魏 鼎，荊學(xué)東，康思聞

（1.陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021；2.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201418）

0 引言

銀行、公交等具有大量硬幣處理業(yè)務(wù)的金融機(jī)構(gòu)和企業(yè)需要專用的硬幣清分機(jī)和包裝機(jī)，以有效的處理回籠的硬幣，并使之重新進(jìn)入流通領(lǐng)域，從而調(diào)節(jié)硬幣的供求[1]。然而，目前硬幣的自動包裝設(shè)備與市場要求尚有較大差距。其一是現(xiàn)有產(chǎn)品體積大且價格較高，主要面向銀行的貨幣庫處理中心或造幣廠[2,3]，不便于其他用戶使用；其二是由于市場現(xiàn)有硬幣包裝機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包卷過程繁瑣，導(dǎo)致包裝機(jī)成本較高[2,4]。為解決這些問題，需要設(shè)計具有新型機(jī)械結(jié)構(gòu)的硬幣包卷機(jī)。

1 硬幣包卷機(jī)工作原理及機(jī)械子系統(tǒng)

硬幣包卷機(jī)的主要功能是實現(xiàn)散裝硬幣的自動清分、計數(shù)、檢偽以及包卷功能，其中的包卷系統(tǒng)由控制子系統(tǒng)和機(jī)械子系統(tǒng)組成。機(jī)械子系統(tǒng)可分為6個功能單元，如圖1所示。

本文設(shè)計的硬幣包卷機(jī)的工作原理是：1）散裝硬幣堆積在加速轉(zhuǎn)盤中，轉(zhuǎn)盤高速旋轉(zhuǎn)，硬幣在離心力作用下緊貼轉(zhuǎn)盤邊沿做圓周運(yùn)動；2）硬幣通過轉(zhuǎn)盤下部的缺口進(jìn)入滑道，同步帶緊壓硬幣上表面在滑道上高速滑行，在此過程中，完成對硬幣的檢偽、剔除偽幣以及分類計數(shù)任務(wù)；3）硬幣在滑道末端落入堆碼桶，堆積成50枚一組的圓柱狀成組；4）上下卡爪相向運(yùn)動夾緊硬幣成組，之后移送單元旋轉(zhuǎn)30°使硬幣成組轉(zhuǎn)移到包卷位置；5）三輥子包卷機(jī)構(gòu)相向運(yùn)動，輥子與硬幣成組圓周面接觸并保持一定夾緊力；6）供紙單元電機(jī)啟動，搓紙輪搓入預(yù)先裝入的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格包卷紙，同時三輥子包卷機(jī)構(gòu)開始旋轉(zhuǎn)，把包卷紙卷繞在硬幣成組表面，當(dāng)包卷紙邊沿通過折邊機(jī)構(gòu)時，包卷紙在折邊機(jī)構(gòu)的限位作用下受迫變形，從而實現(xiàn)折邊；7）包卷完成后，卡爪反向運(yùn)動松開硬幣成卷，移動到堆碼位置等待下一輪夾持移送過程；三輥子機(jī)構(gòu)反向運(yùn)動，松開成組。硬幣成卷自由落下，進(jìn)入收集器。包裝機(jī)工作流程如圖2所示。

圖2 包裝機(jī)工作流程圖

2 方案設(shè)計

本文針對現(xiàn)有的硬幣包裝機(jī)的不足提出了新型設(shè)計方案，具體體現(xiàn)在以下三個方面：

1）傳統(tǒng)硬幣包裝機(jī)大多采用豎直落幣方式，即從堆碼位置豎直向下將硬幣組移送到包卷位置，該方法使整機(jī)豎直方向尺寸過大，不便于連續(xù)向機(jī)器中投放硬幣。本文采用圓周軌跡硬幣成組移送單元（如圖3和圖7所示），使整體機(jī)械系統(tǒng)（如圖6所示）呈現(xiàn)上下兩層結(jié)構(gòu)，即硬幣加速單元和硬幣排列單元處于上層，硬幣堆碼和包卷單元處于下層，減小了整機(jī)體積。

圖3 三輥子包卷機(jī)構(gòu)及移幣機(jī)構(gòu)軌跡示意圖（俯視）

2）傳統(tǒng)的卡爪頭與折邊器分離式設(shè)計，需要為折邊器配置專門傳動機(jī)構(gòu)，而且增加包卷步驟，降低了包卷效率。本文采用一種新型硬幣組移送卡爪（如圖4所示），在該卡爪頭部側(cè)邊安裝有可伸縮折邊鉤，該折邊鉤通過三輥子包卷機(jī)構(gòu)對夾動作迫使折邊鉤的工作面向硬幣邊緣運(yùn)動，包卷完成后，三輥子包卷機(jī)構(gòu)張開，折邊鉤在彈簧作用下恢復(fù)到初始位置，由此可省去專門的折邊機(jī)構(gòu)。

圖4 移幣卡爪頭結(jié)構(gòu)圖

3）傳統(tǒng)硬幣包裝機(jī)使用連續(xù)供紙方式，需要專門配備切紙機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致設(shè)備體積過大。本文采用打印機(jī)進(jìn)紙方法，使用預(yù)制規(guī)格包卷紙、紙盒連續(xù)供紙、搓紙輪搓紙、單張進(jìn)紙方式，包卷紙在省去了切紙環(huán)節(jié)提高了包卷速度（如圖5所示）。

圖5 進(jìn)紙機(jī)構(gòu)裝配圖

3 三維模型建立

首先在Pro/E零件建模環(huán)境下建立機(jī)械子系統(tǒng)的各功能單元的零件模型，然后通過執(zhí)行“元件”、“裝配”命令，添加約束關(guān)系完成供紙組件、三輥子組件、夾持移幣組件、加速排列組件的建立，再將其通過同樣的方式裝入總裝配模型中，圖6是實驗機(jī)虛擬裝配模型（為方便觀察，機(jī)架部分已隱藏）。使用Pro/E三維建模軟件建立的三維模型可以方便的生成二維工程圖，為制作物理樣機(jī)做好準(zhǔn)備[5]。

圖6 實驗機(jī)裝配模型

4 組件干涉檢查和運(yùn)動仿真

利用虛擬模型進(jìn)行干涉檢查可以有效的檢查出復(fù)雜裝配體在零件設(shè)計時出現(xiàn)的尺寸錯誤，方便的修改模型的形狀和定位孔位置尺寸，從而快速完善模型，加速樣機(jī)設(shè)計。

通過Pro/E組件模塊下“分析”菜單的“模型”按鈕下的“全局干涉”窗口，對裝配體進(jìn)行干涉分析。先對前述子組件進(jìn)行分別檢查，再對總裝配體進(jìn)行干涉檢查。在排查干涉過程中，發(fā)現(xiàn)的開槽螺母與螺柱件的干涉屬于正?，F(xiàn)象，不需修改；個別零件間確有干涉，經(jīng)過修改后，再次做干涉檢查，結(jié)果顯示“沒有干涉零件”。

在三維建模過程中運(yùn)動分析是模擬所設(shè)計產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)運(yùn)行情況，為設(shè)計評估提供依據(jù)。本文采用Pro/E機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析仿真模塊，對機(jī)構(gòu)添加伺服電動機(jī)、定義測量項目，獲取機(jī)構(gòu)動態(tài)影像，和分析圖線[6]。

以上下卡爪為例說明仿真過程。利用Pro/E仿真可以直觀的觀察上、下卡爪的運(yùn)動狀態(tài)，并得到位移圖；從而確定上、下卡爪能否夾持住硬幣成組，張開后會不會與皮帶輪干涉。在本例中將伺服電機(jī)添加到梯形絲杠齒輪軸上，設(shè)置相應(yīng)的運(yùn)動方向、速度、運(yùn)動時間和顯示幀數(shù)。分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程，然后定義測量項目，測量上下卡爪的位移圖（如圖8所示）。該曲線表示，上下卡爪首先在硬幣堆碼位置等待，然后上下相向運(yùn)動夾緊硬幣，待移送機(jī)構(gòu)把硬幣組移送到包卷位置并完成包卷（此過程上下卡爪不動），然后上下卡爪松開；從位移圖中可知，現(xiàn)行方案滿足設(shè)計要求。

圖7 移幣機(jī)構(gòu)裝配體

圖8 移幣機(jī)構(gòu)裝配體運(yùn)動仿真曲線

其他機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)仿真，包括三輥子包卷機(jī)構(gòu)、硬幣夾持單元、硬幣加速單元，也可以按照此方法得出預(yù)定的位移圖線；仿真結(jié)果表明，它們都實現(xiàn)了預(yù)定功能。

5 結(jié)論

本文根據(jù)硬幣包裝機(jī)市場需求和已有硬幣包卷機(jī)的不足，設(shè)計了一種新型硬幣包卷機(jī)系統(tǒng)。設(shè)計中特別對進(jìn)紙機(jī)構(gòu)、移幣機(jī)構(gòu)和折邊機(jī)構(gòu)做了改進(jìn)，整合了折邊機(jī)構(gòu)和移幣機(jī)構(gòu)，縮小了整機(jī)體積，減少了包卷步驟，從而提高了包卷效率。按照實驗參數(shù)最高處理硬幣速度可以達(dá)到1500枚/分鐘。

[1] 中國人民銀行上海分行貨幣金銀處課題組.芻議人民幣硬幣流通規(guī)律及問題[J].上海金融,2005,(2):55-57.

[2] 芮曉明,翟江蘭.基于虛擬裝配的硬幣自動包裝機(jī)設(shè)計方法[J].包裝工程,2006,27(1):92- 108.

[3] 鐘偉,張建國,李金山,陳金源.基于PLC控制的全自動硬幣包裝線系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化,2011,33(11):148-149.

[4] 肖麗英.YB50全自動硬幣計數(shù)、包卷機(jī)的研制[J].包裝工程,2003,3(24):28-29.

[5] 吳懷超.ProE和AutoCAD聯(lián)合設(shè)計二維工程圖的方法研究[J].煤炭技術(shù),2010,29(8):10-11.

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