點鈔機(jī)中紙幣高速運(yùn)動狀態(tài)及軌跡重構(gòu)試驗

劉明+趙祚喜+可欣榮+劉雄+陳嘉琪+黃培奎

摘 要： 為清晰顯示走鈔姿態(tài)，以廣州康藝TBYD?HT?9000系列點鈔機(jī)為研究對象，將高速相機(jī)置于樣機(jī)側(cè)面對紙幣在走鈔機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行實時捕捉、數(shù)據(jù)處理，將原始圖片導(dǎo)入AutoCAD標(biāo)定處理，可將紙幣在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)走鈔機(jī)構(gòu)中的整個運(yùn)動軌跡進(jìn)行重構(gòu)，進(jìn)而研究該結(jié)構(gòu)參數(shù)的變動對紙幣運(yùn)動時間和平順性的影響。試驗表明，在紙幣即將離開滾輪軸時前緣的翹曲程度會因從動輪偏轉(zhuǎn)角的不同而不同，當(dāng)左偏轉(zhuǎn)至10°時，紙幣傳輸最平順，傳輸時間最短，單張紙幣傳輸時間最短為0.076 s。

關(guān)鍵詞： 點鈔機(jī)； 運(yùn)動狀態(tài)； 高速相機(jī)； 紙幣

中圖分類號： TN919?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）10?0070?03

目前國內(nèi)外的研究方法多集中于應(yīng)用仿真軟件對紙張傳送過程進(jìn)行仿真研究[1]。在進(jìn)行理論建模仿真分析時大多數(shù)是將紙幣當(dāng)成剛體不會發(fā)生翹曲現(xiàn)象[2?4]，但是實際上，紙幣的不同所表現(xiàn)出來的力學(xué)性能也不是相同的[5]。紙幣容易變形的柔性無法用仿真軟件進(jìn)行完全模擬，紙幣傳輸方向不定，只有經(jīng)過實際試驗來研究分析[6]，才能精確地重構(gòu)出過鈔軌跡。

1 點鈔機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

本文以康藝JBYD?HT?9000系列點鈔機(jī)為研究對象，采用透明的有機(jī)玻璃板替換原機(jī)的鈑金板，設(shè)置可調(diào)結(jié)構(gòu)參數(shù)的樣機(jī)裝置，搭建可以捕捉到紙幣進(jìn)鈔軌跡的試驗平臺，利用高速相機(jī)進(jìn)行實時采集并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，重構(gòu)進(jìn)鈔軌跡，其具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)及裝配框架如圖1所示。

點鈔機(jī)走鈔機(jī)構(gòu)具體的機(jī)構(gòu)主要包括入鈔部分、走鈔部分和接鈔部分。入鈔部分主要由滑鈔板、送鈔舌、阻力橡皮、落鈔板、調(diào)節(jié)螺絲、捻鈔膠圈等組成。走鈔部分主要由出鈔膠輪、出鈔對轉(zhuǎn)輪組成，接鈔部分主要由接鈔爪輪、托鈔板、擋鈔板等組成。

2 試驗及數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗平臺搭建

試驗系統(tǒng)位置規(guī)劃實物圖及示意圖見圖2，系統(tǒng)設(shè)備包括：聚光燈、高速相機(jī)、試驗物理樣機(jī)、PC、數(shù)據(jù)傳輸線。試驗所用高速相機(jī)是美國Vision Research公司高精度高速攝像機(jī)[7?8]，最高拍攝速率可達(dá)到400 000 f/s；兩次曝光最小時間[9?10]為500 ns。

圖1 康藝JBYD?HT?9000點鈔機(jī)走鈔機(jī)構(gòu)總裝配及走鈔軌跡圖

圖2 試驗系統(tǒng)布置相對位置圖

2.2 試驗方法

在點鈔機(jī)實際運(yùn)行工作中采集到圖像的紙幣運(yùn)動狀態(tài)和傳送姿態(tài)，從而根據(jù)從動輪不同的相對角度來顯現(xiàn)進(jìn)鈔姿態(tài)的變化并記錄過鈔時間，來重構(gòu)紙幣的傳送姿態(tài)及走鈔軌跡。試驗步驟為：

（1） 測量從動輪與主動輪中心線在豎直位置上，也即是相對角度為0°，此步驟可用來驗證紙幣在原機(jī)的傳送過程是否有變化；

（2） 調(diào)節(jié)從動輪相對主動輪在豎直線左右變化的角度（角度依次1°，2°，…，10°），然后利用高速相機(jī)捕捉紙幣在走鈔通道中的運(yùn)動情況。

2.3 試驗數(shù)據(jù)處理及試驗結(jié)果

2.3.1 試驗數(shù)據(jù)處理方法

為了清晰重顯出紙幣的軌跡，應(yīng)對試驗拍的原始圖片做出一些處理，本文采用AutoCAD對原始圖像進(jìn)行處理?？梢愿鶕?jù)連續(xù)時刻紙幣傳輸過程中前緣端點獲得每個時刻紙幣行走的位移量，并對其進(jìn)行標(biāo)定，多張連續(xù)時刻的圖片標(biāo)定結(jié)果就可繪制出紙幣在走鈔機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動軌跡和運(yùn)動姿態(tài)變化。下面以三角轉(zhuǎn)板在10°參數(shù)下的高速圖片數(shù)據(jù)處理為例，標(biāo)定方法如下所示：

（1） 在AutoCAD中插入高速相機(jī)圖片，設(shè)定插入點，調(diào)節(jié)縮放比例。保證圖片中結(jié)構(gòu)尺寸與實際結(jié)構(gòu)尺寸相等。

（2） 插入圖片。對圖片進(jìn)行坐標(biāo)系設(shè)定，設(shè)定參考坐標(biāo)系原點O，整體坐標(biāo)系有軟件默認(rèn)設(shè)置。光標(biāo)所放位置會在屏幕右下方顯示所處位置在全局坐標(biāo)中坐標(biāo)值，精確至小數(shù)點后4位。用測繪功能對紙幣前緣端點和邊緣進(jìn)行線條標(biāo)定和測量。

通過以上方法可重復(fù)地設(shè)定相同的插入點和縮放比例將高速圖片導(dǎo)入AutoCAD中進(jìn)行編輯處理，利用繪圖功能對紙幣傳輸連續(xù)不同時刻的邊緣和前緣端點進(jìn)行標(biāo)定并確定其相對參考坐標(biāo)系原點的位移，最后可在所CAD底圖中畫出紙幣運(yùn)動軌跡情況，如圖3所示。

圖3 紙幣運(yùn)動前緣端點標(biāo)定效果圖

2.3.2 試驗結(jié)果

（1） 走鈔姿態(tài)分析。該物理樣機(jī)能夠保證當(dāng)在三角轉(zhuǎn)板在左右0°～10°偏轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)時均能夠使紙幣順利過鈔，但是運(yùn)動時間與姿態(tài)大有不同。圖4所示為右偏5°時前后紙幣運(yùn)動至第二對滾輪副時前后的走鈔姿態(tài)。

圖4 三角板右偏5°的進(jìn)鈔姿態(tài)

通過試驗獲取3 000多張紙幣在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的高速圖片，進(jìn)行對比分析可知，在三角板可調(diào)的10°范圍內(nèi)，傳輸時間隨著右偏角度的增加而增加，隨左偏角度的增加而減小，保證傳輸過程順利過鈔且不卡鈔的情況下紙幣在三角轉(zhuǎn)板左偏10°時傳輸最平順，所消耗時間最短，如圖5所示。

圖5 三角轉(zhuǎn)板左偏10°時紙幣進(jìn)入第二滾輪副前后

連續(xù)時刻走鈔姿態(tài)圖

（2） 通過上述方法對圖像進(jìn)行標(biāo)定處理，最后可在所CAD底圖中重現(xiàn)出紙幣運(yùn)動軌跡情況如圖6所示。正是利用這樣的方法對紙幣的走鈔過程進(jìn)行了重現(xiàn)和勾勒出其走鈔軌跡。

圖6 走鈔機(jī)構(gòu)過鈔軌跡

3 結(jié) 論

基于點鈔機(jī)原機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用有機(jī)透明玻璃板，搭建可觀測的試驗平臺，在新樣機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)置滾輪副從動輪可調(diào)參數(shù)結(jié)構(gòu)，并可利用高速相機(jī)對整個走鈔機(jī)構(gòu)運(yùn)動情況和紙幣傳輸情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，試驗研究紙幣運(yùn)動情況獲得走鈔機(jī)構(gòu)滾輪副從動輪與主動輪相對偏轉(zhuǎn)角度左偏10°時紙幣傳輸最平順，傳輸效率最低，單張紙幣傳輸時間為0.076 s，右偏10°時紙幣運(yùn)動姿態(tài)最不穩(wěn)定，傳輸效率最高，單張傳輸時間為0.102 s。

對試驗采的圖像及數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理。將其導(dǎo)入AutoCAD軟件，標(biāo)定出一張進(jìn)而多張紙幣前緣端點和邊緣，一起繪出紙幣前緣端點運(yùn)動軌跡。重現(xiàn)已過鈔票的軌跡。為了紙幣運(yùn)動姿態(tài)更易于觀察對比分析并利用Matlab軟件編程在基于最小二乘法的方法基礎(chǔ)上繪制紙幣整個運(yùn)動過程位移曲線，如圖7所示。

4 結(jié) 語

本文對以康藝JBYD?HT?900系列點鈔機(jī)為研究對象，進(jìn)行紙幣高速運(yùn)動及軌跡重構(gòu)試驗。試驗結(jié)果可以實時地捕捉和顯示出高速傳送的紙幣傳送過程，可以通過調(diào)整機(jī)構(gòu)的機(jī)械參數(shù)，可以對其運(yùn)動軌跡和運(yùn)動姿態(tài)做出重構(gòu)和調(diào)整，并相比較原機(jī)可以調(diào)整出更好的傳送鈔軌跡和運(yùn)動姿態(tài)，保證過鈔的平順性。

圖7 紙幣運(yùn)動位移曲線

注：本文通訊作者為趙祚喜。

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