自动售货机说明书

多功能自动售货机

设

计

说

明

书

学校院系：晋中学院机械系

团队：奋进队

指导教师：曲晓华

学生成员：贺日升，梁红，柴森宏，李鹏

参赛方向：工业与工程设计大赛

竞赛项目：工业设计

设计时间：2013.6.20

目录

一、引言- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （1）

二、商品送出机构- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -（1）

三、送出机构优化- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -（3）

四、设计实例- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （6）

五、结语- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -（7）

六、参考文献- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （7）

多功能自动售货机说明书

一、引言

自动售货机无需人看守、自动地提供商品销售服务。它作为一种便利、快捷、新型的销售模式，已经得到了人们广泛的重视和青睐,并越来越多地被应用在许多城市中。为推动经济和社会发展起到了显著的作用。自动售货机是集机、电、光于一体的商业自动化设备。根据所售商品的形状不同可分为盒式自动售货机和罐式自动售货机，而商品的送出机构是决定商品是否销售成功的最终关键。因此。本文对已有的一些送货机构进行了简要的分析，并以执行更可靠、造价成本更低、充分利用空间、设计更为合理为原则，针对商品的送出机构进行了研究和改进。

二、商品送出机构

目前，应用于自动售货机上的商品送出机构种类较多，下面是我们设计的一些较典型的送出机构：

1热牛奶槽轮输送机构：

此送出机构把罐体商品放在螺旋导轨上。并在货道底部开设出口槽。由电机带动螺旋导轨转动。当罐体转到开口槽时便出槽下货。这种送出机构要求电机的转矩较大，造价成本较高。设计的罐体送出机构主要有槽轮、推拉杆、推拉销、直线步进电机和前后两边侧板构成。其中槽轮上槽弧的半径为罐体的半径。货道宽度为罐体的直径。如下送出机构示意图1所示

图1送出机构

2．冷饮叶轮输送机构：

推拉电磁铁推动插销，叶轮被卡住的地方放开了，在瓶子的自重作用下，叶轮旋转1/4圈，最下面的瓶子滚下来，同时在叶轮的作用下又有一个瓶子在自重的作用下滚到准备处时，推拉电磁铁插上插销，卡住叶轮，使之停止转动，回到下一次工作时的状态。

1

图2连杆机构

3．香烟摇杆推送机构：

商品的包装都是箱盒罐等,按其形状可分为圆柱体、六方体形、薄片形等。商品在送出时可以“垂直移动”、“水平移动”、“旋转移动”、“螺旋移动”等动作移到取货口。在对香烟类商品自动售货机送出机构设计时，可将方盒形状的商品垂直放置在储货箱中，选择一曲柄滑块式的机构通过滑块的水平移动推出商品，如图3所示。

图3送出机构示意图

1货道；2罐体商品；3槽轮；4．槽轮阻货工作面：5槽轮承货工作面；6．直线步进电机；7推拉杆；8．与槽轮为一体的安装轴；9推拉销；10槽轮上的推拉槽。

送出机构的整个工作过程：如图3所示，自动售货机正处在待售状态下，槽轮的槽开口朝下，利用阻货面来支撑和阻挡上面的罐体，起到阻止罐体下落的作用。当售货机接受到售货信号时，直线步进电机运行并作用于推拉杆，推拉杆同

2

时推动槽轮上下摆动一次。在槽轮摆动的前半周。槽从开口向下转到开口向上,并有一个罐体装入到槽中；在槽轮摆动的后半周。槽的开口向上转到向下。并带动一个罐体向出货侧摆动，同时槽轮的阻货面挡住后面的罐体。电机停止工作，这样就完成的一个罐体的售出。

三、送出机构的优化

（1）热牛奶槽轮输送机构

下面对货道上倒数第一个(也就是最靠近槽轮的)罐体进行分析。如图4和5所示：

图4槽轮与罐体的接触示意图图5 倒数第一个罐体的受力图图2中，B为槽轮转动中心与倒数第一个罐体圆心的连线与水平方向的夹角；图5中。F’为槽轮对罐体的作用反力；f P是槽轮阻罐面与罐体间的静摩擦力；N r 为罐体受到货道的作用反力；f N是罐体与货道侧板间的静摩

擦力；N 为上面罐体向下的压力；G为重力：

建立方程组

∑X1=F’Cosβ =N+f p Sinβ

∑Y1=F’Sinβ+f P Cosβ+f N=Nr+G

f p=F’·μ1

f N=N·μ2

计算得

F’=(N r+G)∕[Sinβ.(1-μ1.μ2)+Cosβ.(μ1+μ2)] (1)

1.设计变量。设罐体对槽轮的压力为式（1）。因此，罐体对槽轮产生的力矩为：M =F·μ1·R

=F’·μ1·R

=(N r+G)∕[Sinβ.(1-μ1.μ2)+Cosβ.(μ1+μ2)] .μ1.R (2)

3

上面表达式中，其中μ1为槽轮与罐体间的静摩擦系数,μ2为罐体与货道

侧板间的

摩擦系数，r 为罐体的半径，R 为槽轮的半径，l 为槽轮转动中心离货道左侧板 内壁的距离。由上述分析可知，式(2)为B 的表达式，式(3)、(4)为l 与R 的表达式。因此。主要设计变量为x=(1.R)T 。

2．约束条件。根据所设计自动售货机的实际情况，考虑槽轮的安装情况和空间占用问题，给槽轮转动中心离货道左侧板内壁的距离l 设定最小值k 。同样给槽轮半径设定一个最大值R ；月牙槽的则罐体会被月牙槽的两个槽角卡住而不能装入槽内。这样导致罐体不能跟着槽轮将一起滑出货道。根据图中几何关系，可得：

R=

22r *2r *l *2l ++

代入R 可得到l 的最大值l 。因此。约束条件为l 0≤l ≤l 1, l 0≤R ≤R 1,

2. 目标函数。送出机构要可靠地送出罐体。就必须克服力矩M 。因此，本文对送出机构进行优化。在能可靠地送出罐体的基础上，使罐体对槽轮产生的力矩M 最小，电机需要克服的力矩也就最小。这样，有利于降低造价成本、小型化送出机构、减少空间浪费。综合式(2)、(3)、(4)可得目标函数

minf(x)=M·(N f +G)·u 1·R(R+r)∕[2

2r)(l -r)(R ++·(1-μ1·μ2)+（l+r ）·(μ1+μ2)]

4 数学模型。minf(x)=M·(N f +G)·u 1·R(R+r)∕[

2

2r)(l -r)(R ++·(1-μ1·μ2)+

（l+r ）·(μ1+μ2)]

设计变量

X = X 1 l X 2 R

约束条件 g 1(x)=l 0-l g 2(x)=l-l 1 g 3(x)=l 1-R g 4(x)=R-R 1

5.计算结果。本文根据实际情况。考虑到货道宽度和槽轮的安装空间。设定lo=10mm 和Rl=96mm ，得到约束条件为10≤l ≤57,10≤R ≤96；(N r +G)为常数。可设为1；其他参数为： u1=u2=0 .3；r=33mm ；G=3.85N 。利用MATLAB 的优化工具箱的fmincon 函数[3]。编写优化计算程序。最后得l=10mm ，R=45mm 。 （2）香烟摇杆推送机构

连杆的推力过大易损物品，过小物品不能被送出，这是由于机构运动特性(滑块的V 、a 等)所决定的。这样，为了使物品能够快速准确地被送出，把物品摆放在滑块速度达到最大时的位置。提出了一种以机构的最大速度为目标函数，对机 构进行优化设计的方法。

4 1 设计变量

平面连杆机构的设计决定于四个构件的长度，铰链的位置坐标，机架的位置角，主动件

转角等参数。在曲柄滑块机构中设计参数主要有曲柄滑块长度l1连杆长度l2，滑

块的运动行程H，曲柄转角Φ

1，连杆转角中Φ2，曲柄角速度ω

1

连杆角速度ω2

等。如图5。

从平面曲柄滑块机构的运动过程可知，当曲柄位于离滑块导路最远的垂直位置时，它的压力角最大αmax。为保证机构的传动质量则αmax ≤[α]( [α]为已知)

连杆2 的角速度

由文献（1）知

滑块的速度

如图3根据能量守恒定律，在任一点处有：

（4）代入可得：

其中，m1为滑块质量，m2为物品质量，N f为物品与滑块运动过程中所受的摩擦

5 力，W

损

是物品由于变形所损耗的能量，λ为调整系数，由（1）、（2）、（3）知l2、Φ1、Φ2均是l1、ω1的表达式。

所以主要设计变量X=(l

1,x,ω

1

)r

2设计约束条件

对心曲柄滑块机构中滑块的速度最大发生在曲柄角位移Φ1 略大于9 0略小于270。的位置，所以根据几何关系可得：√l22-l12

则约束条件：√l22-l12-x<0

ω1>0

3 目标函数

5

4 数学函数

目标函数

设计变量

约束条件：g1(x)=x-l1-l2<0

g2(x)= √l22-l12-x<0

g3(x)=ω2>0

设变量初始值x0,调有MATLAB优化工具箱中minimax(‘f g’,x)函数，可求出（v2max）mm及l1、ω1、x各参数值，则机构可求出。

四、设计实例

在设计香烟类商品自动售货机送出机构过程中，已知平面曲柄滑块质量m1=0.1kg,香烟质量m2=0.0235kg,取许用压力角[α]=48.5。

d 值。

此处忽略W

损

6

五、结语

使槽轮克服最小的转矩来送出罐体。有利于延长送出机构的使用寿命和提高工作效率。选用较小转矩的电机就能完成送货任务。不仅有利于降低成本。还能减少空间的浪费，使其具有较好的使用价值。该送出机构具有构造简单、工作可靠、造价低的特点。送出机构主要靠槽轮来完成阻货、盛货和送货．在送出一个罐体的同时能够阻挡后面罐体的下落。通过前后侧板上的导向槽能够确定推拉销的运动轨迹和有效地限制槽轮摆动的角度范围，防止槽轮在惯性作用下发生摆过现象。送出机构所需的零部件甚少。可以把送出机构做成一个与货道分开的独立机构，把它安装在货道上进行应用，这样非常有利于拆卸与维修。

曲柄摇杆机构可以准确快速的推送香烟，达到自动售货的目的。

设计不完善，有没考虑的地方望各位老师批评指正。

六、参考文献

(1)和田忠太(日本)机构设计的构思【M】北京：机械工业出版社1984

(2)苏靖民机械优化设计[MI北京：机械工业出版社2005

(3)苏金明，张莲花，刘渡MATLAB工具箱应用【M】北京：电子工业出版社

2004

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