于松章，左義海

（1.太原工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，山西太原 030008；2.太原工業(yè)學(xué)院工程訓(xùn)練中心，山西太原 030008）

0 引言

在日常生活中，這樣的尷尬屢屢發(fā)生：乘坐公交車，身上沒(méi)有零錢，無(wú)奈把身上最小面額的10元紙幣投進(jìn)去默默流淚；市場(chǎng)賣菜找零沒(méi)硬幣，只好拿根蔥當(dāng)零錢；為了換點(diǎn)零錢，跑到街邊小店隨便買點(diǎn)東西；想到銀行兌換零錢，可是柜臺(tái)前卻排著很長(zhǎng)的隊(duì)；裝著滿滿一口袋硬幣，走起路來(lái)叮當(dāng)直響。

為便于銀行消化網(wǎng)點(diǎn)收納的硬幣、紙幣，提高硬幣使用率，減輕銀行柜臺(tái)的兌換壓力，方便市民自助兌換零錢，充分發(fā)揮各種面值錢幣的功能，從長(zhǎng)遠(yuǎn)上節(jié)約國(guó)家的造幣開支，本文作者基于慧魚模型設(shè)計(jì)一款錢幣兌換機(jī)[1-2]。

1 方案設(shè)計(jì)

該錢幣兌換機(jī)分為硬幣兌換系統(tǒng)、紙幣兌換系統(tǒng)和硬幣-紙幣兌換系統(tǒng)3部分，分述如下：

（1）硬幣兌換系統(tǒng)?？蓪?shí)現(xiàn)硬幣之間的兌換及整理，投入硬幣后，根據(jù)硬幣直徑的大小，可識(shí)別硬幣的面額，通過(guò)運(yùn)算，兌換出用戶所需的等額硬幣。

（2）紙幣兌換系統(tǒng)?？蓪?shí)現(xiàn)紙幣之間的兌換及整理，放入紙幣后，利用顏色傳感器，可識(shí)別紙幣的面額，通過(guò)運(yùn)算，兌換出用戶所需的等額紙幣。

（3）硬幣-紙幣兌換系統(tǒng)。可實(shí)現(xiàn)紙幣與硬幣之間的雙向兌換，投入硬幣（或紙幣）后，利用上述方法可識(shí)別其面額，通過(guò)運(yùn)算，兌換出用戶所需的等額紙幣（或硬幣）。

2 各部分機(jī)構(gòu)及工作原理

2.1 硬幣兌換系統(tǒng)

硬幣兌換系統(tǒng)包含硬幣投幣模塊、硬幣清分模塊、硬幣收納模塊、硬幣兌換模塊和硬幣包裝模塊[3-6]，分述如下：

（1）硬幣投幣模塊（圖1）。主體為傾斜的帶，在傳送帶末端設(shè)有限制硬幣流出的裝置，其高度僅容1個(gè)硬幣通過(guò)。將硬幣放入投幣區(qū)后，電機(jī)帶動(dòng)同步帶輪運(yùn)轉(zhuǎn)，由于同步帶傾斜，再加上擋板的阻攔作用，確保硬幣逐個(gè)經(jīng)出幣口，進(jìn)入硬幣清分模塊。同步帶在程序控制下運(yùn)行，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為間歇性運(yùn)動(dòng)，即“一動(dòng)一?！保乐褂矌趴ㄔ诔鰩趴冢⑶铱梢钥刂朴矌诺牧鞒鏊俣?，從而大大降低硬幣清分的失誤率。

圖1 硬幣投幣模塊

（2）硬幣清分模塊（圖2）。硬幣經(jīng)出幣口進(jìn)入硬幣清分模塊的清分軌道，根據(jù)直徑大小的不同，將一角、五角、一元的硬幣自動(dòng)分開，進(jìn)入各自的軌道，最終進(jìn)入硬幣的收納模塊中。在清分軌道上裝有光電管（共3個(gè)），可對(duì)清分過(guò)的硬幣進(jìn)行記數(shù)。硬幣清分過(guò)程采用純機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用不同面額硬幣的直徑不同，通過(guò)軌道時(shí)所處的狀態(tài)也不同，使其最終滑向不同的區(qū)域。

圖2 硬幣清分模塊

（3）硬幣收納模塊（圖3）。該模塊是自制的硬幣收納器，每個(gè)硬幣收納器（共3個(gè)）的直徑均略大于對(duì)應(yīng)硬幣的直徑，確保硬幣進(jìn)入收納器后是平鋪的，并且形成整齊一摞，收納器與傳送帶的間距為1.5倍的硬幣厚度，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，就會(huì)兌換出1個(gè)硬幣。

圖3 硬幣收納模塊

（4）硬幣兌換模塊（圖4）。主體為傳送帶，共有3個(gè)相同結(jié)構(gòu)的模塊。收集器與傳送帶的間距為1.5倍的硬幣厚度，電機(jī)通過(guò)齒輪嚙合帶動(dòng)傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，就會(huì)兌換出1個(gè)硬幣，準(zhǔn)確地控制兌換硬幣的數(shù)額，使兌換過(guò)程安全穩(wěn)定進(jìn)行。

圖4 硬幣兌換模塊

（5）硬幣包裝模塊（圖5）。由硬幣包裝桶與支架構(gòu)成，每個(gè)支架攜帶3個(gè)硬幣包裝桶，共有3個(gè)相同結(jié)構(gòu)的模塊，每個(gè)支架對(duì)應(yīng)包裝桶的尺寸均不同，包裝桶內(nèi)壁直徑略大于所收集硬幣的直徑。當(dāng)用戶需要大量的硬幣時(shí)，該模塊能夠?qū)?0枚硬幣包裝為1卷以此為1個(gè)單位進(jìn)行兌換。裝滿1個(gè)包裝桶后，電機(jī)帶動(dòng)支架前進(jìn)一定距離，使硬幣包裝桶剛好能接收到硬幣。兌換完成后，電機(jī)反轉(zhuǎn)，使支架回到初始位置。

圖5 硬幣包裝模塊

2.2 紙幣兌換系統(tǒng)

紙幣兌換系統(tǒng)包含紙幣分鈔模塊、紙幣傳送模塊、紙幣收納模塊、紙幣兌換模塊和出幣模塊[7]，分述如下：

（1）紙幣分鈔模塊（圖6）。由分鈔軌道與兩排捻鈔輪組成。兩排捻鈔輪起差速機(jī)構(gòu)的作用，使兩排捻鈔輪的速度不同，遠(yuǎn)離傳送帶的捻鈔輪速度慢，靠近傳送帶的捻鈔輪速度快，兩排輪的共同作用使一疊鈔票逐張分開，并使鈔票間的間距拉大，以便在下一環(huán)節(jié)檢測(cè)紙幣面額。分鈔軌道呈弧狀，大大提高分鈔成功率。

圖6 紙幣分鈔模塊

（2）紙幣傳送模塊（圖7）。由傳送軌道與上下兩條傳送帶構(gòu)成，上傳送帶和下傳送帶共同作用，確保紙幣通過(guò)檢測(cè)模塊時(shí)是平展的，進(jìn)而保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性，極大保證成功率。

圖7 紙幣傳送模塊

（3）紙幣收納模塊（圖8）。由6個(gè)相同的收納槽構(gòu)成，收納槽尺寸略大于一百元紙幣面額尺寸，收納槽兩端有擋板，以防紙幣在收納過(guò)程中掉落并且可以使收集到的紙幣整齊擺放，在收納槽的上方有一擋板，做引導(dǎo)軌道使用，可引導(dǎo)紙幣準(zhǔn)確落入收納槽，大大降低失誤率。紙幣收納模塊可接收5種不同面值的紙幣以及無(wú)法識(shí)別的紙幣，通過(guò)紙幣檢測(cè)模塊的檢測(cè)，確定紙幣的面值，收納模塊在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，找到對(duì)應(yīng)的槽，然后收納紙幣。

圖8 紙幣收納模塊

（4）紙幣兌換模塊。由升降機(jī)構(gòu)和捻鈔機(jī)構(gòu)組成，當(dāng)開始兌換紙幣時(shí)，紙幣收納模塊的對(duì)應(yīng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)到兌換位置，升降機(jī)構(gòu)下降到指定位置，兩排捻鈔輪在電機(jī)的帶動(dòng)下開始轉(zhuǎn)動(dòng)，將紙幣逐張捻出。

（5）出幣模塊。由絲杠與出幣盤組成，錢幣兌換（硬幣兌換模塊中的傳送帶正轉(zhuǎn)，硬幣會(huì)進(jìn)入出幣盤，紙幣兌換模塊的捻鈔輪也可將紙幣捻入出幣盤）完成后，絲杠將出幣盤送至指定位置，方便用戶拿取兌換出的錢幣。

2.3 硬幣-紙幣兌換系統(tǒng)

該功能是在程序控制硬幣兌換裝置和紙幣兌換系統(tǒng)共同運(yùn)轉(zhuǎn)下完成。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到硬幣投入時(shí)，紙幣兌換系統(tǒng)啟動(dòng)，兌換出用戶所需的紙幣；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到紙幣投入時(shí)，硬幣兌換系統(tǒng)啟動(dòng)，兌換出用戶所需的硬幣，工作流程如圖9所示。

圖9 工作流程

3 兌換過(guò)程

3.1 硬幣-硬幣兌換

將若干硬幣投入投幣口，按下“硬幣”按鈕，傳送帶將硬幣逐個(gè)送入清分軌道，根據(jù)硬幣自身直徑的不同，最終被送入各自所在的區(qū)域并被收集整理起來(lái)，顯示屏上顯示投入硬幣的總幣值，此時(shí)系統(tǒng)提示客戶選擇所需的硬幣，先按“硬幣”按鈕，再選擇所需硬幣按鈕，硬幣兌換模塊中的傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)，正轉(zhuǎn)則兌換出零散硬幣，反轉(zhuǎn)則兌換出以10個(gè)為單位的整數(shù)硬幣，最終，零散硬幣由錢幣出幣模塊送出，整數(shù)硬幣則由用戶自行拿取。

3.2 紙幣-紙幣兌換

在紙幣投幣口投入1張或多張紙幣，按下“紙幣”按鈕，分鈔模塊將紙幣逐張分離至傳送模塊，紙幣經(jīng)傳感器檢測(cè)后，傳送帶將紙幣送至所對(duì)應(yīng)的紙幣收納槽，此時(shí)，顯示屏?xí)@示出所投入紙幣的總面額，此時(shí)系統(tǒng)提示客戶選擇所需的硬幣，先按“紙幣”按鈕，再選擇所需紙幣按鈕，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，所選擇紙幣的對(duì)應(yīng)區(qū)域與系統(tǒng)中央的捻鈔機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)組合形成紙幣兌換模塊，升降機(jī)構(gòu)使捻鈔輪與紙幣接觸，捻鈔輪轉(zhuǎn)動(dòng)，在光電管的檢測(cè)下，捻出所兌換數(shù)額的紙幣后，捻鈔輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，由錢幣出幣模塊將兌換出的紙幣送至出幣口。

3.3 硬幣-紙幣兌換

將若干硬幣投入投幣口，按下“硬幣”按鈕，傳送帶將硬幣逐個(gè)送入清分軌道，根據(jù)硬幣自身直徑的不同，最終被送入各自所在的區(qū)域并被收集整理起來(lái)，顯示屏上顯示投入硬幣的總幣值，此時(shí)系統(tǒng)提示客戶選擇所需的紙幣，先按“紙幣”按鈕，再選擇所需紙幣按鈕，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，所選擇紙幣的對(duì)應(yīng)區(qū)域與系統(tǒng)中央的捻鈔機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)組合形成紙幣兌換模塊，升降機(jī)構(gòu)使捻鈔輪與紙幣接觸，捻鈔輪轉(zhuǎn)動(dòng)，在光電管的檢測(cè)下，捻出所兌換數(shù)額的紙幣后，捻鈔輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，由錢幣出幣模塊將兌換出的紙幣送至出幣口。此時(shí)，系統(tǒng)提示用戶，兌換完畢。

同理，在紙幣投幣口投入一張或多張紙幣也可兌換出相應(yīng)的硬幣。捻鈔輪將紙幣逐張捻入傳送軌道，紙幣經(jīng)傳感器檢測(cè)進(jìn)入系統(tǒng)所預(yù)定的區(qū)域，最終，系統(tǒng)根據(jù)用戶的需求兌換出已包裝好的整數(shù)硬幣或未包裝的零散硬幣。

4 結(jié)束語(yǔ)

該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工制作，由于慧魚套件產(chǎn)品的特點(diǎn)，以及零件的精度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及傳感器的種類等因素，目前制作的作品，能夠達(dá)到一定的成功率。如果做成實(shí)物，將會(huì)有更高、更好的性能，即精度高、強(qiáng)度大、壽命長(zhǎng)、耗能少、成本低、易維護(hù)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，且能夠?qū)崿F(xiàn)用戶的自助兌換，方便快捷。該產(chǎn)品在投身實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，還有以下方面可以進(jìn)行完善：（1）進(jìn)一步向大量?jī)稉Q方向發(fā)展，增加錢幣儲(chǔ)存空間和包裝等功能；（2）慧魚零件本身具有局限性，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，該錢幣清分系統(tǒng)可以更加完善，從而大大提升清分的速度和穩(wěn)定性[8]。

在人們?nèi)粘Ｉ钪校X幣的重要性不言而喻，而該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)符合人們的需求，大大方便人們的日常生活。該設(shè)計(jì)應(yīng)用范圍廣，不僅可以用于錢幣兌換，還可以用作自動(dòng)售貨機(jī)的找零系統(tǒng)，甚至還可以經(jīng)過(guò)改進(jìn)應(yīng)用于公交車投幣箱，在未來(lái)會(huì)有非常廣泛的應(yīng)用。