一種基于分離盤的新型硬幣清分機的優(yōu)化設(shè)計

李 戀 葛 霖

(江南大學機械工程學院,江蘇 無錫214122)

1 引言

近年來,隨著社會的發(fā)展以及硬幣的大量流通,大量硬幣清分工作對于銀行、超市、公交公司等部門是一個很大的問題,通常為了快速清分大量硬幣,一般都是用硬幣清分機進行清點,它克服了人工清點耗時、分揀率低的缺點。近年來,國家相繼出臺政策激勵硬幣在民間的自由流通,同時每年不斷加大硬幣的市場投放量,顯而易見,硬幣清分機必然有著廣泛的市場前景。因此在清分硬幣方面,也隨之出現(xiàn)了各式各樣的硬幣清分機構(gòu),但多數(shù)機器設(shè)計原理簡單,抗振動,抗電磁干擾能力差或者制造復(fù)雜,價格昂貴,缺少使用價值。因此,硬幣清分自動化成為迫切的社會需求。

2 國內(nèi)外研究概況

2.1 國內(nèi)硬幣清分機研究概況

在國內(nèi),清華大學、北京科技大學、上海交通大學、杭州電子科技大學、蘇州大學、福州大學等多家單位均對如何進行正確的硬幣識別做過深入研究,在機理上普遍采用電渦流法。這些單位的研究在可能涉及的硬幣范圍內(nèi)取得了較好的效果,對硬幣的鑒別都局限在項目本身,存在不系統(tǒng)、不完整,對偽幣識別不好等問題。目前,流行的研究方向多數(shù)是基于離心或者振動的原理,這樣造成的結(jié)果是噪聲大以及分幣準確性得不到保證。

2.2 國外硬幣清分機研究概況

在這個領(lǐng)域內(nèi),國外較早的開展了研究,并且做了大量的工作。開發(fā)的產(chǎn)品大致也分為三個檔次,低檔、中檔和高檔。低檔清分速度在1000枚/min以下,中檔為1000～1500枚/min左右,高檔則在1500枚/min以上。所使用的清分方法上主要有兩大類,一類是根據(jù)物理技術(shù)進行清分,另一類是根據(jù)性能指標進行清分。高速清分基本上都是采用性能指標來進行清分。

縱觀來看,當今國內(nèi)外硬幣清分裝置,或者設(shè)計原理簡單,抗振動,抗電磁干擾能力差,識別偽幣能力差;要么制造復(fù)雜,價格昂貴,沒有使用價值。

3 原理及結(jié)構(gòu)分析

3.1 硬幣清分機的設(shè)計原理

硬幣清分機的主要原理是依靠不同硬幣直徑的大小不同,從而通過送幣盤上的分幣孔與分幣盤上的弧形軌道的接合形成分幣軌道進行硬幣的清分工作。

3.2 硬幣清分機的主要結(jié)構(gòu)分析

一種新型硬幣清分機,其主要包含有外殼殼體,在殼體上設(shè)有用于投幣的漏斗,計數(shù)顯示器,開關(guān)等。在殼體內(nèi)部下方依次設(shè)有分幣裝置,擋幣裝置,導(dǎo)幣計數(shù)裝置、接幣裝置和底座。如圖(1)所示,所述的分幣裝置包括一個斜置的送幣盤1和分幣盤2,在所述分幣盤2外側(cè)圓周有若干個送幣孔3,所有的送幣孔3大小一致,且有斜倒角,需要注意的是其中有對稱分布四個孔的外棱斷開,用來避免因送幣盤空轉(zhuǎn)而帶不上硬幣的情況;所述的擋幣裝置主要包括送幣盤下方的擋幣板6和擋幣條7;所述的導(dǎo)幣計數(shù)裝置包括導(dǎo)槽和傳感器,硬幣通過導(dǎo)槽進入收幣裝置,在硬幣經(jīng)過導(dǎo)槽的過程中觸發(fā)傳感器;所述的接幣裝置主要是與導(dǎo)槽一一對應(yīng)且可拆換的接幣盒,所述的底座4是一塊兩側(cè)及正面鉆有螺紋孔的鋼板。

4 清分計數(shù)過程分析

在接通本硬幣清分機的電源后,電動機5驅(qū)動送幣盤1轉(zhuǎn)動,由投幣漏斗送進來的硬幣堆疊在送幣盤1下方,在送幣盤1轉(zhuǎn)動的過程中,在擋幣板6和擋幣條的作用下,堆疊的硬幣逐漸變成單層,并且分布在送幣孔中,隨著送幣盤1的轉(zhuǎn)動,硬幣逐漸到達分幣軌道區(qū)域。分幣盤2上面依次開有圓弧形溝槽,與送幣盤上的圓孔配合,實現(xiàn)連續(xù)變化的不同孔洞,根據(jù)硬幣的直徑,依次形成一角、五角、舊一角和一元的分幣區(qū)域,硬幣經(jīng)分幣區(qū)域作用,逐漸被清分開來進入相應(yīng)的導(dǎo)槽,經(jīng)過導(dǎo)槽硬幣進入收幣裝置(接幣盒)進行收集,在硬幣經(jīng)過導(dǎo)槽的過程中,觸發(fā)傳感器,通過數(shù)模轉(zhuǎn)換和調(diào)制解調(diào),將計數(shù)結(jié)果顯示在計數(shù)顯示器上。這樣,不同大小的硬幣就經(jīng)過對應(yīng)大小的分幣孔落入到對應(yīng)的導(dǎo)幣槽中,通過導(dǎo)幣槽由收幣盒進行收集,在收集的過程中由傳感器進行計數(shù),并將最終結(jié)果通過計數(shù)顯示器顯示出來。

5 主要設(shè)計過程分析

5.1 總體設(shè)計構(gòu)想

圖1 分幣裝置

目前,流行的研究方向多數(shù)是基于離心或者振動的原理,這些機器具有能耗大,噪聲大,體積相對較大,加工制造相對復(fù)雜,成本高、誤分率較高等缺點,而這些缺點的造成與其基本原理相關(guān),不易改進,因此我們要克服這些問題,需要從原理上進行改進,擯棄離心和振動原理,另辟他徑。

由于不同硬幣在參數(shù)上最直接的區(qū)別就是直徑大小的不同,所以我們的設(shè)計應(yīng)基于硬幣直徑的大小來區(qū)分不同硬幣,而送幣則采用送幣孔帶幣的方式,從而克服離心和振動原理帶來的弊端。

5.2 重要參數(shù)的設(shè)計

5.2.1 總體尺寸的設(shè)計

考慮到作品在原理不變的前提下,對于不同使用場合,只需根據(jù)具體使用環(huán)境在尺寸參數(shù)方面做出一定的調(diào)整就可以適用使用場合,具有很好的適用性,而本次設(shè)計制作的作品僅僅作為實物模型,實際應(yīng)用時的尺寸參數(shù)根據(jù)環(huán)境作調(diào)整的特點,再綜合考慮加工制作成本等因素,確定基本外形尺寸如下:

送幣盤直徑:240mm;

分幣盤直徑:260mm;

接幣盒尺寸:210mm×70mm×60mm;

外殼的尺寸:306mm×306mm×300mm。

5.2.2 送幣盤傾斜角的設(shè)計

為防止未進入分幣孔的硬幣在摩擦力的作用下,與送幣盤相對靜止,一起轉(zhuǎn)動,從而無法進入分幣孔進行分幣操作,以及硬幣的疊幣造成分類計數(shù)的不準確,故摩擦力應(yīng)小于重力的下滑分量,將其簡化為物理模型,如圖2所示,則有:

若假設(shè)送幣盤傾斜角為θ,硬幣與送幣盤之間的動摩擦因數(shù)為μ,硬幣的質(zhì)量為M,當?shù)刂亓铀俣葹間,由條件有:

Mgsinθ＞μMgcosθ即:

θ＞arctanμ

一般來說,硬幣與送幣盤(不銹鋼)之間的動摩擦因數(shù)μ的值在0.4左右,硬幣之間的動摩擦因數(shù)在0.7左右,故θ＞arctan0.7＝35°,實踐操作的過程中,由于各方面的影響,理論計算的35°不滿足實踐要求。經(jīng)多次試驗,確定最佳角度約為40°,故取送幣盤傾斜角為40°。

圖2 簡化物理模型

5.2.3 分幣孔的設(shè)計

分幣孔初始設(shè)計時考慮到硬幣為圓形,故采用圓形結(jié)構(gòu),而一元硬幣直徑最大,為25mm,考慮實際情況,適當放大至28mm,后在實際操作過程中,發(fā)現(xiàn)硬幣與分幣孔的實際接觸點不是圓弧最低點,導(dǎo)致分幣不準確,所以做出如圖3所示的改進,主體部分仍然采用圓形,為確保分幣孔與分幣盤上的弧形軌道之間所形成的最大距離為硬幣的直徑,從而設(shè)計出由兩段圓弧加一段直線的光滑過度的孔形,從而保證了分幣的準確性。

圖3 分幣孔

5.2.4 送幣盤的設(shè)計

送幣盤與分幣盤配合使用,在運動過程中通過送幣孔帶動硬幣進入分幣區(qū)域,考慮分幣的效率,分幣盤上設(shè)置20個分幣孔,形狀如圖4所示。

圖4 送幣盤

考慮到本裝置尺寸設(shè)計較小,故預(yù)設(shè)定電動機的轉(zhuǎn)速為30 r/min,平均每轉(zhuǎn)15個硬幣,則整個清分機的效率約為400—550個/min。在實際生產(chǎn)中可以通過適當調(diào)整尺寸及電動機轉(zhuǎn)速來提高效率。

另外,設(shè)置對稱分布四個孔的外棱斷開,可有效避免因送幣盤空轉(zhuǎn)而帶不上硬幣的情況,確保分幣的徹底性。

5.2.5 分幣盤的設(shè)計

分幣盤配合送幣盤上的分幣孔構(gòu)成分幣軌道,根據(jù)硬幣的直徑以及分幣孔的直徑確定出分幣盤上的分幣槽尺寸如圖4所示,采用階段式圓弧溝槽設(shè)計。

5.2.6 擋幣裝置設(shè)計

圖5 分幣盤

擋幣裝置有擋幣板和擋幣條組成,如圖5所示,二者通過焊接工藝連接,擋幣板外形設(shè)計為球殼的一部分,安裝在分幣盤的邊沿上,擋幣條成傾斜分布在擋幣板上,其末端距離分幣盤的高度為25mm,起到刮幣的作用,確保只能有單層硬幣通過,從而實現(xiàn)準確分幣。

圖6 擋幣裝置

5.2.7 其他設(shè)計

考慮到實際加工裝配及各個不確定因素的影響,分幣盤2與支柱之間加入兩塊支板,使得分幣盤2與支柱之間以及支柱與支板之間均為垂直連接,同時,分幣裝置的傾斜角也可以通過支柱與支板之間的螺紋進行調(diào)節(jié)。

6 結(jié)束語

目前在世界范圍內(nèi),硬幣憑借其成本低,流通次數(shù)多,耐磨損、易回收等無可替代的優(yōu)勢必然成為將來市面上的主要流通貨幣,在各國流通。

本機采用根據(jù)硬幣直徑的大小對幣值進行清分的方法,雖然不具備辯偽功能,但可以對中國現(xiàn)行硬幣快速準確按幣值進行清分。而且系統(tǒng)具備擴展的潛能,針對不同使用場合在材料及尺寸等方面做出調(diào)整,從而適用于銀行、超市、自動售貨機等諸多方面,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,其應(yīng)用前景十分廣闊。

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