點鈔機進(jìn)鈔機構(gòu)動態(tài)分析和仿真研究

劉明等

摘 要： 點鈔機的卡鈔現(xiàn)象是影響點鈔速度的主要因素，這種類似現(xiàn)象也存在于傳真機、自動取款機、沖印機等介質(zhì)傳送系統(tǒng)中。為解決該問題，以HT?9000A型點鈔機的紙幣進(jìn)給機構(gòu)為研究對象，仿真分析點鈔機紙幣在進(jìn)鈔機構(gòu)中的動態(tài)行為，利用多體系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件RecurDyn，根據(jù)建立的點鈔機紙幣傳送機構(gòu)的幾何模型，分析在此過程中紙幣與捻鈔輪之間的接觸力，對不同進(jìn)鈔角度的紙幣運動速度以及運動軌跡進(jìn)行運動仿真。結(jié)果表明選擇11.5°～12.5°范圍內(nèi)的進(jìn)鈔角度能使紙幣按照理想軌跡運動，同時能使紙幣的進(jìn)鈔速度穩(wěn)定，從而降低了卡鈔現(xiàn)象發(fā)生的概率。

關(guān)鍵詞： 點鈔機； 進(jìn)鈔機構(gòu)； 運動仿真； RecurDyn

中圖分類號： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）08?0124?04

Dynamic analysis and simulation research on speed and stability of banknote feeding mechanism in cash?counting machine

LIU Ming， ZHAO Zuo?xi， SUN Dao?zong， LIU Xiong， SHI Lei， JIN Jun?dong

（1. South China Agricultural University， Guangzhou 510642， China； 2. Guangzhou Kangyi Electronics Co.， Ltd.， Guangzhou 510235， China）

Abstract： The blocking phenomenon of cash?counting machine is the main factor to affect the counting speed. The similar phenomenon also exists in the automatic teller machine， fax machine， printing machine and other media delivery systems. In order to solve this problem， taking the paper money feeding mechanism of HT?9000A type currency?counting machine as the research object， the dynamic behavior of the paper money feeding mechanism is simulated and analyzed. By using multi?body system dynamics simulation software RecurDyn， based on the geometric model of currency?counting machines transmission mechanism， the contact force between paper money and money entwisting wheel is analyzed. The results show that the money feeding angle range of 11.5°～12.5° can make the notes move in the ideal trajectory， make the machine keep stable note feeding speed， and make the occurrence probability of the blocking phenomenon reduced.

Keywords： cash?counting machine； banknote feeding mechanism； motion simulation； RecurDyn

0 引 言

隨著社會、經(jīng)濟的快速發(fā)展，紙幣大量流通，假幣泛濫給國家經(jīng)濟社會帶來了很大的危害[1?3]，市場需求能更大量的點鈔和更準(zhǔn)確的驗鈔的點鈔機出現(xiàn)[4?8]。進(jìn)鈔機構(gòu)是影響點鈔機走鈔平順性及鑒偽能力關(guān)鍵部件之一。因此，有必要對點鈔機走鈔機構(gòu)進(jìn)行研究分析，目前，通過制造樣機進(jìn)行試驗的方式設(shè)計周期長、成本高[8]。通過軟件建立虛擬樣機的設(shè)計方法可以縮短設(shè)計周期、降低成本[9?10]。本文以廣州康藝HT?9000A型點鈔機的進(jìn)鈔機構(gòu)進(jìn)行點鈔機進(jìn)鈔機構(gòu)動態(tài)分析和仿真研究。得到在不同的進(jìn)鈔角度下，紙幣在傳送過程中的速度變化及紙幣前端的運動軌跡。通過對仿真結(jié)果進(jìn)行分析得到最合適的進(jìn)鈔角度范圍，供設(shè)計參考。

1 進(jìn)鈔機構(gòu)進(jìn)鈔介紹

目前，我國市面上生產(chǎn)的點鈔機的進(jìn)鈔機構(gòu)大多采用上分鈔式進(jìn)鈔機構(gòu)[11]，故本文以康藝JBYD?HT?9000系列點鈔機為研究對象，其具體的機械結(jié)構(gòu)及裝配框架如圖1（a）所示。點鈔機走鈔機構(gòu)具體的機構(gòu)主要包括入鈔部分，走鈔部分和接鈔部分。入鈔部分主要由滑鈔板、送鈔舌、阻力橡皮、落鈔板、調(diào)節(jié)螺絲、捻鈔膠圈等組成。走鈔部分主要由出鈔膠輪、出鈔對轉(zhuǎn)輪組成。接鈔部分主要由接鈔爪輪、托鈔板、擋鈔板等組成。這種點鈔機的走鈔軌跡具體如圖1（b）所示。

本文實驗平臺、仿真及研究是針對進(jìn)鈔臺走鈔滾輪，利用Pro/E對其進(jìn)行三維制圖，具體如圖2所示。圖中黑色部分為進(jìn)鈔橡膠捻輪，圖右下角齒輪為傳動齒輪。

以進(jìn)鈔臺后可調(diào)螺絲與進(jìn)鈔臺平面間的直線為基準(zhǔn)，其與進(jìn)鈔臺平面之間的夾角即為進(jìn)鈔角度，如圖2所示，紙幣前端的理想運動軌跡應(yīng)為：紙幣前端沿著進(jìn)鈔臺滑鈔板進(jìn)入走鈔通道，沿著進(jìn)鈔臺底座上平面邊界點與第一對送鈔滾輪組接觸點連線方向進(jìn)入第一對送鈔滾輪組，后經(jīng)高速傳送經(jīng)過第二對送鈔滾輪組。最后經(jīng)過接鈔葉輪到擋超板，紙幣前端如果偏離了理想運動軌跡就容易與送鈔滾輪組發(fā)生碰撞，造成紙幣前端與后端速度不一致，紙幣發(fā)生折彎導(dǎo)致卡鈔現(xiàn)象。故點鈔機紙幣傳送機構(gòu)的設(shè)計顯得尤為重要。而紙幣傳送機構(gòu)中進(jìn)鈔機構(gòu)的進(jìn)鈔角度的選擇對紙幣的運動軌跡有很大的影響。

2 重要參數(shù)的試驗測算

為了能夠精準(zhǔn)地仿真分析，主要對送紙機構(gòu)各部件（紙張、捻鈔輪、管輪組）進(jìn)行物性分析以及對各部件參數(shù)進(jìn)行實驗測量。

2.1 紙幣撓性分析

紙張在機械負(fù)荷作用下具有一般力學(xué)拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲、彈性等性質(zhì)。有必要首先研究紙張撓曲特性。得出紙幣撓性參數(shù)。以供仿真的精確。對于紙張的撓性分析分別從搭建實物實驗和放到RecurDyn仿真軟件里兩個方面進(jìn)行分析，具體如圖3所示。圖中在一水平桌面上將新版100元紙幣置于紙盒上方1 mm處釋放，形成自由落體和彎曲后，測量紙張邊緣距離桌面的高度以及紙張邊緣距離紙盒中心的橫向距離分別是41 mm和82 mm。在RecurDyn軟件的機構(gòu)分析仿真中，試驗中假設(shè)紙張在剛體下可變形，紙張的尺寸為新版100元人民幣，長為165 mm，寬為77 mm，厚為0.1 mm。在仿真軟件中設(shè)定鈔票用紙的物性參數(shù)，大小支撐物上方1 mm 處的模型，得到自由落下后，鈔票所產(chǎn)生的撓曲圖形，仿真結(jié)果是測量紙張邊緣距離桌面的高度以及紙張邊緣距離紙盒中心的橫向距離分別是40.52 mm和82.31 mm。

通過對比仿真與實驗結(jié)果表明，改紙幣的模型的建立是合理的。

2.2 捻鈔輪轉(zhuǎn)動慣量的計算與實驗驗證

為準(zhǔn)確地仿真，本文利用三維制圖軟件SolidWorks對捻鈔輪各部件進(jìn)行實體建模測算出轉(zhuǎn)動慣量，按照其實際位置關(guān)系進(jìn)行裝配，并通過扭擺法實驗測量捻鈔輪的轉(zhuǎn)動慣量以此來驗證軟件計算的正確性。

2.2.1 用SolidWorks計算捻鈔輪的轉(zhuǎn)動慣量

轉(zhuǎn)動慣量又稱慣性力矩，是剛體轉(zhuǎn)動時慣性的量度，其量值取決于物體的形狀、質(zhì)量分布及轉(zhuǎn)軸的位置。質(zhì)量分布均勻、外形簡單的零件可以用公式計算出其轉(zhuǎn)動慣量，而外形尺寸比較復(fù)雜、形狀不規(guī)則、由多個零部件組成的旋轉(zhuǎn)體，如本文中的捻鈔輪，無法通過計算公式來算其轉(zhuǎn)動慣量，就可以用SolidWorks來對其三維建模，并設(shè)定其每個零部件的質(zhì)量參數(shù)從而計算捻鈔輪的轉(zhuǎn)動慣量。

在SolidWorks中建模完成后，打開SolidWorks選擇工具欄中的“質(zhì)量特性”命令，應(yīng)逐一設(shè)定零件的密度、質(zhì)量、體積、表面積、重心及轉(zhuǎn)動力矩等數(shù)據(jù)信息。結(jié)果顯示三維建模后捻鈔輪轉(zhuǎn)動慣量為48.857 kg·mm2，如圖4所示。

2.2.2 扭擺法驗證捻鈔輪的轉(zhuǎn)動慣量

根據(jù)虎克定律，可知若要測量任何一種物體的轉(zhuǎn)動慣量，測出擺動周期T，就可算出其轉(zhuǎn)動慣量I，因此本文采用扭擺法來測得捻鈔輪的擺動周期，進(jìn)而測算出其轉(zhuǎn)動慣量。實驗如圖5所示，將物體在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)過一角度后，在彈簧的恢復(fù)力矩作用下，物體就開始繞垂直軸作往返扭轉(zhuǎn)運動。

本實驗通過帶有光電門的轉(zhuǎn)動慣量測試儀來記錄扭擺彈簧做簡諧運動的周期，多次實驗求平均值，每次實驗記錄5組數(shù)據(jù)，最后取平均數(shù)算得簡諧運動周期。在金屬載物盤上放置所研究的捻鈔輪，測量扭擺彈簧做簡諧運動的周期，所得實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)原理公式計算出捻鈔輪的轉(zhuǎn)動慣量： [I=KT24π2-I0]=47.4 kg·mm2。

通過對比發(fā)現(xiàn)通過軟件計算所得出的捻鈔輪轉(zhuǎn)動慣量值與實驗所得相差3%，所以本文得到的轉(zhuǎn)動慣量真實可靠，可以為接下來的軟件仿真提供數(shù)據(jù)支持。

2.3 滾輪間壓力測定

如圖6所示，將壓力傳感器置于送鈔滾輪組之間，用兩條信號線分別連接壓力傳感器的兩個引腳，把萬用表調(diào)節(jié)到電阻測量檔位，兩根表筆分別與兩根信號線相連，讀取并保存萬用表數(shù)據(jù)，根據(jù)萬用表讀取的數(shù)據(jù)查壓力電阻變化曲線得到對應(yīng)的壓力值。

3 仿真建模與分析

根據(jù)第2節(jié)中建立的點鈔機紙幣傳送機構(gòu)簡化模型，在仿真軟件中建立點鈔機紙幣傳送機構(gòu)三維模型。之后依次建立紙幣模型、驅(qū)動輪模型從動輪模型、進(jìn)鈔臺模型及添加運動、添加部件之間的約束副。在建立模型時分別對各部分的物性參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)之前實驗測定的紙幣撓性、捻鈔輪轉(zhuǎn)動慣量、滾輪軸間壓力及存在可查的物性參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，最后進(jìn)行運動、運動副的設(shè)定。這樣整個仿真分析模型就可以得到正確建立，如圖7所示。

點鈔機作為一種紙幣鑒偽、清點裝置，其鑒偽的準(zhǔn)確率及清點速度的快慢是評價其性能優(yōu)劣的兩個重要指標(biāo)。紙幣在走鈔通道運動過程中應(yīng)盡量靠近磁頭通過。否則，紙幣在運動過程中如果與其發(fā)生碰撞則容易發(fā)生卡鈔現(xiàn)象，影響清點速度。而進(jìn)鈔角度正是影響過鈔是否平順和卡鈔的重要因素，因此，本文基于康藝JBYD?HT?9000型點鈔機利用仿真軟件分析進(jìn)鈔角度對于紙幣運動軌跡的影響，紙幣理想的運動軌跡為：紙幣沿著進(jìn)鈔臺導(dǎo)軌進(jìn)入走鈔通道，沿送鈔滾輪組接觸點方向進(jìn)入送鈔滾輪組。如圖8（a）所示，以驅(qū)動輪中心轉(zhuǎn)軸點向右平移14.08 mm，向下平移50 mm為原點建立平面直角坐標(biāo)系，在此坐標(biāo)系中繪制紙幣前端點在走鈔通道中的理想運動曲線如圖8（b）所示。

在仿真軟件中設(shè)定捻鈔輪的角速度為30 rad/s，滾輪對中主動輪的角速度為40 rad/s，滾輪對之間的正壓力設(shè)為15 N。設(shè)定4種不同的進(jìn)鈔角度，10.5°，11.5°，12.5°，13.5°，后進(jìn)行仿真求解，得到紙幣的運動速度如圖9所示。運動軌跡如圖10所示。

4 結(jié) 論

通過以上仿真結(jié)果分析，可以得到如下結(jié)論：

（1） 隨著進(jìn)鈔角度的增大，紙幣前端的運動軌跡與理想運動軌跡更加接近，有利用點鈔機的清點、鑒偽過程。

圖10 紙幣仿真運動軌跡

（2） 隨著進(jìn)鈔角度的增大，紙幣的進(jìn)鈔速度加快，可以加快點鈔速度。同時隨著進(jìn)鈔角度增大，紙幣在進(jìn)鈔階段速度抖動增大，影響進(jìn)鈔的平順性。

（3） 綜合以上兩點考慮，選擇11.5°～12.5°范圍內(nèi)的進(jìn)鈔角度能使紙幣按照理想軌跡運動，同時能使紙幣的進(jìn)鈔速度穩(wěn)定。

注：本文通訊作者為趙祚喜。

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