鄭飛杰 ，李源清 ，熊昌炯 ，周輔坤

（1.三明學(xué)院 機電工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.機械現(xiàn)代設(shè)計制造技術(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，每天都會流通大量的硬幣[1]。那么，如何快速有效地來對這些硬幣進(jìn)行分類、整理、計數(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、整理的機器，它們要么結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉但效率較低、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，目前國內(nèi)的現(xiàn)狀是，硬幣清分裝置僅在一小部分銀行的后臺出現(xiàn)，且利用率極低，整體普及率和使用率不及國外的相關(guān)領(lǐng)域。相比之下，在自動化水平還達(dá)不到發(fā)展需求的情況下，在大多數(shù)場合里，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進(jìn)行設(shè)計相應(yīng)的清分裝置，實現(xiàn)有效清分的工作模式。通過對硬幣清分原理的理解，分析當(dāng)下的清分機器，主要都是利用離心轉(zhuǎn)盤、震動裝置、滑槽漏孔、滑槽漏縫、傳送帶、臥式直線軌道、螺旋立式軌道等機構(gòu)，將硬幣進(jìn)行清分、整理。而這樣的裝置，不但在設(shè)計方面，就是在實際使用過程中還是存在不少的難點：(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)要保證硬幣在計數(shù)區(qū)逐個通過，方便計數(shù)；(3)要結(jié)構(gòu)簡單、體積小且確保分離的準(zhǔn)確性；(4)要規(guī)避大量硬幣對硬幣清分機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)計一款價格低、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

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)計采用傾斜式滑槽，利用硬幣自身重力順勢往下滑，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)確地實現(xiàn)硬幣清分。圓孔之所以不使用蜂窩狀錯落分布是由于圓孔之間的間隔Δl越小，則會影響滑道的剛度。

圖1 清分原理示意圖

2.2 計數(shù)原理

利用開關(guān)式光電傳感器進(jìn)行硬幣的計數(shù)，這類脈沖式光電開關(guān)要求光電元件靈敏度高，而對光電特性的線性要求不高，其計數(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個硬幣陸續(xù)通過圖示位置時，使光電脈沖電路產(chǎn)生N個脈沖信號，使其在其輸出端輸出相對應(yīng)的電脈沖信號。然后通過計數(shù)電路對輸出信號的下降沿進(jìn)行檢測并由LED數(shù)碼顯示管將計數(shù)結(jié)果顯示出來。

圖2 計數(shù)原理圖

2.3 方案設(shè)計

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，動力裝置等五個主要部分構(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)行計算及實驗裝置的試驗分析，得出一個全新的最為適合本清分機器的滑道長度和傾角（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，滑道總長為543 mm，使得硬幣能充分利用自身的重力順勢下滑，分揀速度更快，效率更高。

為能更好地解決前面所述的4個難點問題，在圖3所示清分裝置基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過針對性設(shè)計的不同方案分析和實驗驗證，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，出錯率高達(dá)3.2%。經(jīng)過測試觀察發(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，但會造成硬幣重疊著下滑，或者是下滑速度過快發(fā)生跳動，越過篩幣板的篩孔，直接滑入一元的收集管道。針對硬幣會重疊下滑的問題加了個斜擋板，通過實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)計方案的數(shù)據(jù)對比

鑒于上述情況，利用小舵機與凸輪結(jié)構(gòu)制作一個微振動裝置，通過舵機帶動偏心輪轉(zhuǎn)動與滑槽相連接產(chǎn)生輕微振動。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挠矌拍軌蚧顒硬⒗^續(xù)下滑。通過樣機驗證的過程中發(fā)現(xiàn)若舵機速度過快則振動過大會導(dǎo)致硬幣飛過篩幣區(qū)，即出現(xiàn)錯誤的情況。通過反復(fù)實驗測試記錄數(shù)據(jù)，選用舵機的PWM輸出值在300左右，來提高分揀硬幣的準(zhǔn)確率。

2.4 優(yōu)化設(shè)計

清分裝置上加舵機來進(jìn)行微振動處理后，確實能解決硬幣在滑槽內(nèi)的堵塞問題，但其最佳振動頻率不好確定，無法達(dá)到理想的使用效果。便改變思路，舍棄舵機振動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)采用柔韌性強的布。工作時，與傳送帶相同的那邊不需要動力源，只需帶動另一邊凸輪軸以較低的速率轉(zhuǎn)動，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清分機產(chǎn)生沖擊。

改進(jìn)設(shè)計具體如圖5所示，裝置包括五大部分：送幣裝置，篩幣滑槽，緩沖計數(shù)裝置、收集裝置及動力裝置。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硬幣厚度高，通過斜擋板上的毛刷對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后就進(jìn)入緩沖計數(shù)裝置，如圖6所示，硬幣將在緩存管中一個個地排序，緩沖管底下的圓盤可以起開關(guān)作用，通過轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動有序進(jìn)入計數(shù)區(qū)，確保計數(shù)的準(zhǔn)確性。

圖4 勻速進(jìn)料機構(gòu)圖

圖5 改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 緩沖計數(shù)區(qū)結(jié)構(gòu)圖

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

3 結(jié)論

本設(shè)計的裝置適用于需要大量人力進(jìn)行硬幣分類、清點和整理的場所，可實現(xiàn)對混雜硬幣分揀、計數(shù)及整理的功能。清分機的優(yōu)點在于其勻速進(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)入計數(shù)區(qū)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，占用空間面積較小，分離迅速。文中對結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化及清分原理進(jìn)行了詳細(xì)闡述，通過對樣機進(jìn)行測試中發(fā)現(xiàn)問題并及時解決設(shè)計上的缺陷，一步步改進(jìn)設(shè)計，使產(chǎn)品樣機經(jīng)過反復(fù)實驗基本上都達(dá)到零誤差清分。

參考文獻(xiàn)：

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［4］郁有文，常健，程繼紅.傳感器原理及工程應(yīng)用［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2014.

［5］林洪貴.基于分離盤的硬幣清分機實例介紹［J］.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2007 （9）：280－281.

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