基于拓扑优化的硬币打包机结构轻量化设计

曹雪坤,刘子源,孙建瓴,何京京,董万鹏

（201600 上海市 上海工程技术大学 材料工程学院）

0 引言

硬币是日常生活中必不可少的交换媒介，但不易携带也难以整理和清点，如何快捷而高效地对硬币进行包装，是当前必须解决的问题[1-4]。随着无人售票、自动售货机等的推广，银行、超市、公交公司每天都要面对硬币分拣、计数、包装的问题[5-8]。目前，国内市场上最常用的硬币包装机为银信yb-1半自动硬币包装机，但是成本较高，不适合推广。国外硬币包装机具备较成熟的技术，为解决硬币包装困难提供了完美的选择[9-15]。

国内外学者和企业对硬币分拣包装机构进行了研究，但产品依然存在卡币、价格昂贵等问题[16-21]。为此，将硬币分拣和包装机构分离开来，在硬币分拣、计数、收集的基础上进一步包装，设计了一种硬币包装机，不仅价格适中，而且解决了硬币包装问题。基于拓扑优化理论，对设计好的硬币包装机进行结构优化，达到轻量化和美观的效果[24-27]。

1 硬币自动打包机结构设计

设计的硬币自动打包机主要由上端压紧机构、支撑包装机构和动力驱动3 部分组成。工作原理为：将通过分拣、计数、收集好的不同直径的3 种常用硬币（1 元直径25 mm，5 角直径20.5 mm，1 角直径19 mm）50 枚，存放在临时储币轨道内，打开开关，手动抬起包装机上端压紧装置，将要包装的硬币放入打包机内，电机带动辊子转动，电磁推拉器产生联动，实现硬币打包。打包好的硬币由于重力自动掉入储币抽屉，达到收集硬币的目的。图1所示为打包机三维模型闭合与打开状态。

图1 硬币打包机三维模型Fig.1 3D model of coin packaging machine

2 包装机组成部分

上端压紧机构主要由左右2 块支撑板和上端弯板组成整体框架；临时储币槽可临时存放分拣、计数、收集好的3 种常用硬币；支撑包装机构由内部包装机构和外部结构构成，内部包装结构是整个包装机的核心组成部分，外部结构也为包装机的下端箱体部分，由下端支撑底板、包装机后支撑板以及左右2 块支撑板构成整体框架；动力驱动机构为86BYG250 三相混合式步进电动机，电动机参数如表1 所示。86BYG250 三相混合式步进电机不仅符合设计要求，而且具有高响应速度、高步距角精度、能耗低、低噪音、大面积散热、不惧高温环境、自动半流、发热量少等优点。硬币打包机各部分结构如图2—图4 所示。

表1 86BYG25 电动机参数Tab.1 86BYG250 motor parameters

图2 压紧机构Fig.2 Pressing mechanism

图3 内部包装机构Fig.3 Internal packaging mechanism

图4 外部机构Fig.4 External mechanism

考虑到硬币包装机的便携和美观问题，对上端压紧机构和下端支撑结构进行拓扑优化，达到减重目的，其中需优化部分的结构如图5 所示。

图5 优化部分结构Fig.5 Optimized part structure

3 拓扑优化

3.1 拓扑优化理论基础

拓扑优化指施加一定载荷和约束条件，保证结构将外载荷传递到支撑位置的前提下，在结构一定区域内获取内部非实体区域位置和数量的最佳搭配形式，同时使结构的某种形态指标达到最优的过程。根据优化对象的不同，结构拓扑优化可分为2 类：一是连续体结构的拓扑优化，主要确定优化对象内部有无孔洞及孔洞大小、形状等；二是以桁架为代表的离散结构拓扑优化，主要确定优化对象的节点单元的相互连接方式，也包括节点的增删[22]。连续体拓扑优化相对较为成熟，其常用的方法有均匀化法、渐进结构优化法和变密度法等。借助ANSYS Workbench 中的Shape optimization（拓扑优化或形状优化）模块，可以实现对结构的快速拓扑优化。Workbench 使用的分析数学模型就是变密度法[23]。

拓扑优化前对硬币打包机进行有限元静力学分析，分别对打包机上端和下端施加5 000 N轴向载荷，拓扑优化前硬币打包机总变形如图6 所示。经过运算后得到如图7 所示的优化结构图。可以发现受力点在图形两边，中间多余部分已经被挖掉。从图7可见，拓扑优化的结果基本合理。

图6 硬币打包机总变形图Fig.6 General deformation diagram of coin packer

图7 拓扑优化后结构图Fig.7 Structure diagram after topology optimization

图8 为优化后的总应力变形图，总质量变为优化前的50%，且优化效果显著，拓扑优化结果较明显。

图8 拓扑优化后应力变形图Fig.8 Stress deformation diagram after topology optimization

3.2 优化后的硬币打包机外形设计

包装机外形主要设计为上下2 个部分，结构简单，整体近似三角形，稳定性强。上端压紧装置采用拱形设计可以为硬币提供临时储币轨道；前后挡板及上下平板采用玻璃材质，包装机整体的设计美和工作原理更加直观，用户体验感增强。表2 为常见包装机外形设计比较。

表2 包装机外形设计比较Tab.2 Comparison of packaging machine shape design

经过全面对比、权衡利弊，再结合拓扑优化结果，对硬币打包机外形重新进行结构设计，最终的外形图如图9 所示。

图9 结构设计图Fig.9 Structural design drawing

4 结语

通过三维软件建立硬币打包机的实体模型，采用ANSYS Workbench 有限元软件对硬币打包机在一般工况和预应力状态下进行模态分析。通过仿真计算和分析，了解硬币打包机的薄弱环节，为后续的研究和改进提供较好的理论依据。对硬币打包机的拓扑优化能够在设计初期避免浪费材料，并且优化后结构的模态均有所提高，特别是满足静力学强度和变形的条件下，打包机总质量比原来减少了50%，能够给企业带来更好的经济效益。