謝顏琳

紙硬幣清分機創(chuàng)新設計

謝顏琳

（湖北文理學院 機械工程學院，湖北 襄陽 441002）

針對目前商場結算中心及公交公司錢幣種類多、數(shù)量大、堆放雜亂而導致分類清點工作耗時長、勞動量大、效率低、人力成本高的問題，設計一種紙硬幣清分機。該裝置采用偏心凸輪機構與蝸輪蝸桿機構組合聯(lián)動的方式，能同時實現(xiàn)紙、硬幣的初級分類和整理兩個功能，提高了紙硬幣的處理效率。

紙硬幣清分機；創(chuàng)新設計；商場；結算業(yè)務

通過對商場的結算中心及公交公司調研發(fā)現(xiàn)，紙、硬幣的分離及紙幣整理的工作是日常一項艱巨的任務，目前處于大量人工作業(yè)階段，工作過程中的問題與困難并存，制約著結算業(yè)務的快速發(fā)展。錢幣種類多、數(shù)量大、堆放雜亂而導致分類清點工作耗時長、勞動量大、效率低、人力成本高。

目前在世界范圍內，硬幣以其成本低、流通次數(shù)多、耐磨損、易回收等無可替代的優(yōu)勢將占領了小面額貨幣市場[1-3]。而硬幣與紙幣混雜在一起很難清點，所以分類整理工作一直是公交公司、銀行等大型錢幣存儲單位的心病[4]。雖然市場上已經(jīng)有紙硬幣分類裝置，但由于價格昂貴、一次分離量少、工作效率低等原因不能普及。目前，國內仍普遍采用人工處理的方式，市場需要一種成熟可靠的紙硬幣自動處理機具。

1 整體方案

1.1 紙硬幣清分機機械結構設計

該裝置主要設計一個盛裝錢幣的分理盒，該盒通過軸向往復振動使紙硬幣處于運動的狀態(tài)，然后通過旋轉使分理盒發(fā)生偏轉運動。由于硬幣有一定的重量，可通過分理盒底面的漏幣孔在分理盒振轉運動過程中分離出，實現(xiàn)紙幣與硬幣分離；同時，考慮從分理盒外部伸入盒內一根攪動棒，其不隨分理盒進行軸向運動，通過分理盒的振動并配合攪動棒的作用，使紙幣完成基本定位和理順齊整。

設計了紙硬幣清分機，如圖1所示，其主要由機座、偏心凸輪機構、渦輪蝸桿機構、分理盒等幾部分組成[5-7]。整個裝置由步進電機提供驅動力，并利用位置傳感器反饋信號控制電機的換向，以實現(xiàn)機構的相關功能[8]。通過電機驅動偏心凸輪機構推動分理盒振動，同時利用與凸輪同軸的蝸輪蝸桿傳動帶動分理盒在振動的同時轉動，將硬幣從分理盒中分離，同時使雜亂紙幣變得有序。該方案的特點是通過機構的聯(lián)動實現(xiàn)預期的功能，結構緊湊、工作效率較高。

1.2 主要功能

紙硬幣清分機主要用于公交公司、商場、超市的紙硬幣分類工作，主要具備以下功能：①能夠將混雜在一起的一定數(shù)量紙幣和硬幣進行分離；②能夠將零散的紙幣整理齊整。

圖1 紙硬幣清分機結構簡圖

1.3 工作原理

紙幣規(guī)格大、材質輕，而硬幣規(guī)格小、分量較重[9]，可利用紙幣與硬幣間明顯的規(guī)格與材質的不同，設計一個盛裝錢幣的分理盒，該盒采用振動的方式來軸向往復運動使紙硬幣處于運動的狀態(tài)，然后加入一個旋轉運動讓分理盒偏轉，由于硬幣重量較大，在分理盒上打漏幣孔使硬幣掉出，完成紙幣與硬幣分離；同時，考慮從分理盒外部伸入盒內一根攪動棒，其不隨分理盒進行軸向運動，通過分理盒的振動并配合攪動棒的作用，使紙幣完成基本定位和理順齊整。

通過對中國現(xiàn)行流通的紙硬幣的規(guī)格、材質進行分析，得到如表1統(tǒng)計的數(shù)據(jù)。

2 功能結構設計

2.1 紙幣、硬幣的分離

紙硬幣分離設計通過電機驅動蝸桿軸，利用鍵聯(lián)接帶動凸輪旋轉，并與復位壓縮彈簧一起作用，從而推動盛放錢幣的分理盒左右往復振動，使得錢幣在盒中抖動；同時蝸桿軸與安裝在長軸上的蝸輪相互配合動作實現(xiàn)分理盒的周向轉動，圓盤形凸輪從動件的設計上將分理盒的振動與轉動有效合成，分理盒在左右振動的同時與整個轉動架一起從水平位置正向旋轉接近90°，硬幣在這一過程中從分理盒上的漏幣孔中掉落至接幣盤中，實現(xiàn)紙幣與硬幣的分離。

表1 現(xiàn)行流通紙硬幣規(guī)格和材質統(tǒng)計表

面值類別尺寸/mm材質 100元紙幣長155、寬77鈔票專用棉紙 50元紙幣長150、寬70鈔票專用棉紙 20元紙幣長145、寬70鈔票專用棉紙 10元紙幣長140、寬70鈔票專用棉紙 5元紙幣長135、寬63鈔票專用棉紙 1元紙幣長130、寬63鈔票專用棉紙 1元硬幣直徑25鋼芯鍍鎳 5角硬幣直徑20.5鋼芯鍍銅 1角硬幣直徑19不銹鋼

2.2 紙幣的整理

當硬幣從分理盒中分離后，分理盒正向旋轉接近至90°位置時觸發(fā)位置傳感器使電機換向，分理盒反向旋轉接近180°，在這個過程中由于分理盒持續(xù)左右往復振動，通過伸入分理盒底部的撥幣棒完成對零散紙幣的撥動，同時利用分理盒四壁的平面，完成對紙幣的整理作業(yè)。

在完成以上兩步功能后，再次利用電機使分理盒回到水平位置，一次分類整理作業(yè)結束。

3 結構分析

3.1 功能創(chuàng)新

裝置能同時實現(xiàn)紙、硬幣的分類和紙幣的整理兩個功能。整套裝置采用偏心凸輪機構與蝸輪蝸桿機構組合聯(lián)動的方式實現(xiàn)功能，機構組合新穎，結構緊湊。整套機構采用一個電機控制，并利用位置傳感器實現(xiàn)電機換向，操作簡單，能有效提高點鈔人員清分的效率，降低勞動強度。

3.2 運動軌跡分析

偏心凸輪轉動帶動分理盒進行左右往復運動[10-12]，并通過壓縮彈簧復位，如圖2所示。通過模擬試驗，分理盒左右往復運動的位移為100 mm。

圖2 偏心凸輪機構運動簡圖

偏心凸輪A在電機的帶動下進行轉動，分理盒與凸輪通過高副連接，分理盒可以滑動，凸輪在從最低點到最高點運動的過程中壓縮彈簧，使分理盒向右滑動。在凸輪由最高點運動到最低點的過程中，分理盒通過彈簧的彈性勢能，使分理盒向左滑動復位。

機構的自由度=3－L－H=3×2－2×2－1=1，滿足自由度要求。

蝸輪蝸桿機構如圖3所示，蝸桿在電機的帶動下與渦輪

進行嚙合，驅動蝸輪使分理盒翻轉。通過模擬分理盒振動與翻轉合成運動的試驗得出，必須使振動頻率高而翻轉速度低，這樣才能使紙幣與硬幣充分地分離。為此選擇傳動比為1∶8的蝸輪蝸桿，傳動比較大，能保證分理盒在快速振動的同時不至于翻轉過快，能充分使紙硬幣分理及定位整理紙幣，保證運動的可靠性。

圖3 蝸輪蝸桿機構

4 結論

該紙硬幣清分機根據(jù)目前市場錢幣整理分類短板設計，以方便公交公司、銀行、商貿企業(yè)的結算中心進行紙硬幣初級分類整理使用，具有較高的實際應用價值。

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TH693.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.052

2095－6835（2019）24－0119－02

謝顏琳（1998—），女，湖北松滋人，湖北文理學院2016級在讀本科生，研究方向為機械設計制造及其自動化。

〔編輯：張思楠〕