鄭飛杰 ，李源清 ，熊昌炯 ，周輔坤

（1.三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造技術(shù)福建省高校工程研究中心，福建 三明 365004）

隨著小額紙幣硬幣化進(jìn)程不斷的推進(jìn)，在銀行、公共交通、超市等服務(wù)領(lǐng)域里，每天都會(huì)流通大量的硬幣[1]。那么，如何快速有效地來(lái)對(duì)這些硬幣進(jìn)行分類、整理、計(jì)數(shù)呢？成為這些行業(yè)當(dāng)下較為頭痛的問題。目前，市面上有一些硬幣分類、清點(diǎn)、整理的機(jī)器，它們要么結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉但效率較低、清分功能不理想且穩(wěn)定性差，要么清分迅速準(zhǔn)確但體積較大、價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且維護(hù)不方便，不適合大面積推廣[2]。所以，目前國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀是，硬幣清分裝置僅在一小部分銀行的后臺(tái)出現(xiàn)，且利用率極低，整體普及率和使用率不及國(guó)外的相關(guān)領(lǐng)域。相比之下，在自動(dòng)化水平還達(dá)不到發(fā)展需求的情況下，在大多數(shù)場(chǎng)合里，硬幣清分工作還是依靠傳統(tǒng)的人工處理方式。

1 設(shè)計(jì)分析

現(xiàn)階段，就硬幣清分模式，主要還是根據(jù)不同面值的硬幣的直徑或厚度或材料或質(zhì)量等方面之間存在差異的原理來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)相應(yīng)的清分裝置，實(shí)現(xiàn)有效清分的工作模式。通過對(duì)硬幣清分原理的理解，分析當(dāng)下的清分機(jī)器，主要都是利用離心轉(zhuǎn)盤、震動(dòng)裝置、滑槽漏孔、滑槽漏縫、傳送帶、臥式直線軌道、螺旋立式軌道等機(jī)構(gòu)，將硬幣進(jìn)行清分、整理。而這樣的裝置，不但在設(shè)計(jì)方面，就是在實(shí)際使用過程中還是存在不少的難點(diǎn)：(1)硬幣在裝置輸送過程中容易發(fā)生堆疊和堵塞現(xiàn)象；(2)要保證硬幣在計(jì)數(shù)區(qū)逐個(gè)通過，方便計(jì)數(shù)；(3)要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小且確保分離的準(zhǔn)確性；(4)要規(guī)避大量硬幣對(duì)硬幣清分機(jī)器造成的巨大沖擊力等問題。因此，為了能更好地服務(wù)社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展，滿足銀行、公共交通、超市等服務(wù)領(lǐng)域?qū)χ行⌒陀矌盘幚頇C(jī)器的應(yīng)用需求[3]，提升它們的工作效率和服務(wù)質(zhì)量，極有必要設(shè)計(jì)一款價(jià)格低、清分準(zhǔn)確率高、工作效率高的小型硬幣清分裝置。

2 裝置原理及設(shè)計(jì)

2.1 清分原理

硬幣清分裝置的原理如圖1所示。根據(jù)各類硬幣的直徑大小不同，運(yùn)用多層篩選原理，每層的滑槽中設(shè)置統(tǒng)一孔徑的漏孔，通過滑槽漏孔的方式將不同面額的貨幣逐層篩出。還有本設(shè)計(jì)采用傾斜式滑槽，利用硬幣自身重力順勢(shì)往下滑，而每層滑槽上開有相同孔徑的漏幣孔，由上而下的滑槽孔徑逐層減小，使得不同直徑的硬幣從大到小分別掉落至相應(yīng)的收集裝置，從而快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)硬幣清分。圓孔之所以不使用蜂窩狀錯(cuò)落分布是由于圓孔之間的間隔Δl越小，則會(huì)影響滑道的剛度。

圖1 清分原理示意圖

2.2 計(jì)數(shù)原理

利用開關(guān)式光電傳感器進(jìn)行硬幣的計(jì)數(shù)，這類脈沖式光電開關(guān)要求光電元件靈敏度高，而對(duì)光電特性的線性要求不高，其計(jì)數(shù)原理如圖2所示[4-5]。圖中Vi為24V電源電壓，Vo為輸出電壓，R1和R2為限流電阻，A、B分別是發(fā)光元件和光敏元件。

當(dāng)N個(gè)硬幣陸續(xù)通過圖示位置時(shí)，使光電脈沖電路產(chǎn)生N個(gè)脈沖信號(hào)，使其在其輸出端輸出相對(duì)應(yīng)的電脈沖信號(hào)。然后通過計(jì)數(shù)電路對(duì)輸出信號(hào)的下降沿進(jìn)行檢測(cè)并由LED數(shù)碼顯示管將計(jì)數(shù)結(jié)果顯示出來(lái)。

圖2 計(jì)數(shù)原理圖

2.3 方案設(shè)計(jì)

清分裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括料斗，風(fēng)葉限流器，篩幣滑槽，收集裝置，動(dòng)力裝置等五個(gè)主要部分構(gòu)成。其中篩幣滑槽部分在傳統(tǒng)裝置的基礎(chǔ)上，根據(jù)文獻(xiàn)[6]中建立數(shù)學(xué)模型的方式進(jìn)行計(jì)算及實(shí)驗(yàn)裝置的試驗(yàn)分析，得出一個(gè)全新的最為適合本清分機(jī)器的滑道長(zhǎng)度和傾角（因文獻(xiàn)[6]中已建立了相當(dāng)詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型，這里就不再贅述），即與水平面呈θ=20°的傾斜式滑槽，滑道總長(zhǎng)為543 mm，使得硬幣能充分利用自身的重力順勢(shì)下滑，分揀速度更快，效率更高。

為能更好地解決前面所述的4個(gè)難點(diǎn)問題，在圖3所示清分裝置基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過針對(duì)性設(shè)計(jì)的不同方案分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，不斷優(yōu)化裝置結(jié)構(gòu)。如表1所示，裝置原型的硬幣分揀效果并不是很理想，出錯(cuò)率高達(dá)3.2%。經(jīng)過測(cè)試觀察發(fā)現(xiàn)問題在于其類似旋轉(zhuǎn)門的限流器，雖然起到了分流作用，但會(huì)造成硬幣重疊著下滑，或者是下滑速度過快發(fā)生跳動(dòng)，越過篩幣板的篩孔，直接滑入一元的收集管道。針對(duì)硬幣會(huì)重疊下滑的問題加了個(gè)斜擋板，通過實(shí)踐加斜擋板之后硬幣容易出現(xiàn)卡幣現(xiàn)象，主要有兩種形式：一是硬幣疊加通過擋板時(shí)被卡住，另一種是斜搭在另一枚上被阻擋卡住。在適當(dāng)提高斜擋板高度后，發(fā)現(xiàn)一旦硬幣流量稍微大一些，一樣無(wú)法徹底解決堵塞問題。

圖3 清分裝置基本結(jié)構(gòu)圖

表1 不同設(shè)計(jì)方案的數(shù)據(jù)對(duì)比

鑒于上述情況，利用小舵機(jī)與凸輪結(jié)構(gòu)制作一個(gè)微振動(dòng)裝置，通過舵機(jī)帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)與滑槽相連接產(chǎn)生輕微振動(dòng)。由于裝置振幅不易過大，所以使用不同形狀的凸輪進(jìn)行測(cè)試，最后選出合適振幅的凸輪提供恰當(dāng)?shù)恼穹苟氯挠矌拍軌蚧顒?dòng)并繼續(xù)下滑。通過樣機(jī)驗(yàn)證的過程中發(fā)現(xiàn)若舵機(jī)速度過快則振動(dòng)過大會(huì)導(dǎo)致硬幣飛過篩幣區(qū)，即出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況。通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試記錄數(shù)據(jù)，選用舵機(jī)的PWM輸出值在300左右，來(lái)提高分揀硬幣的準(zhǔn)確率。

2.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

清分裝置上加舵機(jī)來(lái)進(jìn)行微振動(dòng)處理后，確實(shí)能解決硬幣在滑槽內(nèi)的堵塞問題，但其最佳振動(dòng)頻率不好確定，無(wú)法達(dá)到理想的使用效果。便改變思路，舍棄舵機(jī)振動(dòng)裝置將裝置上方的料斗改成如圖4所示結(jié)構(gòu)，大致呈V字形，材質(zhì)采用柔韌性強(qiáng)的布。工作時(shí)，與傳送帶相同的那邊不需要?jiǎng)恿υ?，只需帶?dòng)另一邊凸輪軸以較低的速率轉(zhuǎn)動(dòng)，就可將堆積的硬幣勻速送入篩幣滑槽。其中凸輪軸和與它配合的圓軸是由具有彈性特性的耐用塑料制成[7]，用布為材質(zhì)主要是為了避免大量硬幣倒入對(duì)清分機(jī)產(chǎn)生沖擊。

改進(jìn)設(shè)計(jì)具體如圖5所示，裝置包括五大部分：送幣裝置，篩幣滑槽，緩沖計(jì)數(shù)裝置、收集裝置及動(dòng)力裝置。其中篩幣滑槽中去掉了限流器，采用勻速送幣裝置代替，保留了斜擋板與滑槽的傾斜角度，不同的創(chuàng)新點(diǎn)在于斜擋板末端固定有小截毛刷，毛刷與滑道面間隙保持單個(gè)硬幣厚度高，通過斜擋板上的毛刷對(duì)于下滑硬幣起到緩沖作用，使其下滑速度減小，保證硬幣在各滑道間均勻分布。硬幣從滑槽中分離出來(lái)后就進(jìn)入緩沖計(jì)數(shù)裝置，如圖6所示，硬幣將在緩存管中一個(gè)個(gè)地排序，緩沖管底下的圓盤可以起開關(guān)作用，通過轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)有序進(jìn)入計(jì)數(shù)區(qū)，確保計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性。

圖4 勻速進(jìn)料機(jī)構(gòu)圖

圖5 改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 緩沖計(jì)數(shù)區(qū)結(jié)構(gòu)圖

緩沖計(jì)數(shù)裝置主要采用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源帶動(dòng)收集盤轉(zhuǎn)動(dòng)，是由于步進(jìn)電機(jī)具有角位移可控性，能把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的控制。收集盤上的集幣桶是同一高度并且是可以取下的，使用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器進(jìn)行編程，當(dāng)硬幣數(shù)達(dá)到集幣桶的最大值時(shí)，發(fā)送脈沖信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)，使其轉(zhuǎn)動(dòng)至另一個(gè)空桶。

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)的裝置適用于需要大量人力進(jìn)行硬幣分類、清點(diǎn)和整理的場(chǎng)所，可實(shí)現(xiàn)對(duì)混雜硬幣分揀、計(jì)數(shù)及整理的功能。清分機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于其勻速進(jìn)料裝置、帶有毛刷的斜擋板的相互作用，解決了其他硬幣分選設(shè)備在清分過程中硬幣積聚的問題，并使其最后能有序地進(jìn)入計(jì)數(shù)區(qū)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間面積較小，分離迅速。文中對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化及清分原理進(jìn)行了詳細(xì)闡述，通過對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試中發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)解決設(shè)計(jì)上的缺陷，一步步改進(jìn)設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品樣機(jī)經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)基本上都達(dá)到零誤差清分。

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