鄔宗鵬， 王瓊， 周孟洋， 呂彪強(qiáng)， 陳彬

（安徽工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新教育學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002）

0 引言

近年來，隨著社會的發(fā)展以及硬幣的大量流通，國內(nèi)很多銀行、公交公司、超市等場所硬幣分揀還采用人工操作，耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力成本，造成資源浪費(fèi)；目前市場上現(xiàn)有硬幣自動(dòng)分揀機(jī)往往只有分揀功能沒有收集整理功能，且多數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，缺少使用價(jià)值。因此，硬幣清分自動(dòng)化成為迫切的社會需求。

1 總體方案

1.1 設(shè)計(jì)思路

通過調(diào)查硬幣的資料，可以明確各個(gè)面值硬幣的規(guī)格和其他參數(shù)。根據(jù)實(shí)際情況，市面上流行的硬幣為第四套和第五套人民幣：1）第四套人民幣（1992年6月1日發(fā)行）。1角硬幣，材質(zhì)為鋁鎂合金；5角硬幣，材質(zhì)為銅鋅合金；1元硬幣材質(zhì)為鋼芯鍍鎳。2）第五套人民幣（2000年10月16日發(fā)行）。1角硬幣，材質(zhì)為鋁合金；2005年8月31日發(fā)行的1角硬幣，材質(zhì)為不銹鋼；5角硬幣（2002年11月18日發(fā)行），材質(zhì)為鋼芯鍍銅合金；1元硬幣（2000年10月16日起發(fā)行），材質(zhì)為鋼芯鍍鎳。

根據(jù)實(shí)際測量和磁性檢測，得出結(jié)果如表1所示。

表1 4種不同硬幣的數(shù)據(jù)檢測

根據(jù)表格中的信息，可以按照硬幣的直徑、厚度、重量來區(qū)分硬幣種類。在檢測儀器精度很高的前提下，按照以上條件來區(qū)分硬幣種類是可行的。

1.2 方案比較

方案A：根據(jù)所測硬幣,各個(gè)面值的硬幣直徑有一定的差距，可以通過打固定大小的孔徑來篩選各個(gè)面值的硬幣。

方案B：根據(jù)硬幣厚度的測量，可以發(fā)現(xiàn)其中5角硬幣和1角硬幣（新）的厚度只相差0.02 mm，基于本團(tuán)隊(duì)的加工能力和精度，無法實(shí)現(xiàn)通過硬幣厚度來篩選硬幣。

方案C：根據(jù)硬幣重量數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)其中5角硬幣和1角硬幣（新）的重量只相差0.6 g,基于加工能力和精度，無法實(shí)現(xiàn)通過硬幣重量來篩選硬幣。

通過比較各個(gè)方案，最終確定方案A為硬幣的篩選方法。

1.3 最終方案

硬幣清分機(jī)主要由2部分組成：硬幣清分系統(tǒng)和硬幣收集系統(tǒng)（如圖1所示）。整個(gè)裝置包括機(jī)架、旋轉(zhuǎn)分揀機(jī)構(gòu)、橫向分揀機(jī)構(gòu)及計(jì)數(shù)存儲裝置等。硬幣清分系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)為滾筒式容器和多級網(wǎng)孔篩板機(jī)構(gòu)，如圖2和圖3所示。滾筒與多級網(wǎng)孔篩板的配合實(shí)現(xiàn)了分幣、移動(dòng)、收集等多種功能，基于各硬幣直徑差異，分級依次篩出1角（新）、1角（舊）、5角和1元硬幣，進(jìn)入各自通道后，來到硬幣收集系統(tǒng)，通過光電傳感器清點(diǎn)數(shù)目，利用懸掛式集幣筒裝置收集打包，從而完成硬幣的清分工作。

滾筒和多級篩選板共同組成分離式滾筒，可以實(shí)現(xiàn)孔徑的自由切換。攪拌體在滾筒內(nèi)攪拌硬幣，電動(dòng)推桿推動(dòng)多級篩板切換孔徑。

1.4 工作原理

圖1 硬幣清分機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 滾筒

圖3 多級篩選板

將硬幣裝入漏斗，落進(jìn)滾筒，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。與滾筒相互配合的多級篩選板開有與硬幣大小相仿的孔，隨著電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)攪拌體旋轉(zhuǎn)，與孔徑相對應(yīng)的硬幣從篩選板分離出來，光電計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，落入集幣筒收集，隨后電動(dòng)推桿啟動(dòng)帶動(dòng)多級篩選板移動(dòng)，將另一直徑的孔置于滾筒下方，如此反復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)硬幣的計(jì)數(shù)清分。

1.5 創(chuàng)新點(diǎn)

如圖4所示，該分離式滾筒硬幣清分機(jī)的創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在分離式多級篩選板與滾筒的配合，實(shí)現(xiàn)多種功能：1）通過可編程控制的電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)篩選板的自由切換孔徑；2）通過攪拌體在滾筒內(nèi)攪拌硬幣清分硬幣；3）通過篩選板下面的懸掛式集幣筒計(jì)數(shù)收集硬幣。

圖4 分離式滾筒

2 機(jī)械系統(tǒng)

硬幣清分機(jī)整個(gè)裝置的機(jī)械系統(tǒng)由4個(gè)部分構(gòu)成，分別是機(jī)架、旋轉(zhuǎn)分揀機(jī)構(gòu)、橫向分揀機(jī)構(gòu)、計(jì)數(shù)存儲裝置，其中橫向分揀機(jī)構(gòu)位于旋轉(zhuǎn)分揀機(jī)構(gòu)下方，計(jì)數(shù)存儲裝置位于橫向分揀機(jī)構(gòu)的下方，這3個(gè)機(jī)構(gòu)在機(jī)架內(nèi)部呈上中下3層放置。

2.1 機(jī)架

硬幣清分機(jī)的機(jī)架的三維模型如圖5所示。為了便于加工、修改以及安裝方便，設(shè)計(jì)過程嘗試了多種方案，并綜合考慮來選擇最優(yōu)方案，加工制作機(jī)架部分。

1）在制作第一版的時(shí)候，考慮到加工、價(jià)格以及材料普遍性，機(jī)架的材料選擇了鋁合金板，但是在加工安裝后發(fā)現(xiàn)鋁合金板雖然密度不大，但是在這里依然顯得有些沉重，并且鋁合金板并不透明，在觀察內(nèi)部情況時(shí)并不方便，考慮后選擇更換材料。由于有機(jī)玻璃具有很高的透明度、材料的穩(wěn)定性好，又易于加工，價(jià)格方面與鋁板差異不是很大。在綜合考慮下，選用有機(jī)玻璃板作為機(jī)架材料。

2）在機(jī)架的加工制作方面，由于選用了有機(jī)玻璃板這種便于加工的材料，所以可以有很多加工方法。由于需要保證配合精度，故采用激光切割的方式來制作機(jī)架，其次，要盡量使得加工簡化，故沒有采用螺紋連接而是換用了槽連接，這種連接方式會在調(diào)試的過程中簡化安裝拆卸過程。

圖5 硬幣清分機(jī)機(jī)架

圖6 旋轉(zhuǎn)分揀機(jī)構(gòu)

2.2 旋轉(zhuǎn)分揀機(jī)構(gòu)

硬幣清分機(jī)裝置的旋轉(zhuǎn)分揀機(jī)構(gòu)主要由滾筒固定架、滾筒前后蓋、滾筒、減速電動(dòng)機(jī)、攪拌葉片等構(gòu)成，如圖6所示。

整個(gè)機(jī)構(gòu)采用滾筒固定架和電動(dòng)機(jī)固定架固定在機(jī)架上，其中電動(dòng)機(jī)軸與傳動(dòng)軸之間的連接，由于尺寸很小很難采用鍵連接，故最終采用螺釘鎖緊的連接方式，而整個(gè)機(jī)構(gòu)最重要的部分是由滾筒、傳動(dòng)軸、攪拌葉片和連接桿構(gòu)成的攪拌裝置，硬幣從滾筒上方開的孔中放入攪拌桶，隨攪拌葉片攪動(dòng)，故葉片與滾筒之間的配合是至關(guān)重要的，在設(shè)計(jì)時(shí)將攪拌葉片頂端設(shè)計(jì)成圓弧狀，從而與滾筒緊密貼合，滾筒的圓柱面上開有進(jìn)幣口和出幣口，進(jìn)幣口是40 mm×40 mm的正方形，出幣口與之相對并且與分揀板相配合。

1）對于傳動(dòng)軸、攪拌桿和攪拌葉片，由于傳動(dòng)力矩以及需要攪動(dòng)硬幣，這時(shí)再采用非金屬材料就顯得不夠用了，故這3個(gè)部件采用鋁合金制作；同樣固定架需要固定住整個(gè)機(jī)構(gòu)，故而選用鋁合金制作；與機(jī)架一樣為了便于觀察，套筒與端蓋使用有機(jī)玻璃制作。

圖7 橫向分揀機(jī)構(gòu)

2）滾筒后蓋、滾筒、滾筒前蓋和攪拌葉片這4個(gè)零件，由于需要較高的配合精度而且含有曲面，綜合考慮之下采用數(shù)控銑床來加工零件；而傳動(dòng)軸和連接桿均是回轉(zhuǎn)件，故使用普通車床即可加工完成；對于滾筒固定架和電動(dòng)機(jī)固定架，這兩者起到固定作用并不需要太高的配合精度，故最終采用普通銑床加工。

2.3 橫向分揀機(jī)構(gòu)

硬幣清分機(jī)裝置的橫向分揀機(jī)構(gòu)主要由電動(dòng)推桿、分揀板、連接桿、連接塊等構(gòu)成，如圖7所示。

其中電動(dòng)推桿由電動(dòng)推桿固定片、電動(dòng)推桿底座固定在機(jī)架上，電動(dòng)推桿最前端開有通孔，連接塊上開有與之同軸的直孔，二者通過連接桿連接，連接塊又通過螺紋連接件與分揀板連接，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)分揀板隨著推桿的伸縮而運(yùn)動(dòng)的功能。

圖8 計(jì)數(shù)存儲裝置

1）電動(dòng)推桿是購買的成品；電動(dòng)推桿固定片、電動(dòng)推桿底座起到固定作用，故分別使用銅片和鋁合金板制作；對于分揀板、連接塊，為了便于觀察和加工，以及盡量保證整個(gè)分幣機(jī)的材料一致性，同樣采用有機(jī)玻璃制作；而對于起傳動(dòng)連接作用的連接桿，與傳動(dòng)軸采用同樣的鋁合金棒材料。

2）電動(dòng)推桿固定片采用薄銅片制作，由于銅片彎曲性能較好，所以可以直接使用老虎鉗彎制成所需形狀；電動(dòng)推桿底座和連接塊與旋轉(zhuǎn)分揀機(jī)構(gòu)的固定座類似，故可采用銑床銑削加工；對于整個(gè)機(jī)構(gòu)中最重要的分揀板零件，由于有著曲面的存在并且需要很高的配合精度，故采用數(shù)控銑床銑削加工，其上開有與不同硬幣直徑相對應(yīng)的漏幣孔；對于連接桿，由于它是回轉(zhuǎn)件，故可以采用普通車床車削加工。

2.4 計(jì)數(shù)存儲裝置

硬幣清分機(jī)裝置的計(jì)數(shù)存儲裝置由集幣筒和光電計(jì)數(shù)器構(gòu)成，如圖8所示。

集幣筒與分揀板上的孔一一對應(yīng)，并且通過螺紋連接在分揀板上，硬幣從漏幣孔中落下便會掉入集幣筒中，每掉落一個(gè)硬幣，光電計(jì)數(shù)器便會記錄一個(gè)數(shù)據(jù)，以此來統(tǒng)計(jì)硬幣總數(shù)，集幣筒上還刻有刻度線，在沒有光電計(jì)數(shù)器的情況下，可以通過刻度線讀數(shù)得知硬幣的具體數(shù)量。

集幣筒為了保證計(jì)數(shù)讀數(shù)功能需要采用透明材料，由于直徑不大，有機(jī)玻璃不易于加工，所以使用薄塑料管，光電計(jì)數(shù)器是購買的成品。

3 結(jié)語

歷經(jīng)幾個(gè)月的時(shí)間，團(tuán)隊(duì)成員付出巨大的努力和精力，分工協(xié)作，最終完成了分離式滾筒硬幣清分機(jī)樣機(jī)。

本機(jī)采用根據(jù)硬幣直徑的大小對幣值進(jìn)行清分的方法，雖然不具備辯偽功能，但可以對目前市場的硬幣快速準(zhǔn)確按幣值進(jìn)行分類、計(jì)數(shù)，而且系統(tǒng)具備擴(kuò)展的潛能，針對不同使用場合在材料及尺寸等方面做出調(diào)整，從而適用于城市公交公司、商貿(mào)、銀行、超市等諸多方面，而且操作簡單，制作成本較低，能夠有效地利用人力、物力資源，相比國外進(jìn)口清分機(jī)具有很大的價(jià)格優(yōu)勢，其應(yīng)用前景十分廣闊。

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