張　穎，　金昌福

(延邊大學(xué)工學(xué)院機(jī)械系,吉林 延吉 133000)

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利用S7-200PLC的3層離心式硬幣清分機(jī)的開發(fā)

張穎，金昌福*

(延邊大學(xué)工學(xué)院機(jī)械系,吉林 延吉 133000)

摘要：根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有硬幣清分機(jī)的實(shí)際情況，開發(fā)了一種性能良好、工作效率高的3層離心式硬幣清分機(jī)，并對(duì)其主要工作部件的結(jié)構(gòu)、工作原理、機(jī)電傳動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，科學(xué)地計(jì)算運(yùn)動(dòng)參數(shù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，證實(shí)運(yùn)動(dòng)合理性。開發(fā)的3層離心式硬幣清分機(jī)實(shí)際清分量高達(dá)600枚/min，清分準(zhǔn)確率98.4%，并且在清分過程中不出現(xiàn)卡幣、擁堵、不出幣現(xiàn)象，能高效快速地清分不同面值的硬幣。

關(guān)鍵詞：PLC；硬幣清分機(jī)；離心式；開發(fā)

硬幣的流通在給人們生活帶來便利的同時(shí)，也在清點(diǎn)分類上給相關(guān)部門帶來了巨大的壓力。目前，我國(guó)在硬幣清分上仍然采用半自動(dòng)化或人工的方法，浪費(fèi)了大量的人力和物力。由于硬幣的清分工作強(qiáng)度高，難度大，成本高，利潤(rùn)小，誤差大，迫切需要一套自動(dòng)化程度高，集清分、計(jì)數(shù)、收集等功能于一體的硬幣清分裝置[1]。由于國(guó)情和貨幣體系不同，研制各國(guó)統(tǒng)一的硬幣清分系統(tǒng)不現(xiàn)實(shí)，因此，需要針對(duì)不同的貨幣體系研制相應(yīng)的清分系統(tǒng)。在這個(gè)領(lǐng)域里，國(guó)外較早開展了研究，并且做了大量的工作。開發(fā)的產(chǎn)品大致也分為3個(gè)檔次，即低檔、中檔和高檔。低檔清分速度在400枚/min以下，中檔為500～600枚/min左右，高檔則在1 000枚/min以上[2-3]。在此領(lǐng)域比較有代表性的是著名的瑞典SCANCOIN AB公司，它是一家專業(yè)生產(chǎn)各種銀行器具的公司，成系列地研制了針對(duì)不同貨幣體制下的清分系統(tǒng)，但其價(jià)格昂貴且進(jìn)行技術(shù)壟斷[4]。在國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、北京科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等多家單位均深入研究過硬幣清分機(jī)，其所使用的清分方法主要有2大類：1) 根據(jù)物理技術(shù)進(jìn)行清分，2) 根據(jù)性能指標(biāo)進(jìn)行清分。目前國(guó)內(nèi)暢銷的蘇州少士 YFJ-200硬幣點(diǎn)數(shù)機(jī)無法做到同時(shí)清分多種硬幣，且每次清分不同類型硬幣需耗費(fèi)時(shí)間調(diào)整機(jī)器，清分效率只有400枚/min，抗振動(dòng)和抗電磁干擾能力差、工藝流程復(fù)雜,價(jià)格高達(dá)8 000元，缺少實(shí)用價(jià)值[5-7]。而本文開發(fā)的這種3層離心式硬幣清分機(jī)工作時(shí)無需調(diào)整，可同時(shí)清分4種硬幣，成本只有3 000元，制造工藝簡(jiǎn)單，清分效率高達(dá)600枚/min，該裝置應(yīng)用于實(shí)際中，可提高工作人員的效率，為今后設(shè)計(jì)制造相關(guān)硬幣清分機(jī)提供理論依據(jù)和參考資料。

1總體方案的設(shè)計(jì)

經(jīng)過市場(chǎng)的調(diào)查研究，硬幣清分機(jī)有2種典型機(jī)型:振動(dòng)式硬幣清分機(jī)和離心式硬幣清分機(jī)。其特點(diǎn)如下：

1) 振動(dòng)式硬幣清分機(jī)：利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生巨大振動(dòng)，使硬幣在密閉空間產(chǎn)生位移，從而達(dá)到清分功能，但是這種機(jī)型體積大、質(zhì)量大、工作噪聲大、工作性能差、壽命短、不易搬運(yùn)。

2) 離心式硬幣清分機(jī)：利用旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，使硬幣甩出旋轉(zhuǎn)盤，進(jìn)入篩選軌道，由傳送帶輸送，進(jìn)行清分[8]。該機(jī)型效率高、工作穩(wěn)定、無噪聲，但是存在卡幣、擁堵、不出幣現(xiàn)象。

根據(jù)清分效果分析，總體方案定為基于S7-200PLC控制的離心式硬幣清分機(jī)。篩選方式改進(jìn)為3層4出口，計(jì)數(shù)裝置采用光敏傳感器。

1.1設(shè)計(jì)條件

1) 硬幣規(guī)格：現(xiàn)市面上流通4種硬幣，第五套人民幣中的1元，5角，1角(以下稱小1角)和第四套人民幣中的1角(以下稱大1角)。

直徑關(guān)系：1元>大1角>5角>小1角；厚度關(guān)系：大1角>1元>小1角>5角[9]。

2) 清分量(η)η=600枚/min 左右

1.2總體結(jié)構(gòu)

3層離心式硬幣清分機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1。其中，1.料斗;2. 傳動(dòng)軸；3.傳送帶；4.旋轉(zhuǎn)盤；5.筒壁；6.篩選軌道；7.輸送軌道；8.機(jī)架；9.儲(chǔ)幣盒；10.步進(jìn)電機(jī)。

圖1　結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2主要工作部件的設(shè)計(jì)及工作原理

2.1旋轉(zhuǎn)盤

旋轉(zhuǎn)盤是承載硬幣的主要機(jī)構(gòu)，在離心過程中起到初步篩選的作用。根據(jù)宋祥德等人對(duì)旋轉(zhuǎn)盤的分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)，為了更有效地清分硬幣，在保證其強(qiáng)度和剛度的條件下，開了一定數(shù)量的孔，3層旋轉(zhuǎn)盤直徑都設(shè)定為190 mm[10]。

1) 第1層旋轉(zhuǎn)盤在半徑35和70 mm的2個(gè)圓上分別環(huán)形陣列8個(gè)，10個(gè)直徑為24 mm的孔，該盤開孔只允許1元以外的硬幣通過。

2) 第2層旋轉(zhuǎn)盤參數(shù)同上，但是陣列的開孔直徑21 mm，該盤開孔只允許大1角以外的硬幣通過。

2.2筒壁

筒壁作為封閉旋轉(zhuǎn)盤的機(jī)構(gòu)，在工作中起到第2次篩選作用。3層的筒壁內(nèi)徑190 mm，高60mm。在旋轉(zhuǎn)盤切向處對(duì)應(yīng)的位置開口，第1層開口角度30°，口高2.3 mm，只允許大1角以外的硬幣通過；第2層開口30°，口高3 mm；第3層開口30°，口高3 mm。

2.3篩選軌道

篩選軌道作為本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，在工作中起到最后1次篩選作用。

1) 第1層軌道從切向處開始，沿垂直該點(diǎn)直徑方向安裝，長(zhǎng)120 mm，寬25 mm，在距切向處80 mm軌道內(nèi)開1個(gè)長(zhǎng)30 mm，寬23 mm篩選口。1元可通過篩選口，其他硬幣掉落。

2) 第2層軌道長(zhǎng)120 mm，寬22.5 mm，距切向處80 mm開1個(gè)長(zhǎng)30 mm，寬21 mm篩選口，大1角可通過，其他硬幣不可通過。

3) 第3層軌道長(zhǎng)120 mm，寬20.5 mm，距切向處80 mm開一個(gè)長(zhǎng)30 mm，寬19.5 mm篩選口，5角可通過，小1角不可通過。

2.4計(jì)數(shù)裝置

本設(shè)計(jì)采用市場(chǎng)上常見的光敏傳感器進(jìn)行檢測(cè)，硬幣每通過1次，用PLC對(duì)其產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)下降沿計(jì)數(shù)1次，并通過七段數(shù)碼管顯示[11]。

2.5傳送帶

在硬幣離開旋轉(zhuǎn)盤后，采用小型馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的3個(gè)傳送帶為硬幣提供能量，使其繼續(xù)在篩選軌道中繼續(xù)滑行。

式中，v1為硬幣離開旋轉(zhuǎn)盤時(shí)的速度；m為硬幣質(zhì)量；P為電機(jī)功率；t為硬幣與傳送帶接觸時(shí)間；μ為摩擦因數(shù)；s為篩選軌道長(zhǎng)度。

經(jīng)計(jì)算,P=8 W，選用三拓R4468型微型電機(jī)。

2.6工作原理

啟動(dòng)機(jī)器，將定量硬幣從頂端放入第1層旋轉(zhuǎn)腔內(nèi)。在離心作用下，1元、5角和小1角硬幣通過筒壁開口進(jìn)入篩選軌道，1元硬幣通過軌道進(jìn)入儲(chǔ)幣盒并計(jì)數(shù)，其余硬幣通過旋轉(zhuǎn)盤開孔或輸送軌道進(jìn)入第2層旋轉(zhuǎn)腔。在第2層中，大1角，5角和小1角硬幣通過筒壁開口進(jìn)入篩選軌道，大1角硬幣通過軌道進(jìn)入儲(chǔ)幣盒并計(jì)數(shù)，其余硬幣通過旋轉(zhuǎn)盤開孔或輸送軌道進(jìn)入第3層旋轉(zhuǎn)腔內(nèi)。第3層中，5角和小1角通過開口進(jìn)入軌道，5角離開軌道進(jìn)入盒中，小1角從篩選軌道進(jìn)入盒中。從而，周而復(fù)始地完成工作。

3步進(jìn)電機(jī)選型及控制

3.1步進(jìn)電機(jī)選型

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件?？梢酝ㄟ^控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

得nmax=146r/min，該設(shè)計(jì)機(jī)型初始可容納150枚硬幣。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》一書中功率和扭矩計(jì)算公式可得[12]。

阻力FW=Zμmg=21.5N

效率η=η1×η2=0.64(為聯(lián)軸器效率；為傳動(dòng)效率)

選用雷塞57型步進(jìn)電機(jī)。

3.2電機(jī)的控制

根據(jù)PLC編程及應(yīng)用一書中相關(guān)部分，本設(shè)計(jì)采用西門子S7-200PLC和MM420變頻器控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和停止的功能[13-15]。

1) 步進(jìn)電機(jī)控制程序：按下開關(guān)SB1，I0.0閉合，Q0.0線圈得電自鎖，使步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，計(jì)時(shí)器T37開始計(jì)時(shí)。10 s后，T37常閉觸點(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)閉合，Q0.0失電斷開，Q0.1得電自鎖，電機(jī)反轉(zhuǎn)，計(jì)時(shí)器T38開始計(jì)時(shí)。1 s后，T38常閉觸點(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)閉合，Q0.1失電斷開，Q0.0得電自鎖，以此周而復(fù)始。任意時(shí)刻可按停止開關(guān)SB2，I0.1斷開，機(jī)器停止工作(圖2)

圖2　控制程序梯形圖

2) 步進(jìn)電機(jī)接線圖：采用硬件接線，通過模擬量輸出控制AIN1，來控制變頻器的頻率，從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速[16](圖3)。

圖3　硬件接線圖

4清分機(jī)實(shí)際結(jié)果分析

由表1可知，用所制樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，共計(jì)5次，清分硬幣總計(jì)600枚，平均耗時(shí)51.2 s，平均準(zhǔn)確率達(dá)到98.4%(圖4)。由第5次試驗(yàn)結(jié)果表明,清分耗時(shí)由短到長(zhǎng)依次為小1角,大1角,1元和5角,且準(zhǔn)確率達(dá)100%。(表2)。對(duì)照對(duì)象為市面上暢銷的蘇州少士 YFJ-200硬幣點(diǎn)數(shù)機(jī)，該機(jī)型每分鐘清分量只有400枚,并且有時(shí)存在誤差[17]。根據(jù)所得結(jié)果，作者開發(fā)的3層式離心清分機(jī)效率和準(zhǔn)確率大于蘇州少士 YFJ-200硬幣點(diǎn)數(shù)機(jī)，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。另外，此成果榮獲“迪瑞杯”第七屆吉林省大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽一等獎(jiǎng)。

圖4　測(cè)試場(chǎng)景圖

表1　試驗(yàn)結(jié)果

表2　第5次試驗(yàn)結(jié)果

5結(jié)論

1) 三層離心式硬幣清分機(jī)實(shí)際清分量η=600枚/min，清分準(zhǔn)確率98.4%。

2) 在清分過程中不會(huì)出現(xiàn)卡幣、擁堵、不出幣現(xiàn)象，能高效快速地清分不同面值的硬幣。

3) 該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格低廉、維護(hù)簡(jiǎn)便、性能穩(wěn)定，可適用于銀行、超市及交通部門等。

4) 本設(shè)計(jì)在許多地方仍有待改進(jìn)，軌道可設(shè)計(jì)為傾斜式，去除驅(qū)動(dòng)滾刷，降低成本；旋轉(zhuǎn)盤和筒壁可設(shè)計(jì)為拆卸式，方便拆裝運(yùn)輸；控制程序仍存在缺點(diǎn)，可增加間歇式正反轉(zhuǎn)控制程序，避免硬幣轉(zhuǎn)不出去的現(xiàn)象，以進(jìn)一步提高清分效率。

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收稿日期：2016-04-02

作者簡(jiǎn)介：張穎(1995—)，男，安徽巢湖人，在讀學(xué)士,研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。金昌福為通信作者， E-mail：jincf9@163.com

文章編號(hào)：1004-7999(2016)02-0175-04

DOI:10.13478/j.cnki.jasyu.2016.02.015

中圖分類號(hào)：TH693

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Development of three-layer centrifugal Coin Counting and Sorting Machine by the S7-200PLC

ZHANG Ying，JING Changfu*

(EngineeringCollegeofYanbianUniversity，YanjiJilin133000 ，China)

Abstract：In view of the situation of Coin Counting and Sorting Machine in China, a new three-layer centrifugal Coin Counting and Sorting Machine with good performance and high efficiency was developed, and its structure of main working parts, operating principle and mechanical and electrical transmission design were introduced here. In addition, its motion parameters were scientifically calculated, its mechanical structure was optimized, and its rationality of movement was proved. The actual amount of counting and sorting of this machine was up to 600 coins per minute with classification accuracy of 98.4%, without coin stucking, jamming and loss. As a result, the machine developed could be able to efficiently count and sort coins with different face values.

Key words:PLC; Coin Counting and Sorting Machine; centifugal; development