yīng)。
在傳感器輸出中，正比于跟蹤中的電流MAG。然而，在高頻下，由于趨膚效應(yīng)，流過跡線的大部分電流集中在跡線的邊緣附近。高頻電流產(chǎn)生的磁通線在跡線周圍不再均勻，大部分磁通線集中在電流跡線的邊緣附近。感測(cè)元件附近的場(chǎng)分布非常弱，并且由傳感器檢測(cè)到相對(duì)較弱的場(chǎng)。其結(jié)果是，傳感器在高頻電流傳感中給出了其靈敏度的假印象。然而，用MCONs對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行歸一化，在傳感區(qū)域中產(chǎn)生均勻的場(chǎng)分布，并且增強(qiáng)了傳感器的檢測(cè)帶寬。
一種放大和歸一化由高頻電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方法是在傳感器周圍折疊載流跡線（9）。這種方法也被用于平面Rogowski線圈，其中線圈被夾在跡線〔19〕-〔22〕之間。如果應(yīng)用允許這樣的布局修改，該方法可以很好地應(yīng)用于點(diǎn)場(chǎng)檢測(cè)器，例如磁阻（MR）傳感器。然而，有可能實(shí)現(xiàn)MCONS，其能夠在沒有或最小PCB布局修改的情況下，在承載高頻電流的PCB跡線上形成和放大場(chǎng)。
MR元件對(duì)磁場(chǎng)場(chǎng)的水平分量作出響應(yīng)，而霍爾效應(yīng)元件則響應(yīng)于磁場(chǎng)的垂直分量來進(jìn)行精確傳感。與MR傳感器相關(guān)聯(lián)的這種獨(dú)特性質(zhì)可以在設(shè)計(jì)磁場(chǎng)磁場(chǎng)歸一化目的的MCONs時(shí)得到很大程度的利用。在一般情況下，當(dāng)暴露在導(dǎo)電表面上時(shí)，利用電磁場(chǎng)反射特性，通過傳感器使磁場(chǎng)正?；驮鰪?qiáng)。理想情況下，需要具有零場(chǎng)吸收的超導(dǎo)體表面以獲得最大性能。然而，使用具有良好導(dǎo)電性的材料，例如具有特定尺寸和厚度的Cu或Al，可以在很大程度上實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)歸一化。MCON的材料、尺寸和厚度在磁場(chǎng)歸一化和MR傳感器的性能方面起著很大的作用。
為了清楚地了解Mcon對(duì)電流軌跡周圍磁場(chǎng)分布的影響，采用有限元方法MAG-NEICS（FEMM）電磁解算器進(jìn)行了詳細(xì)的仿真研究。圖2和3分別給出了10和20 A電流的模擬結(jié)果，示出了與常規(guī)電流跡線相比，MCON技術(shù)的磁場(chǎng)分布的變化。在1盎司PCB銅軌跡上進(jìn)行模擬，其寬度為150密耳。電流通過PCB跡線在遠(yuǎn)離觀察者的方向上。電流從直流變化到5 MHz，以了解磁場(chǎng)對(duì)磁場(chǎng)分布的影響。長度和寬度分別為0.19和0.15的MCONs放置在距PCB跡線3.07毫米的距離處，這是從PCB跡線到放置在PCB上的芯片頂部的距離。
對(duì)于直流電流，由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)是均勻的并且均勻分布在跡線周圍。直流磁場(chǎng)不受麥肯的影響，如圖所示是不變的。
由20 A電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的幅度高于由10 A電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，并且在這兩種情況下，磁場(chǎng)都不受MCONs的影響。然而，當(dāng)5 MHz電流通過跡線時(shí)，由于趨膚效應(yīng)，跡線產(chǎn)生的大部分磁場(chǎng)集中在跡線的邊緣附近。其結(jié)果是，作為有效感測(cè)區(qū)域的跡線的中段附近的場(chǎng)是不均勻的。
圖2（b）示出了在5兆赫的模擬結(jié)果，沒有MCon（左）和Cu MCONs的厚度分別為1密耳（中間）和5密耳（右），分別為10 A電流?？梢郧宄乜闯?，高頻電流的非均勻磁場(chǎng)分布被集中、歸一化并使用MCONs均勻化。磁通密度（B）和磁場(chǎng)強(qiáng)度（H）在從電流跡線的2.1毫米處測(cè)得的磁場(chǎng)強(qiáng)度表明，使用MCONs增加了B和H值。如圖2（c）所示，在Al MCONs電流為10毫安（左）和10密耳（右）厚度的情況下，可以觀察到類似的結(jié)果。5 MIL銅Mon在場(chǎng)密度方面表現(xiàn)出最顯著的改善，B值從0.702增加到0.992 Mt。磁通密度的變化是δB＝（0.992 0.702）MT＝0.29 MT＝2.9 G。
從制造商數(shù)據(jù)表（18）考慮的MR傳感器的靈敏度是Sm＝1 mV/（V-TT）。ASSEM在后處理電路中的橋電壓為5 V，增益為20（在后面的部分中解釋），輸出在5 mIL Cu MCON中的相關(guān)電壓增益為δV＝δB SM 5 20＝290 mV。
通過實(shí)現(xiàn)5 mIL銅Mon，傳感器輸出的5兆赫電流的10微震幅度理論上可以提高290毫伏，這相當(dāng)于傳感器響應(yīng)的11.6%改善。如圖3（b）和（c）所示，20 A電流的模擬結(jié)果在感測(cè)區(qū)域中磁場(chǎng)集中和歸一化方面顯示了類似的結(jié)果。因此，改變MCon的材料和厚度，可以實(shí)現(xiàn)不同水平的磁場(chǎng)歸一化。
3 MCON性能的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
A 實(shí)驗(yàn)裝置
為了評(píng)價(jià)Mcon對(duì)MR傳感器（18）作為電流測(cè)量裝置的性能的影響，開發(fā)了幾種測(cè)試電路。圖4示出了設(shè)計(jì)用于在配備不同的MCONs時(shí)評(píng)估AMR傳感器的性能的硬件設(shè)置的電路圖。使用定制設(shè)計(jì)的快速高架階梯電流發(fā)生器產(chǎn)生電流脈沖，該電流脈沖用作AMR傳感器的參考電流。階躍電流產(chǎn)生器可以產(chǎn)生高達(dá)20 A的電流脈沖，其過渡時(shí)間約為5納秒，這使得我們能夠分析到50 MHz的感測(cè)帶寬。載流PCB跡線和MR傳感器被放置在厚度為1.57毫米的PCB的相對(duì)側(cè)上。在PCB的底層上實(shí)現(xiàn)了帶有1盎司Cu的載流軌跡，而MR傳感器被放置在圖4。評(píng)估不同MCONs的AMR傳感器性能的硬件設(shè)置電路圖。頂層使得電流軌跡與傳感元件之間的距離為2.1毫米。AMR傳感器的輸出由差分增益20進(jìn)一步放大，這是用高速分量（205 MHz，506 V/s s）實(shí)現(xiàn)的，因此它不限制感興趣的頻率范圍。圖5示出了為實(shí)驗(yàn)而開發(fā)的硬件原型。
在這項(xiàng)研究中，AMR傳感器用六種不同配置的MCONs進(jìn)行評(píng)估。使用具有優(yōu)異導(dǎo)電性的材料如Cu和Al來配置MCONs。MCONs的長度和寬度分別為0.19和0.15，匹配AMR傳感器SOIC8芯片的頂部尺寸。采用不同的MCONs厚度對(duì)傳感器輸出進(jìn)行觀測(cè)。Cu MCONs使用三種不同厚度的1, 5和10密耳，而Al MCONs用5, 10和22密耳厚。MCON被一次放置在AMR傳感器的頂部，并且觀察到傳感器相對(duì)于具有高達(dá)20 A的幅度的快速上升階躍電流的響應(yīng)。圖6示出了配備1 MIL Cu Mcon的步進(jìn)電流發(fā)生器和AMR傳感器的實(shí)驗(yàn)裝置。
B.實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在圖7中示出了AMR傳感器對(duì)10μA量級(jí)的快速上升階躍電流的響應(yīng)。綠色波形對(duì)應(yīng)于在步進(jìn)電流發(fā)生器板中使用小功率電阻器的參考電流測(cè)量。黃色波形對(duì)應(yīng)于AMR傳感器與任何MCON的響應(yīng)。當(dāng)跟蹤中沒有電流時(shí)，傳感器輸出偏置在2.5 V。隨著10的軌跡中的階躍電流，達(dá)到3.08 V的穩(wěn)態(tài)傳感器響應(yīng)。圖7。AMR傳感器對(duì)10的響應(yīng)，沒有MCon的階躍電流。刻度：X軸：1μs/div，y軸：5 v/div（綠色），200 mV/div（黃色）。3.1傳感器在相同的操作條件下使用上述MCON的六種不同配置進(jìn)行評(píng)估。在圖8中示出了配備有不同材料和厚度的MCONs的AMR傳感器的響應(yīng)。顯然，配備MCON的傳感器無論使用的MCON的類型如何，都表現(xiàn)出更好的響應(yīng)。在所有情況下，穩(wěn)態(tài)都比沒有MCon的情況快得多。這是因?yàn)?，通過使用導(dǎo)電材料如Cu和Al，實(shí)現(xiàn)了MCON，使感測(cè)元件區(qū)域中的磁場(chǎng)歸一化。在圖8中給出的結(jié)果表明，當(dāng)配備1, 5和10密耳Cu MCONs時(shí)，AMR傳感器響應(yīng)分別達(dá)到1.16、0.83和0.86μs的3.08 V的穩(wěn)態(tài)。同樣，對(duì)于Al MCONs，分別在0.91、0.87和0.86 s時(shí)達(dá)到3.08 V的穩(wěn)定狀態(tài)，McON厚度分別為5, 10和22密耳。
為了更好地理解在配備MCON時(shí)傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)的改善，確定上升時(shí)間至穩(wěn)態(tài)值的80%。對(duì)于沒有MCon的情況，確定穩(wěn)定狀態(tài)的上升時(shí)間為80%μs，而對(duì)于具有1, 5和10密耳厚度的銅MCON，上升時(shí)間為穩(wěn)態(tài)的80%，分別為0.46、0.44和0.44μs。同樣，對(duì)于5、10和22密耳的Al MCONs，穩(wěn)態(tài)值的上升時(shí)間分別為0.46、0.45和0.45μs。從階躍電流測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果示出，5 MIL銅顯示出相對(duì)于10 A階電流的AMR傳感器響應(yīng)的最顯著的改善。從實(shí)驗(yàn)中捕獲的數(shù)據(jù)輸出到MATLAB進(jìn)行進(jìn)一步的比較和分析。圖9示出了沒有任何MCON實(shí)現(xiàn)的AMR傳感器響應(yīng)的時(shí)間DO主要結(jié)果，以及配備5 MIL Cu MCon時(shí)的時(shí)間DO主要結(jié)果。
C 討論
從圖中可以清楚地看出，當(dāng)與5 MIL Cu MCon一起使用時(shí)，相對(duì)于20 A階電流的傳感器響應(yīng)得到顯著改善。為了驗(yàn)證MCON對(duì)AMR傳感器響應(yīng)的影響的一致性，重新設(shè)計(jì)階躍電流產(chǎn)生器以產(chǎn)生20 A階電流和傳感器響應(yīng)。在不使用任何MCON的情況下觀察，然后與先前實(shí)驗(yàn)中使用的六個(gè)不同的MCONs進(jìn)行觀察。圖10示出了沒有使用MCon的傳感器響應(yīng)的示波器捕獲，并且圖11示出了具有20個(gè)階躍電流的六個(gè)不同MCON的AMR傳感器響應(yīng)。綠色波形對(duì)應(yīng)于參考階躍電流，黃波形式對(duì)應(yīng)于傳感器響應(yīng)。20階躍電流的穩(wěn)態(tài)傳感器輸出為3.5 V。當(dāng)不使用MCon時(shí)，傳感器輸出達(dá)到3 V時(shí)的3.5 V穩(wěn)態(tài)。當(dāng)配備有1, 5和10密耳的Cu MCON時(shí)，響應(yīng)變得更快，在2.4、0.8和0.8 s S處達(dá)到穩(wěn)態(tài)。集體地。在Al MCONs的情況下，觀察到類似的趨勢(shì)，達(dá)到3.5 V的穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)于厚度為5, 10、22密耳的MCONs分別為0.9、0.87和0.86μs。
然而，一旦考慮到使用MCONs可能實(shí)現(xiàn)的最大場(chǎng)歸一化，進(jìn)一步增加厚度不會(huì)導(dǎo)致來自傳感器的更好的響應(yīng)。因此，不再需要傳感器達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間。對(duì)于10和20兩個(gè)階躍電流瞬變，從5到10密耳增加Cu McN的厚度導(dǎo)致與AMR傳感器類似的響應(yīng)。Al的厚度從10到22密耳也有類似的趨勢(shì)。對(duì)階梯電流的傳感器響應(yīng)沒有任何改善。
實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)重要的觀察是，5 MIL Cu和10 MIL Al Mcon所實(shí)現(xiàn)的磁場(chǎng)歸一化幾乎是相似的，盡管5 MIL Cu McN產(chǎn)生的響應(yīng)比Al稍厚。這一結(jié)果使我們得出結(jié)論，作為一種導(dǎo)電材料，作為磁場(chǎng)的MCON，也不使磁場(chǎng)化，與Al相比，Cu在尺寸方面提供更輕和更薄的溶液。
為了觀察MCR性能對(duì)AMR傳感器瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間的一致性，分別用具有2, 5, 10、15和20 A大小的階躍電流對(duì)傳感器性能進(jìn)行評(píng)估。在每種情況下，AMR傳感器響應(yīng)分析沒有MCon和配備5 MIL-Cu MCon。圖13給出了從2到20 A的電流的實(shí)驗(yàn)中的穩(wěn)態(tài)傳感器輸出。從圖中可以看出，傳感器輸出在20 A時(shí)的線性誤差為16.67%。重要的是要注意，這種線性誤差是傳感器特性和N固有的。OT受MCONS實(shí)施的響。MCONs的影響主要是在SENSOR輸出的瞬態(tài)性能和穩(wěn)定狀態(tài)不受影響。圖14示出了傳感器輸出上升時(shí)間隨不同電流幅值達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的變化?？梢杂^察到，使用MCONs顯著地改善了響應(yīng)時(shí)間。在沒有MCon和傳感器輸出的MCON的情況下，隨著電流大小的變化，穩(wěn)定時(shí)間的上升時(shí)間是相當(dāng)恒定的。這驗(yàn)證了通過改善MCONs來改善AMR傳感器的瞬態(tài)性能所實(shí)現(xiàn)的性能與不同的電流一致。
為了進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用Matlab對(duì)來自圖12所示的20步進(jìn)電流測(cè)試的捕獲數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率分析。圖15示出了圖12所示的傳感器的時(shí)域響應(yīng)的頻率分析。從圖15所示的結(jié)果可以看出，與沒有MCon的情況相比，MCON情況下的傳感器響應(yīng)的帶寬得到了改善。詳細(xì)分析表明，不使用任何MCON的AMR傳感器的感測(cè)帶寬（3分貝響應(yīng)）為1.21 MHz。如圖15所示，5 MIL-Cu Mcon轉(zhuǎn)換為AMR傳感器的最佳響應(yīng)，并且感測(cè)帶寬從1.21提高到1.61 MHz，這意味著整體感測(cè)帶寬的33.06%改善。增加Cu McON的厚度沒有提供進(jìn)一步的改善，帶寬被限制在1.55 MHz。在表II中給出了通過重新分析SPECT到20階電流響應(yīng)的頻率分析的結(jié)果，示出了隨著不同導(dǎo)電MCON的實(shí)現(xiàn)而改善帶寬。
4 結(jié)論
在本論文，提出了一種利用導(dǎo)電材料的平面磁敏器件（MCON）的MR傳感器增強(qiáng)非接觸式電流檢測(cè)技術(shù)。
我們研究和分析了不同的MCONs對(duì)無接觸電流監(jiān)測(cè)AMR電流傳感器性能的影響。進(jìn)行了詳細(xì)的模擬研究，以清楚地了解磁場(chǎng)分布的高頻電流。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并進(jìn)行了詳細(xì)的分析。設(shè)計(jì)了一種快速上