基于拓撲優化的硬幣打包機結構輕量化設計

曹雪坤,劉子源,孫建瓴,何京京,董萬鵬

（201600 上海市 上海工程技術大學 材料工程學院）

0 引言

硬幣是日常生活中必不可少的交換媒介，但不易攜帶也難以整理和清點，如何快捷而高效地對硬幣進行包裝，是當前必須解決的問題[1-4]。隨著無人售票、自動售貨機等的推廣，銀行、超市、公交公司每天都要面對硬幣分揀、計數、包裝的問題[5-8]。目前，國內市場上最常用的硬幣包裝機為銀信yb-1半自動硬幣包裝機，但是成本較高，不適合推廣。國外硬幣包裝機具備較成熟的技術，為解決硬幣包裝困難提供了完美的選擇[9-15]。

國內外學者和企業對硬幣分揀包裝機構進行了研究，但產品依然存在卡幣、價格昂貴等問題[16-21]。為此，將硬幣分揀和包裝機構分離開來，在硬幣分揀、計數、收集的基礎上進一步包裝，設計了一種硬幣包裝機，不僅價格適中，而且解決了硬幣包裝問題。基于拓撲優化理論，對設計好的硬幣包裝機進行結構優化，達到輕量化和美觀的效果[24-27]。

1 硬幣自動打包機結構設計

設計的硬幣自動打包機主要由上端壓緊機構、支撐包裝機構和動力驅動3 部分組成。工作原理為：將通過分揀、計數、收集好的不同直徑的3 種常用硬幣（1 元直徑25 mm，5 角直徑20.5 mm，1 角直徑19 mm）50 枚，存放在臨時儲幣軌道內，打開開關，手動抬起包裝機上端壓緊裝置，將要包裝的硬幣放入打包機內，電機帶動輥子轉動，電磁推拉器產生聯動，實現硬幣打包。打包好的硬幣由于重力自動掉入儲幣抽屜，達到收集硬幣的目的。圖1所示為打包機三維模型閉合與打開狀態。

圖1 硬幣打包機三維模型Fig.1 3D model of coin packaging machine

2 包裝機組成部分

上端壓緊機構主要由左右2 塊支撐板和上端彎板組成整體框架；臨時儲幣槽可臨時存放分揀、計數、收集好的3 種常用硬幣；支撐包裝機構由內部包裝機構和外部結構構成，內部包裝結構是整個包裝機的核心組成部分，外部結構也為包裝機的下端箱體部分，由下端支撐底板、包裝機后支撐板以及左右2 塊支撐板構成整體框架；動力驅動機構為86BYG250 三相混合式步進電動機，電動機參數如表1 所示。86BYG250 三相混合式步進電機不僅符合設計要求，而且具有高響應速度、高步距角精度、能耗低、低噪音、大面積散熱、不懼高溫環境、自動半流、發熱量少等優點。硬幣打包機各部分結構如圖2—圖4 所示。

表1 86BYG25 電動機參數Tab.1 86BYG250 motor parameters

圖2 壓緊機構Fig.2 Pressing mechanism

圖3 內部包裝機構Fig.3 Internal packaging mechanism

圖4 外部機構Fig.4 External mechanism

考慮到硬幣包裝機的便攜和美觀問題，對上端壓緊機構和下端支撐結構進行拓撲優化，達到減重目的，其中需優化部分的結構如圖5 所示。

圖5 優化部分結構Fig.5 Optimized part structure

3 拓撲優化

3.1 拓撲優化理論基礎

拓撲優化指施加一定載荷和約束條件，保證結構將外載荷傳遞到支撐位置的前提下，在結構一定區域內獲取內部非實體區域位置和數量的最佳搭配形式，同時使結構的某種形態指標達到最優的過程。根據優化對象的不同，結構拓撲優化可分為2 類：一是連續體結構的拓撲優化，主要確定優化對象內部有無孔洞及孔洞大小、形狀等；二是以桁架為代表的離散結構拓撲優化，主要確定優化對象的節點單元的相互連接方式，也包括節點的增刪[22]。連續體拓撲優化相對較為成熟，其常用的方法有均勻化法、漸進結構優化法和變密度法等。借助ANSYS Workbench 中的Shape optimization（拓撲優化或形狀優化）模塊，可以實現對結構的快速拓撲優化。Workbench 使用的分析數學模型就是變密度法[23]。

拓撲優化前對硬幣打包機進行有限元靜力學分析，分別對打包機上端和下端施加5 000 N軸向載荷，拓撲優化前硬幣打包機總變形如圖6 所示。經過運算后得到如圖7 所示的優化結構圖。可以發現受力點在圖形兩邊，中間多余部分已經被挖掉。從圖7可見，拓撲優化的結果基本合理。

圖6 硬幣打包機總變形圖Fig.6 General deformation diagram of coin packer

圖7 拓撲優化后結構圖Fig.7 Structure diagram after topology optimization

圖8 為優化后的總應力變形圖，總質量變為優化前的50%，且優化效果顯著，拓撲優化結果較明顯。

圖8 拓撲優化后應力變形圖Fig.8 Stress deformation diagram after topology optimization

3.2 優化后的硬幣打包機外形設計

包裝機外形主要設計為上下2 個部分，結構簡單，整體近似三角形，穩定性強。上端壓緊裝置采用拱形設計可以為硬幣提供臨時儲幣軌道；前后擋板及上下平板采用玻璃材質，包裝機整體的設計美和工作原理更加直觀，用戶體驗感增強。表2 為常見包裝機外形設計比較。

表2 包裝機外形設計比較Tab.2 Comparison of packaging machine shape design

經過全面對比、權衡利弊，再結合拓撲優化結果，對硬幣打包機外形重新進行結構設計，最終的外形圖如圖9 所示。

圖9 結構設計圖Fig.9 Structural design drawing

4 結語

通過三維軟件建立硬幣打包機的實體模型，采用ANSYS Workbench 有限元軟件對硬幣打包機在一般工況和預應力狀態下進行模態分析。通過仿真計算和分析，了解硬幣打包機的薄弱環節，為后續的研究和改進提供較好的理論依據。對硬幣打包機的拓撲優化能夠在設計初期避免浪費材料，并且優化后結構的模態均有所提高，特別是滿足靜力學強度和變形的條件下，打包機總質量比原來減少了50%，能夠給企業帶來更好的經濟效益。