王 鵬，王 瑩，趙浩甲，2

(1.西安航空學院 機械工程學院， 陜西 西安 710077；2.西安工業(yè)大學 機電工程學院，陜西 西安 710032)

0 引 言

隨著社會的發(fā)展，硬幣需求量日益增加，在日常生活中扮演著越來越重要的角色。硬幣規(guī)格統(tǒng)一、易于識別、不易磨損，可進行長時間的流通[1]。由于硬幣清分技術的不完善，導致有大量的硬幣來往的行業(yè)如地鐵、公交公司、大型商場等，它們大都以手工方式來清分計算[2]，通過調(diào)查和了解發(fā)現(xiàn)硬幣手工處理工本高，需要耗費大量的人力、物力和財力，而且人為誤差不可避免[3-4]。由于國內(nèi)外貨幣體系不同，國外的硬幣清分鑒別裝置不能很好地滿足我國的需求[5]。

尹金龍等[6]在基于圓弧分離軌道的硬幣清分裝置的研制一文中指出，通過離心盤在電機的帶動下旋轉，利用離心力將混合的硬幣分開，輸出后用刻有不同的空心槽圓弧形軌道進行分離從而實現(xiàn)不同硬幣的分離；梁艷[7]提出采用曲柄搖桿裝置使篩箱振動，從而打動對各種面額的硬幣進行分離；張雨萍[8]提出在公交車投幣箱中采用毛刷完成過濾工作，對硬幣和紙幣進行分離，在分離盤上有基于不同面額硬幣設計的卡槽對硬幣進行分類，隨后收集到不同的收集桶中；陳光等[9]在一種階梯式軌道硬幣清分機的研究中指出通過階梯式分離導軌對不同硬幣進行分離，分離后收集在不同的收集桶中，在收集桶上端口的傳感器記錄下硬幣的數(shù)目，桶中硬幣收集滿后下端的舵機旋轉適當?shù)慕嵌葘⑹占甑挠矌湃〕觯缓轮緜サ萚10]在所著文章中提出通過轉盤和分揀軌道實現(xiàn)對硬幣的初步分離；黃敏等[11]根據(jù)硬幣直徑的不同使硬幣從3個不同的滑道滑出，通過程序控制和推進器的配合將硬幣筒內(nèi)固定數(shù)量的硬幣推出，在旋轉儲存器中放有塑料包對硬幣進行包裝。

上述設計方法都對硬幣的分離、分類和收集等方面進行了設計和研究，但還存在以下問題：

(1)對于如何通過結構完成對硬幣的整理、包裝和計數(shù)等工作略顯不足；

(2)個別裝置采用程序控制和推進器等電氣設備，增加了設備成本。

本文提出的設計方案將利用機電一體化裝置對硬幣進行分離，整個設備由分離系統(tǒng)、收集系統(tǒng)、整理系統(tǒng)、計數(shù)系統(tǒng)等4個系統(tǒng)組成；原動機采用交流電動機，不需要軟硬件控制；通過各個系統(tǒng)的設備裝置可實現(xiàn)對硬幣的分離、收集、整理、計數(shù)等功能。

1 硬幣分離機的清分原理

該設計根據(jù)我國第五版不同面額的硬幣物理屬性不同，包括：直徑、重量、厚度、材質(zhì)等基本屬性，可以對硬幣實現(xiàn)分離、收集、整理、計數(shù)等。

第五版硬幣的基本屬性如表1所示。

表1 硬幣物理屬性表

2 硬幣分離機工作原理

該裝置包括硬幣調(diào)速裝置、攪拌裝置、分離裝置、傳動裝置、傳輸裝置、收集裝置、整理裝置、計數(shù)裝置、振動裝置、減速裝置等。

首先，本研究根據(jù)硬幣的直徑差異，對硬幣進行第一次篩選，如果沒有徹底分離，再通過鏤空裝置對硬幣進行第二次篩選；其次，根據(jù)硬幣自重力作用和外形特征，通過相應的裝置對硬幣進行傳輸、收集及整理；最后，根據(jù)不同面額硬幣厚度尺寸的不同，通過在收集裝置刻有特定的尺寸線可直接讀出所收集硬幣的數(shù)量。

硬幣分離機工作原理如圖1所示。

圖1 硬幣分離機工作原理圖

通過調(diào)速裝置開口大小的不同可以控制硬幣流量；電機(經(jīng)減速裝置和繞行聯(lián)軸器)驅(qū)動葉輪轉動可使硬幣進行離心運動，根據(jù)硬幣的直徑差異通過圓形篩板對其進行第一次分離；五角硬幣漏下圓形篩板后由正心漏斗收集，隨后統(tǒng)一整理在錢幣收集盒中；根據(jù)一元硬幣的高度尺寸，通過圓形篩板底部的高度限位孔來保證一次只允許一個硬幣流出在外側圓環(huán)軌道上；圓環(huán)軌道為鏤空裝置可以對硬幣進行二次篩選(如一元和五角硬幣同時進入圓環(huán)軌道)和傳送；圓環(huán)軌道上裝有一元擋板可以把做圓周運動的硬幣撥到一元收集器中；一元收集器正下方的圓形限位板和錢桶均布板通過傳動系統(tǒng)對一元硬幣進行整理；根據(jù)一元硬幣的厚度在一元錢桶上刻有特定的刻度線，可直接讀出硬幣的數(shù)量；當小滑梯出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象時，通過凸輪機構產(chǎn)生小振幅、高頻率的振動可使硬幣順利流下。

五角收集裝置中正心漏斗的下方設置有五角收集器，五角收集器上設置有抽屜。一元收集裝置包括通過第二坐式軸承固定的第二軸，第二軸上安裝有大齒輪，大齒輪與小齒輪通過嚙合再與傳動系統(tǒng)連接，第二軸上且大齒輪上方安裝有錢桶均布板，錢桶均布板上安裝有一元錢桶，第二軸上一元錢桶的上方安裝有托盤，托盤開有與一元錢桶相對應的通孔，托盤上方設置有輸送管，輸送管上端開口位于有滑梯的下端，滑梯的上端位于傳輸裝置下方?；荼趁嬖O置有凸輪，凸輪安裝在第六軸上。硬幣調(diào)速裝置出口下方有圓形篩板，圓形篩板底板上的通孔直徑為?22 mm，圓形篩板下方為正心漏斗，圓形篩板外側有環(huán)形軌道，正心漏斗位于環(huán)形軌道下方，篩板側面底部有高度限位孔，環(huán)形軌道上設置有一元硬幣導向板，導向板下方為滑梯上端。圓形篩板與環(huán)形軌道之間的高度限位孔高度為3 mm。分離葉輪位于圓形篩板底板中心，基座的底部四角均安裝有萬向輪。

硬幣分離機總體結構如圖2所示。

圖2 硬幣分離機總體結構圖1—一角硬幣收集器及五角整理盒；2—漏斗；3—圓環(huán)軌道；4—圓形篩板；5—弧形葉輪；6—硬幣調(diào)速裝置；7—圓形限位板；8—一元錢桶；9—錢桶均布板

在該設計中，根據(jù)硬幣高度尺寸的不同通過圓形篩板底部高度限位孔控制硬幣流量，直接對篩板的結構改造設計來控制硬幣流量，節(jié)省了對硬幣流量控制裝置的設計；圓環(huán)軌道為鏤空裝置，根據(jù)一元和五角的直徑差異進行二次篩選，大大提高了硬幣的分離效率；葉輪的葉片設計為弧線形，可使硬幣進行離心運動，也同時減少了硬幣對圓形篩板的沖擊；凸輪機構設計為3個正三角形(尖角帶有弧度)均勻分布(兩兩相位差為40°)的結構，可使其產(chǎn)生小振幅.高頻率的振動；一元硬幣收集有特定的刻度線，根據(jù)硬幣高度可以對硬幣直接計數(shù)。

3 主要零部件結構

3.1 傳動裝置結構

傳動裝置是該設計中主要運動裝置通過電機同時驅(qū)動鏈傳動和帶傳動，鏈輪和分離葉輪同軸帶動分離葉輪運動，同時帶傳動帶動圓形軌道運動，進而帶動錐齒輪和圓柱齒輪運動。

總體傳動方案如圖3所示。

圖3 總體傳動方案

3.2 硬幣調(diào)速裝置結構

分離硬幣時，單次放入硬幣的量較多，會使弧形葉輪產(chǎn)生卡阻現(xiàn)象；相反如果放入的量太少則會影響工作效率。通過調(diào)節(jié)硬幣調(diào)速裝置的調(diào)速板開口大小的不同控制硬幣流量。

3.3 攪拌裝置結構

攪拌裝置的葉輪葉片設計為弧線形。在電機驅(qū)動下弧形葉輪可使硬幣進行離心運動，硬幣產(chǎn)生離心運動的同時，由于硬幣重力作用可以防止硬幣出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，進而硬幣可以依次從圓形篩板的高度限位孔傳送出，避免了卡阻現(xiàn)象的發(fā)生；并且相比于由篩板旋轉來讓硬幣產(chǎn)生離心力的裝置，很大程度上減小了具有離心作用的硬幣對篩板的沖擊作用，提高了分離裝置的穩(wěn)定性。

3.4 分離裝置

根據(jù)一元和五角硬幣的直徑差異，在弧形葉輪的作用下通過圓形篩板。底面上的特制圓孔(直徑：?22 mm)對其進行第一次篩選，基于一元硬幣自身的基本屬性，對篩板進行了機構上的改造設計，來實現(xiàn)對硬幣流量大小的控制并且防止卡阻現(xiàn)象的發(fā)生。

當硬幣量過大時可能會出現(xiàn)一元和五角同時進入圓環(huán)軌道，圓環(huán)軌道底面為鏤空裝置可以對混合硬幣進行第二次篩選和傳送，由于一元和五角的直徑差異，由于硬幣自身的重力作用，通過二次篩選提高了硬幣的分離效率。

3.5 收集裝置

根據(jù)硬幣自身的重力作用，五角硬幣漏下圓形篩板后由正心漏斗進行收集。隨后統(tǒng)一整理在五角收集器中，一元收集器正下方的圓形限位板和錢桶均布板通過鏈傳動、錐齒輪傳動和圓柱直齒輪傳動進行同步轉動對一元硬幣進行整理。

3.6 計數(shù)裝置

基于一元硬幣重力和外形的作用，當硬幣掉入一元錢桶時硬幣會自行落成一落；根據(jù)一元硬幣的厚度尺寸(1.85 mm)，在一元錢桶上刻有10個(18.5 mm)、20個(37 mm)、30個(55.5 mm)、40個(74 mm)、50個(92.5 mm)等特定的刻度線，可直接讀出收集硬幣的個數(shù)。

一元錢桶實物如圖4所示。

圖4 一元錢桶實物圖

3.7 振動裝置

當一元硬幣收傳輸裝置小滑梯處出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象時(同時有多個硬幣共同流下)，可通過電機驅(qū)動凸輪機構轉動(凸輪機構設計為3個正三角形兩兩相位相差40°均勻分布的結構)讓小滑梯產(chǎn)生小振幅、高頻率的振動可使卡阻的硬幣順利流下，相位差凸輪結構如圖5所示。

圖5 相位差凸輪結構示意圖

4 硬幣分離機原理樣機

本研究根據(jù)UG8.0制作該硬幣分離機的原理樣機運行進行驗證，通過該硬幣分離機工作可以實現(xiàn)1元、5角硬幣的成功分離，整理以及一元硬幣的計數(shù)功能。

硬幣分離機原理樣機如圖6所示。

圖6 原理樣機實物

5 結束語

本文設計了一種機械式硬幣分離機，通過常見機械結構，實現(xiàn)1元、5角硬幣的成功分離；通過整理倉，實現(xiàn)硬幣的分類和整理；通過一元計數(shù)錢筒，實現(xiàn)一元硬幣的計數(shù)；最終實現(xiàn)了硬幣的自動清分功能。該硬幣分離機具有以下優(yōu)點：

(1)可以高效率地進行硬幣分離、整理及計數(shù)，降低了勞動強度；

(2)在一些沒有電力的緊急情況下，仍然可以通過手柄進行人工操作，應急性高；

(3)不采用程序控制和推進器等電氣設備，降低設備成本結構簡單，成本低廉，提高了清分效率。

目前，該硬幣分離機還缺少對五角硬幣的整理和計數(shù)的功能，有待于接下來的研究中進行進一步的完善。

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