摘 要：錢(qián)幣分離、清點(diǎn)、整理一體機(jī)可解決相應(yīng)社會(huì)問(wèn)題，符合當(dāng)今發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)分析現(xiàn)有設(shè)計(jì)并結(jié)合參加機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新大賽經(jīng)歷，提出一種較為新穎且實(shí)用性強(qiáng)的方案。該方案采用振動(dòng)圓柱收集筒與底部開(kāi)槽的方式分離，并結(jié)合單片機(jī)等控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)清點(diǎn)與整理功能。最后，對(duì)該方案做出總結(jié)與延伸，并對(duì)包裝功能提出有關(guān)意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：錢(qián)幣分離；錢(qián)幣清點(diǎn)；錢(qián)幣整理；機(jī)電一體化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.255

1 背景分析

超市、公交站等多場(chǎng)合匯集大量錢(qián)幣，對(duì)錢(qián)幣清點(diǎn)、整理、包裝需大量人力。而點(diǎn)幣員常處被監(jiān)視狀態(tài)，且常工作至手指抽筋，過(guò)大的精神壓力與工作強(qiáng)度使該崗位大量空缺。第七屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新大賽便提出對(duì)錢(qián)幣分類(lèi)、清點(diǎn)、整理機(jī)器進(jìn)行設(shè)計(jì)的要求。設(shè)計(jì)一臺(tái)一體化多功能錢(qián)幣處理機(jī)不僅符合工業(yè)4.0自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)，也響應(yīng)中國(guó)制造2025創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的方針。

2 現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案的討論

（1）錢(qián)幣分離系統(tǒng)。此處針對(duì)1元、5角、新1角的分離。從分離原理，分幾何分離與受力分離；從錢(qián)幣狀態(tài)，分橫向分離與縱向分離；從分離結(jié)果，分“留大棄小”型分離與“留小棄大”型分離。

幾何分離中，縱向分離有：①收集板制成瓦楞形，錢(qián)幣放入后只可豎立，底部開(kāi)槽振動(dòng)分離；②錢(qián)幣逐個(gè)豎直在斜軌中滾動(dòng)，底部開(kāi)槽或軌道壁開(kāi)槽分離。橫向分離有：③開(kāi)口圓分離，有圓柱分層套筒斜坡型與平面分層攪拌型；④錢(qián)幣逐個(gè)橫向在斜軌上移動(dòng)，底部開(kāi)槽分離。受力分離中，縱向分離有：⑤錢(qián)幣逐個(gè)豎直在軌道中移動(dòng)，依重心位置不同，通過(guò)軌道壁高變化，使重心高者落下分離。橫向分離有：⑥不同尺寸錢(qián)幣在特定軌道拐角碰撞受力作用點(diǎn)不同，運(yùn)動(dòng)方向不同分離。

幾何分離均為分層分揀，重復(fù)機(jī)構(gòu)多。此處可設(shè)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，如先分離1元，調(diào)節(jié)開(kāi)口大小，再分5角、1角亂幣。①中大于槽的錢(qián)幣雖無(wú)法掉出，但會(huì)堵住槽口，需振動(dòng)解決。②中需電機(jī)驅(qū)動(dòng)軌道，控制錢(qián)幣移動(dòng)速度，靠斜坡重力加速，易因速度過(guò)大而沖過(guò)分離區(qū)。③中無(wú)法知何時(shí)分離完畢，且平面分離難以取出錢(qián)幣，而圓筒分離，錢(qián)幣不易進(jìn)入槽口，應(yīng)改成多邊形套筒分離。受力分離可一次性將三種錢(qián)幣逐個(gè)分離出，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高。⑤中仍需控速，以免沖過(guò)分離區(qū)。⑥中軌道易因磨損而降低精度。

總體上，需解決“堆幣”、“卡幣”、“控量”、“單獨(dú)化”、“控速”五個(gè)問(wèn)題。在入口設(shè)滾輪傳送帶裝置，傳送帶滾輪間留小間隙，僅可一個(gè)錢(qián)幣通過(guò)，以此解決“堆幣”及“控量”問(wèn)題。通過(guò)攪拌或振動(dòng)，解決“卡幣”問(wèn)題。“單獨(dú)化”可使入口寬度縮至僅一個(gè)錢(qián)幣通過(guò)大小，錢(qián)幣用離心甩入或傳送帶直線送入?！翱厮佟敝恍枋闺姍C(jī)帶動(dòng)軌道底部，軌道底部再將動(dòng)力傳給錢(qián)幣，但較耗能。另外，重復(fù)分離單元，使同時(shí)工作，可提高效率；振動(dòng)頻率與噪音需通過(guò)計(jì)算及實(shí)驗(yàn)相權(quán)衡。

（2）清點(diǎn)系統(tǒng)與整理系統(tǒng)。若已實(shí)現(xiàn)單獨(dú)化，則可直接用紅外線光電計(jì)數(shù)；否則，需另設(shè)單獨(dú)化裝置，幣量小可直接用擋板窄道結(jié)構(gòu)?；蚴遣捎猛该鞑牧?，用特殊刻度表錢(qián)幣數(shù)。整理系統(tǒng)有蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)，實(shí)現(xiàn)放入收集筒、放幣、壓蓋、取出收集筒流水線操作，但需多個(gè)機(jī)械手。而其他方案均對(duì)錢(qián)幣放入狀態(tài)要求較高。

3 新型設(shè)想——搖擺魔術(shù)盒模型

本設(shè)計(jì)方案由機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械支撐系統(tǒng)以及單片機(jī)、PLC控制系統(tǒng)組成。采用分步分離，先得1元，并清點(diǎn)整理；再分離5角、1角，依次清點(diǎn)整理。由于功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程類(lèi)似，此處僅對(duì)1元錢(qián)幣的分離、清點(diǎn)、整理過(guò)程進(jìn)行介紹。

分離、清點(diǎn)部分：通過(guò)人機(jī)交互界面，選擇1元分離。此時(shí)，電機(jī)及連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將分離箱沿弧形槽移至相應(yīng)工位，箱體呈傾斜狀。箱中擋塊由電機(jī)及齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，使一元分離腔容積增大。由實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)漏斗容量，規(guī)定一次分離錢(qián)幣數(shù)最多放滿一漏斗。倒入待分離錢(qián)幣，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并結(jié)合凸輪機(jī)構(gòu)使分離箱在不同階段進(jìn)行頻率及振幅不同的振動(dòng)。振動(dòng)中，分離腔容積逐漸減小。由于腔內(nèi)含分離筒，其與擋塊對(duì)應(yīng)側(cè)可正好組成一元柱形孔洞，通過(guò)容積減少及振動(dòng)可使亂幣整齊斜向放置。振動(dòng)結(jié)束，分離筒底塊移開(kāi)，使5角、1角從底部落至收集室。由于各槽上下裝有低頻透射式渦流傳感器，可計(jì)算出錢(qián)幣數(shù)。當(dāng)各槽錢(qián)幣數(shù)不變時(shí)，屏幕上顯示總1元錢(qián)幣數(shù)。分離箱、擋塊另一側(cè)組成1角、5角柱形孔洞，分離1角、5角時(shí)，只需側(cè)到另一邊即可。

整理部分：分離箱移至相應(yīng)工位，通過(guò)絲桿螺母機(jī)構(gòu)，使收集小車(chē)與分離箱底塊配合移動(dòng)，將錢(qián)幣定量地移至對(duì)應(yīng)收集槽。由于小車(chē)孔洞深度一定，結(jié)合分離槽錢(qián)幣數(shù)，單片機(jī)可計(jì)算并判定小車(chē)孔洞是否已滿及分離槽是否為空，從而執(zhí)行不同動(dòng)作。當(dāng)小車(chē)全部裝滿或分離箱已空時(shí)，小車(chē)移出至外軌，其孔內(nèi)錢(qián)幣落至外軌孔洞內(nèi)，使小車(chē)清空，準(zhǔn)備下次收集。因5角、1角直徑、厚度接近，此處將兩者清點(diǎn)、整理合一。通過(guò)小車(chē)頂部與分離箱底部間隙大小，補(bǔ)償兩者厚度差異，以免干涉。收集完畢，外軌可整體移出，從而將錢(qián)幣取出?；蚴孪仍谕廛壙锥捶攀占?，后整體壓蓋，內(nèi)設(shè)彈簧彈出。

控制系統(tǒng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)實(shí)現(xiàn)連接傳感器，計(jì)各槽錢(qián)幣數(shù)；顯示屏顯示；控制振動(dòng)電機(jī)；計(jì)算小車(chē)、外軌錢(qián)幣數(shù)；控制指示燈及蜂鳴器等功能。PLC實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停止、急停等開(kāi)關(guān)量控制；單片機(jī)通斷電；電機(jī)起保停等功能。為保證各步精度，各動(dòng)作相應(yīng)位置設(shè)限位開(kāi)關(guān)，以配合控制系統(tǒng)控制。

4 方案總結(jié)

方案實(shí)現(xiàn)控量、分離、計(jì)數(shù)、收集的方式新穎，且機(jī)電一體化，結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，可靠性、準(zhǔn)確性高，經(jīng)濟(jì)效益好。在延伸擴(kuò)展上，可依相同原理對(duì)不同大小的幣種進(jìn)行分離，如舊1角、外幣、游戲幣等，也可在直徑上分離假幣。同時(shí)，可與自動(dòng)售貨機(jī)及公交投幣系統(tǒng)等相結(jié)合。又可依場(chǎng)合擴(kuò)大分離箱，使可分離錢(qián)幣數(shù)增加。而方案未實(shí)現(xiàn)包裝功能，此處建議參照山楂片、藥片包裝機(jī)器設(shè)計(jì)，或仿照礦泉水流水線包裝。

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作者簡(jiǎn)介：陳飛翔（1996-），男，浙江溫州人，本科在讀，研究方向：機(jī)械自動(dòng)化。