孫麗娜

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院機(jī)械與土木工程學(xué)院，吉林 132101）

智能硬幣分揀機(jī)的優(yōu)化設(shè)計研究

孫麗娜

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院機(jī)械與土木工程學(xué)院，吉林 132101）

智能硬幣分揀機(jī)是一種能夠自動將市面上流通的四種不同直徑的硬幣進(jìn)行快速有效篩分的裝置，其主要結(jié)構(gòu)包括動力裝置，減速裝置，輸送裝置，篩分裝置等。本文對普通的智能硬幣分揀機(jī)的總體結(jié)構(gòu)（即整體機(jī)械系統(tǒng)）及其關(guān)鍵零部件（包括篩板、調(diào)速電機(jī)、減速裝置、框架和輸送裝置等）進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，使其在節(jié)省人力的同時，提高了工作效率，能夠更加有效地應(yīng)對銀行、超市、公交等部門繁重的硬幣分揀工作。本設(shè)計具有重要的經(jīng)濟(jì)與社會價值，市場前景廣闊。

智能硬幣分揀機(jī)；總體結(jié)構(gòu)設(shè)計；零部件優(yōu)化設(shè)計

1 引言

硬幣是全世界各個國家流通的主要貨幣種類之一，以其耐磨、制作方便和使用周期長等諸多優(yōu)點(diǎn)，受到了娛樂業(yè)、交通業(yè)、金融業(yè)以及零售業(yè)的青睞[1]。由于國外對硬幣篩分設(shè)備的研究和開發(fā)起步較早，且工業(yè)基礎(chǔ)雄厚，無論是大型或小型硬幣篩分機(jī)器都已經(jīng)發(fā)展到了相當(dāng)成熟的技術(shù)水平，而且還在日臻完善[2-3]。反觀國內(nèi)，最初只有清華大學(xué)和昆明機(jī)床公司曾經(jīng)聯(lián)合對日本的某硬幣篩分設(shè)備進(jìn)行仿制，由于當(dāng)時的技術(shù)與理論水平不夠，因此，所設(shè)計出來的硬幣篩分設(shè)備尚無法滿足各項使用要求。在此之后，還有許多科研院所和企業(yè)投入大量的人力、物力和財力，進(jìn)行硬幣篩分設(shè)備的研發(fā)，繼而設(shè)計出了一些硬幣處理設(shè)備的理論與實物模型[4]。與國外的先進(jìn)設(shè)備相比，國內(nèi)的硬幣篩分設(shè)備仍然存在許多需要改進(jìn)的地方[5]?；谶@樣的思考，本文對目前國內(nèi)最為常見的一種硬幣分揀機(jī)的總體結(jié)構(gòu)（即整體機(jī)械系統(tǒng)）及其關(guān)鍵零部件（包括篩板、調(diào)速電機(jī)、減速裝置、框架和輸送裝置等）進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，使其整機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡潔，造價更為低廉，篩分效果更好。該智能硬幣分揀機(jī)未來一旦面市，必將擁有廣闊的市場前景，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)價值與社會價值。

本文所設(shè)計的智能硬幣分揀機(jī)（如圖1）的工作原理如下：硬幣最先由漏斗進(jìn)入輸送帶，待其速度降低之后，進(jìn)入篩板，開始篩分作業(yè)。針對市面上流通的四種不同直徑的硬幣，該機(jī)的篩板自上而下的篩孔直徑按照由大到小的順序進(jìn)行排列安裝。直徑最大的一元硬幣將從第一層篩板上方被篩出；其他硬幣則由第一層篩板下方進(jìn)入第二層篩板，進(jìn)而篩分出直徑略小于一元硬幣的大一角硬幣；剩余硬幣由第二層篩板下方進(jìn)入第三層篩板，此處將篩分出五毛硬幣；最后的小一角硬幣則由第三層篩板下方輸出，至此，就完成了整個硬幣的篩分過程。

圖1 智能硬幣分揀機(jī)的裝配圖

2 智能硬幣分揀機(jī)的總體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

智能硬幣分揀機(jī)的總體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計要求包括：第一，應(yīng)使設(shè)計出的產(chǎn)品體積和重量符合小型化和輕量化的要求；第二，機(jī)器能夠成功地篩分出國內(nèi)目前市面上流通的三種不同面額（四種不同大?。┑挠矌?；第三，機(jī)器應(yīng)具有良好的操作性和使用壽命；第四，機(jī)器應(yīng)具有成本低廉和方便運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)。考察整機(jī)總體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計成敗與否的主要性能指標(biāo)為分揀機(jī)的工作效率不低于每分鐘五百枚，且篩分誤差低于千分之一。

整機(jī)總體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計內(nèi)容包括：篩板的角度、震動行程以及震動頻率的可調(diào)性設(shè)計，通過調(diào)節(jié)以上三個參數(shù)，達(dá)到最佳的篩分效果，進(jìn)而能夠輕松應(yīng)對不同粗糙程度的硬幣；硬幣的喂入速度設(shè)計，使得硬幣進(jìn)入篩板時，不會因速度過快而飛濺；篩板的硬幣篩分精確性設(shè)計，使得篩板震動的穩(wěn)定性更好，同時其占用的空間更小，且移動方便。

3 智能硬幣分揀機(jī)的關(guān)鍵零部件優(yōu)化設(shè)計

3.1 篩板的優(yōu)化設(shè)計

預(yù)選的幾種篩板的優(yōu)化設(shè)計方式包括：篩板式、離心式和重力傾斜式。由于常規(guī)的篩板體積過大，并且容易發(fā)生篩分錯誤，如果利用離心力進(jìn)行篩分，又會產(chǎn)生較大的噪音，因此，優(yōu)化設(shè)計方案為：將篩板分層，并且每大層分為兩小層的新型篩板，以實現(xiàn)硬幣分離的目的。為了減輕機(jī)器整體重量，本設(shè)計選用5mm厚度的有機(jī)玻璃板作為篩板的主體材料；為了提高篩分精度，篩板共分為三大層和六小層，如圖2所示。市面上流通的四種不同直徑的硬幣分別為1元、五角、大1角、小1角，其直徑分別為25mm、22.5mm、20.5mm、19mm，而篩板由上至下的篩孔直徑分別為24mm、21.5mm、19.7mm，同時在篩板上還加裝了擋塊，以使得篩板的角度可調(diào)，進(jìn)一步提高了篩分的工作精度。

圖2 篩板

選擇驅(qū)動篩板的振動部件的方案包括：曲軸式、凸輪式和曲柄滑塊式。凸輪因其所能承受的載荷較小，摩擦力較大，需要增加其他的回彈機(jī)構(gòu)，因此，本設(shè)計放棄了凸輪機(jī)構(gòu)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)與曲軸機(jī)構(gòu)具有一定的相似性，它們都不能調(diào)節(jié)篩板的震動頻率，無法達(dá)到最好的篩分效果，也不宜采用。經(jīng)過綜合分析，通過對曲柄滑塊式機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計（如圖3），進(jìn)而達(dá)到了可以任意調(diào)節(jié)震動行程的目的。本設(shè)計最大優(yōu)點(diǎn)是從動部件能夠?qū)崿F(xiàn)任意的預(yù)定運(yùn)動，減小了該機(jī)構(gòu)的摩擦力和篩分的復(fù)雜程度，能夠更好地滿足本設(shè)計的要求。

圖3 曲柄滑塊

3.2 調(diào)速電機(jī)的參數(shù)優(yōu)選

常見的驅(qū)動電機(jī)按轉(zhuǎn)速大致分為高轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速兩種，各自都有其優(yōu)缺點(diǎn)。例如：高轉(zhuǎn)速電機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)速快、篩分效率高，但其缺點(diǎn)為轉(zhuǎn)速較高時容易導(dǎo)致硬幣發(fā)生飛濺現(xiàn)象，而且由于硬幣高速運(yùn)動，可能致使硬幣在高速運(yùn)動時發(fā)生碰撞，產(chǎn)生巨大的噪聲，造成較為嚴(yán)重的噪音污染；低轉(zhuǎn)速電機(jī)由于運(yùn)轉(zhuǎn)速度較低，硬幣碰撞時的動能較小，產(chǎn)生的噪音較小，但是，運(yùn)轉(zhuǎn)速率的降低將導(dǎo)致篩分效率的下降。另外，由于硬幣發(fā)行年限的早晚、流通時間的長短，以及使用環(huán)境的不同，使其表面磨損程度和粗糙度有所不同，這樣一來，硬幣表面摩擦力的增大將嚴(yán)重影響低轉(zhuǎn)速電機(jī)硬幣篩分機(jī)的工作效率，甚至發(fā)生卡幣而使機(jī)器無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)?；诟鞣N類型電機(jī)的特點(diǎn)，本設(shè)計決定采用調(diào)速電機(jī)，滿足不同使用環(huán)境和不同表面粗糙度的硬幣的篩分要求，將整機(jī)的噪音和工作效率控制在合理范圍內(nèi)。本設(shè)計優(yōu)化后的調(diào)速電機(jī)參數(shù)為：功率25KW，扭矩0.45N/m，額定電壓220V，調(diào)速范圍0-415轉(zhuǎn)/分，減速比1：3。由于該智能硬幣分揀機(jī)結(jié)構(gòu)較輕，摩擦力非常小，因此，上述參數(shù)完全滿足設(shè)計要求。

3.3 減速裝置的優(yōu)化設(shè)計

基本的機(jī)械傳動方式包括：鏈傳動、帶傳動和齒輪傳動。帶傳動實際上是一種撓性傳動，其主要組成部分是帶輪和傳動帶。利用帶輪和傳遞動力的帶之間的摩擦力，或者是嚙合作用把能量從一個帶輪傳給另一個帶輪，其結(jié)構(gòu)十分簡單，傳動過程非常平穩(wěn)，價格也低于鏈傳動和齒輪傳動。另外，傳動帶還可以起到緩沖的作用，尤其是在載荷超過正常范圍時，它可以保護(hù)機(jī)械裝置，不至于被損壞。帶傳動最適合在遠(yuǎn)距離的動力傳輸時進(jìn)行使用。鏈傳動也是一種撓性的傳動方式，它是由鏈條和鏈輪結(jié)合在一起形成的傳動方式。通過鏈輪上的齒與鏈條之間的溝槽相互嚙合，使其不會像帶傳動一樣發(fā)生打滑，但是，其重量很大，無法滿足本設(shè)計減輕整機(jī)重量的要求。齒輪傳動是機(jī)械結(jié)構(gòu)中零部件之間傳遞動力和速度的最重要方法之一，其傳動的可靠性很高，結(jié)構(gòu)緊湊，尤其適合傳動精度要求較高的場合，但是，齒輪傳動經(jīng)常需要專人看護(hù)和日常保養(yǎng)，不適用于遠(yuǎn)距離的動力傳輸，且其重量很大，無法滿足本設(shè)計減輕整機(jī)重量的要求。綜上所述，本設(shè)計選用的減速裝置類型為帶傳動，即摩擦型的普通V帶傳動。優(yōu)化后的減速裝置參數(shù)為：傳動比設(shè)置i=2，帶輪最大轉(zhuǎn)速415轉(zhuǎn)/分，小帶輪基準(zhǔn)直徑50mm，大帶輪的直徑100mm，帶速V=1m/s，中心距269mm，V帶基準(zhǔn)長度2050mm。由于本設(shè)計的動力傳輸距離較短，負(fù)載較小，且轉(zhuǎn)速較低，因而選擇單帶進(jìn)行傳動。

3.4 框架的優(yōu)化設(shè)計

在綜合考慮框架設(shè)計中其他零部件的安裝要求，以及整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的緊湊性和穩(wěn)定性，并且避免懸臂梁的出現(xiàn)等多方面因素之后，本設(shè)計優(yōu)化后的主體框架如圖4所示。

圖4 主體框架

3.5 輸送裝置的優(yōu)化設(shè)計

本設(shè)計中所采用的輸送裝置如圖5所示，其承受的壓力較小，對整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度要求較低。本設(shè)計選用尼龍棒作為輸送裝置的主體材質(zhì)，尼龍棒硬度較低，對加工設(shè)備和刀具無特殊要求，使用普通車床即可完成輸送裝置的制造過程。在保證正常使用和降低成本、重量的前提條件下，能夠滿足本設(shè)計的要求。

圖5 輸送裝置

[1]羅禮進(jìn)，肖臣鴻，劉 星，等.基于“STC80C51單片機(jī)”的智能小車系統(tǒng)的設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2016（17）：115-117.

[2]董祥龍，李中會.一種基于Solidworks的新型硬幣鑒偽分揀機(jī)設(shè)計[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010（11）：83-90.

[3]王廣超.一種圓金屬片自動分類裝置的設(shè)計[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

[4]錢鴻志，胡天立，陳 智.等.一種基于STC80C51單片機(jī)的智能硬幣分揀機(jī)的設(shè)計[J].無線互聯(lián)科技，2017（14）：107-109.

[5]蔣 偉，荊學(xué)東.全自動硬幣包裝機(jī)中堆幣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)改造及設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2011（18）：34-37.

Optimization Design of Intelligent Coin Screening Machine

SUN Lina
（Institution of Mechanical Engineering，Jilin Agriculture Science and Technology University，Jilin 132101，China)

The intelligent coin screening machine is a device which can automatically and effectively screen four kinds of coins with different diameters.The main structure of this machine comprises the power device，the speed reduction device，the conveying device and the sieving device.In this paper，the optimization design of the general structure of the intelligent coin screening machine（i.e.whole mechanical system)and its key components（including the sieve plate，the speed governing motor，the speed reducer，the frame and the conveying device)have been carried out.There are two significant advantages for this new machine：labor saving and higher efficiency.It can deal with the heavy coin screening work in banking，supermarkets and public bus service.The design can lead to a wide market prospect as well as important economic and socialvalue.

intelligent coin screening machine；overall structural design；optimization design of component and part

TH693

A

2017-09-26

孫麗娜（1978-），女，吉林省吉林市人，講師，從事機(jī)械設(shè)計制造及其自動化研究。

李延霞