梁烘嘉，鮑家定，楊孟杰，寧立旅，陳民廣

（桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林541004）

0 引言

眾所周知，硬幣在社會(huì)生活中扮演著舉足輕重的角色，它的身影遍布了中國(guó)的每一座城市乃至世界的許多角落。目前，像公交系統(tǒng)、銀行、商場(chǎng)這些場(chǎng)合都有大量的硬幣在流通，然而對(duì)硬幣幣進(jìn)行分類，清點(diǎn)和整理，耗費(fèi)了大量的人力物力。近年來(lái)，雖然有許多錢(qián)幣分離機(jī)的產(chǎn)生，但它們的功能往往比較單一，往往只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的分離，而且存在較大的誤差?，F(xiàn)存的硬幣分揀機(jī)器有幾種類別：1）大型的流水線式：靠光感識(shí)別硬幣、儀器設(shè)備制造成本高、機(jī)型龐大不適合普及；2）小型分選機(jī)，生產(chǎn)成本低經(jīng)濟(jì)性較好、但是篩選效率很低，還是很依賴人力?？紤]上訴原因，采用機(jī)械滾筒分離和光電計(jì)數(shù)相結(jié)合來(lái)設(shè)計(jì)了新型多功能硬幣整理機(jī)，既能高效準(zhǔn)確的大量分離硬幣，又能使經(jīng)濟(jì)效益最高，成本降到最低。

1 方案設(shè)計(jì)

目前公共交通錢(qián)幣（僅限硬幣）中，壹元硬幣占的比重最大，其次是伍角的幣種，壹角的幣種在公共交通系統(tǒng)中幾乎是看不到的，但在商場(chǎng)、銀行這些場(chǎng)合，壹角的幣種還大量存在。因此本設(shè)計(jì)不僅可應(yīng)用在公共交通系統(tǒng)，也可應(yīng)用到商場(chǎng)、銀行等機(jī)構(gòu)。

1.1 工作原理

如圖1的流程所示，首先硬幣從進(jìn)幣漏斗進(jìn)入滾桶分離單元，在滾桶離心分離單元中完成壹元硬幣的分離與傳出。經(jīng)過(guò)滾桶分離單元后，壹角與伍角的硬幣會(huì)被送至高寬限制單元并進(jìn)入膠杯分離單元完成分離過(guò)程。分好的硬幣通過(guò)滑道傳出，在此過(guò)程中完成各類硬幣的計(jì)數(shù)。

圖1 硬幣整理機(jī)原理流程圖

其整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 硬幣整理機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1.1.1 滾筒的設(shè)計(jì)

根據(jù)螺旋推進(jìn)原理[1]，在滾筒內(nèi)部設(shè)計(jì)的時(shí)候加上了螺旋推送結(jié)構(gòu)，當(dāng)連續(xù)不斷地不同面值的硬幣從一邊的進(jìn)幣口送進(jìn)時(shí)，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)整個(gè)滾筒旋轉(zhuǎn)，硬幣就會(huì)順著螺旋軌道向另一邊運(yùn)動(dòng)，而在螺旋紋路之間的滾筒壁開(kāi)有除一塊都能通過(guò)的孔，孔形狀相同，大小相等，均勻這些孔順著螺紋一直到出口處，當(dāng)混合的硬幣通過(guò)這些孔時(shí)，可以將伍角和壹角的分離出來(lái)，剩下壹元的通過(guò)滾筒送出到計(jì)數(shù)裝置中，而伍角的和壹角的硬幣進(jìn)入下一個(gè)分離機(jī)構(gòu)中。對(duì)比其他結(jié)構(gòu)，分析它們的劣勢(shì)，基于方案設(shè)計(jì)，就選擇了這種高效精確的螺旋滾筒結(jié)構(gòu)如圖3所示[2]。

圖3 滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1.1.2 光電計(jì)數(shù)顯示控制單元的設(shè)計(jì)

利用傳送帶循環(huán)的特點(diǎn)使得膠杯分離[3]能夠連續(xù)高效地運(yùn)行。這樣不僅大大地降低了成本。如果在實(shí)際應(yīng)用方面可以橫向或者縱向加大膠杯分離裝置的數(shù)量。這樣就可以大量的對(duì)壹角和伍角的硬幣進(jìn)行分離，完全避免了大型的流水線式：靠光感識(shí)別硬幣、儀器設(shè)備制造成本高、機(jī)型龐大不適合普及的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。

1.1.3 皮帶運(yùn)輸膠杯分離單元的設(shè)計(jì)

此分離原理是主要依靠壹角與伍角硬幣具有2 mm的直徑差距，壹角硬幣經(jīng)過(guò)滑道流到固定在兩條HTD-7M型號(hào)的傳送帶上，因?yàn)橐冀堑挠矌胖睆叫∮谀z杯口直徑故流到下一層，而如果是伍角的硬幣就會(huì)留在膠杯上，然后膠杯隨著傳送帶進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，待杯口朝下是伍角硬幣倒落在滑道上。如圖4所示。

圖4 皮帶運(yùn)輸膠杯分離單元結(jié)構(gòu)圖

1.1.4 軸承的選型

由于本設(shè)計(jì)是用在硬幣分離這一領(lǐng)域，需要考慮到耐磨性性、抗震性、密度、導(dǎo)熱性等特點(diǎn)，故選用KFL002鋅合金軸承[4]。

1.1.5 電機(jī)的選型

由于電機(jī)是負(fù)載工作，并且要具備有一定的調(diào)速范圍，所以本設(shè)計(jì)中所選用的電機(jī)必須滿足減速比大、傳遞的扭矩大的特點(diǎn)，故設(shè)計(jì)中選用JGY-370減速電機(jī)。

1.2 參數(shù)計(jì)算

滾桶的材料為鐵，其密度為7 850 kg/m3，所選鐵皮的厚度為3 mm，滾桶的直徑為200 mm，長(zhǎng)度為400 mm，滾桶壁上所開(kāi)的孔的直徑為20 mm，共有110個(gè)孔。故

壁孔的總面積為

制作滾桶的鐵板總面積為

滾桶的有效面積為

S有效＝S總-S壁孔＝0.25-0.035＝0.125 m2

滾桶的有效體積為

滾桶的質(zhì)量為

由于本設(shè)計(jì)考慮到實(shí)際中所放的硬幣的量的問(wèn)題，故選用減速比較較大的調(diào)速電機(jī)，其調(diào)速范圍為27 r/min～270 r/min，經(jīng)實(shí)際調(diào)試，轉(zhuǎn)速為60 r/min，裝置的分離效果最好。以每分鐘分離500枚硬幣為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，包括壹元硬幣300枚、伍角硬幣100枚、壹角硬幣100枚，硬幣的參數(shù)如表1所示。

表1 硬幣參數(shù)表

分離單元在滿載時(shí)所受離心力

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為

轉(zhuǎn)矩

根據(jù)轉(zhuǎn)矩與功率的關(guān)系

可得

p=18 W

故選擇24 W的電機(jī)，保證滿足工作負(fù)載需求。

1.3 具體實(shí)施方式及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

離心分離單元主要由表面帶孔的圓筒、螺旋片、撐圈及轉(zhuǎn)動(dòng)裝置組成，水平放置的圓筒內(nèi)徑為Φ200 mm，總長(zhǎng)為400 mm，圓筒表面的孔直徑為Φ23 mm并沿著螺旋片所形成的軌道均勻分布，兩孔間的圓心距為29 mm，螺旋片外徑為Φ200 mm，內(nèi)徑為150 mm，厚度為3 mm，螺旋片按螺距為66 mm排列在圓筒內(nèi)壁上，撐圈位移圓筒的內(nèi)部，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置位于圓筒的一端，當(dāng)硬幣進(jìn)入離心分離單元后，壹角和伍角的硬幣會(huì)通過(guò)圓筒表面的孔掉出并進(jìn)入高寬限制單元，面額為壹元的硬幣則會(huì)在離心力的作用下沿著圓筒內(nèi)的螺旋片構(gòu)成的軌道從圓筒的一端傳出到壹元滑道。

高寬限制單元包括傳送帶、限高構(gòu)件、限寬擋邊組成，傳送帶面寬25 mm，總長(zhǎng)為600 mm，限高構(gòu)件與傳送帶表面的距離為1.5 mm，壹角與伍角的硬幣滑落到傳送帶上，通過(guò)傳送帶兩邊的限寬擋板和距離傳送帶2.5 mm的限高擋板的配合，就可以使得滑落的硬幣能單個(gè)、不疊加的輸送到膠杯分離單元。

膠杯分離單元包括2條傳送皮帶和若干個(gè)膠杯漏斗組成，膠杯漏斗的上口尺寸為40 mm×40 mm，下口為Φ20 mm，兩條傳送皮帶并排置于同一平面上，而14個(gè)膠杯漏斗則置于兩傳送皮帶所形成的空隙上，在運(yùn)行時(shí)，膠杯漏斗與傳送皮帶同步，由于壹角硬幣直徑小于膠杯漏斗下口直徑則掉入下方的壹角滑道，而伍角硬幣則會(huì)留在膠杯漏斗內(nèi)，待杯口朝下時(shí)伍角硬幣掉落到伍角滑道上。

光電計(jì)數(shù)單元包括光電傳感器、顯示屏、驅(qū)動(dòng)電路板組成，光電傳感器安裝在每個(gè)滑道的末端，當(dāng)有硬幣通過(guò)時(shí)會(huì)將信號(hào)傳回控制板，計(jì)算出硬幣的種類、個(gè)數(shù)和總額。

2 實(shí)驗(yàn)

按以上設(shè)計(jì)，制造裝配出的原型機(jī)如圖4所示。以此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)實(shí)際的測(cè)試，當(dāng)滾桶的轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí)，裝置的分離效果最佳，每分鐘分離硬幣的個(gè)數(shù)為514枚，達(dá)到了原先設(shè)計(jì)的每分鐘500枚的分離數(shù)量。該項(xiàng)目研究實(shí)現(xiàn)了壹元、伍角、壹角的硬幣分離與計(jì)數(shù)。采用滾桶分離與膠杯分離兩種方式結(jié)合大大提高了硬幣的分離效率，并且實(shí)現(xiàn)了三種不同大小的硬幣的分離。

圖4 新型多功能硬幣整理機(jī)實(shí)體效果圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了硬幣的構(gòu)成和主要特征，并結(jié)合銀行的硬幣回收規(guī)程，研究適合公共交通的硬幣清點(diǎn)、整理的方法和總體技術(shù)方案，確定和設(shè)計(jì)了多功能硬幣整理機(jī)的功能模塊，并經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)、方案的可行性。該多功能硬幣整理機(jī)：（1）利用螺旋軌道滾桶能對(duì)數(shù)量較多的硬幣進(jìn)行快速的分離，提高了機(jī)器的分離效率，達(dá)到多、快、準(zhǔn)要求；（2）特殊的錐型漏斗結(jié)構(gòu)能夠精確的分離壹角、伍角幣種，避免了硬幣因磨損等原因產(chǎn)生微小變形而導(dǎo)致分離誤差這一問(wèn)題；（3）將分離、計(jì)數(shù)融合于一體，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。

參考文獻(xiàn)：

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