紙幣機(jī)械式測(cè)厚系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程試驗(yàn)研究*

趙歐婭，趙祚喜，，劉 雄，朱昌權(quán)，潘 翔

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642；2.廣州康藝電子有限公司，廣東 廣州 510240)

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紙幣機(jī)械式測(cè)厚系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程試驗(yàn)研究*

趙歐婭1，趙祚喜1，2，劉 雄1，朱昌權(quán)2，潘 翔1

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642；2.廣州康藝電子有限公司，廣東 廣州 510240)

目前銀行使用的高端點(diǎn)驗(yàn)鈔機(jī)配備機(jī)械式紙幣測(cè)厚系統(tǒng)，銀行需通過(guò)該系統(tǒng)將厚度異常的紙幣清分出來(lái)，特別是在紙幣前端黏貼有膠帶的紙幣。針對(duì)機(jī)械式紙幣測(cè)厚系統(tǒng)在走鈔過(guò)程中由于彈片的抖動(dòng)無(wú)法檢測(cè)到紙幣前端黏貼有膠帶的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一個(gè)抖動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)，并分別利用高速相機(jī)及電渦流傳感器檢測(cè)走鈔過(guò)程中在沖擊初始階段測(cè)厚系統(tǒng)的彈片的彈跳。首先以測(cè)厚系統(tǒng)為樣本搭建一個(gè)抖動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)模仿紙幣在點(diǎn)驗(yàn)鈔機(jī)中的走鈔狀態(tài)，然后利用高速相機(jī)拍攝測(cè)厚系統(tǒng)在走鈔過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并通過(guò)描繪拍攝照片特征點(diǎn)得到測(cè)厚系統(tǒng)在走鈔過(guò)程中的抖動(dòng)軌跡，再利用安裝在抖動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)的電渦流傳感器檢測(cè)走鈔過(guò)程中測(cè)厚系統(tǒng)的抖動(dòng)軌跡，最后結(jié)合彈簧質(zhì)量系統(tǒng)進(jìn)行理論分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，能通過(guò)高速相機(jī)及電渦流傳感器在抖動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)上清晰檢測(cè)到走鈔過(guò)程中沖擊初始階段測(cè)厚系統(tǒng)的彈片產(chǎn)生位移較大且維持時(shí)間占紙幣過(guò)鈔時(shí)間10%的彈跳。該研究結(jié)果可為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)及檢測(cè)手段，為類似應(yīng)用提供借鑒。

點(diǎn)驗(yàn)鈔機(jī)；抖動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)；高速相機(jī)；電渦流傳感器

0 引言

紙幣厚度檢偽技術(shù)是點(diǎn)驗(yàn)鈔機(jī)實(shí)現(xiàn)識(shí)別與真?zhèn)舞b別的關(guān)鍵檢偽技術(shù)，是指通過(guò)點(diǎn)驗(yàn)鈔機(jī)將厚度異常的鈔票從真鈔當(dāng)中挑選出來(lái)，例如通過(guò)真假幣粘貼拼接而成的變?cè)鞄?，及由于有膠紙修補(bǔ)而導(dǎo)致厚度異常的真鈔[1]。隨著我國(guó)人民幣流通增加，假鈔活動(dòng)日益泛濫，傳統(tǒng)的手工整點(diǎn)鈔票已不能滿足銀行出納柜臺(tái)現(xiàn)金處理工作量的需求，因此為了全面監(jiān)測(cè)到各種類型的假鈔，紙幣厚度檢偽技術(shù)成為點(diǎn)驗(yàn)鈔機(jī)不可或缺的技術(shù)。精確、快速的紙幣厚度檢偽技術(shù)對(duì)于具有紙幣厚度檢偽功能的點(diǎn)驗(yàn)鈔機(jī)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

測(cè)厚系統(tǒng)及測(cè)厚技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為點(diǎn)驗(yàn)鈔機(jī)研發(fā)的一個(gè)主要方向，測(cè)厚技術(shù)也得到全世界的重視。目前國(guó)內(nèi)主要的點(diǎn)驗(yàn)鈔機(jī)高端機(jī)具為進(jìn)口品牌如捷德、光榮等，其鈔票檢偽各項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，但針對(duì)紙幣測(cè)厚系統(tǒng)仍在研究階段。國(guó)內(nèi)各高校、企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)也在機(jī)械式測(cè)厚系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面展開(kāi)了相關(guān)研究，其中機(jī)械式測(cè)厚系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、紙幣測(cè)厚裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、測(cè)厚傳感器技術(shù)仍是研究的重點(diǎn)[2]。然而，目前國(guó)內(nèi)研發(fā)的各種紙幣測(cè)厚裝置多采用機(jī)械式測(cè)厚裝置，此方式雖可以有效檢測(cè)出厚度異常的紙幣，但仍存在走鈔過(guò)程的機(jī)械式測(cè)厚系統(tǒng)不能完整檢測(cè)到整張紙幣厚度的問(wèn)題[3-7]。

機(jī)械式測(cè)厚傳感器是通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)將紙幣厚度信號(hào)轉(zhuǎn)化為一個(gè)可動(dòng)測(cè)量臂(彈片)的位移，再利用位移傳感器來(lái)檢測(cè)。在走鈔過(guò)程的初始階段，具有一定初速度的進(jìn)鈔紙幣與過(guò)鈔輪發(fā)生碰撞導(dǎo)致機(jī)械式測(cè)厚系統(tǒng)彈片產(chǎn)生一個(gè)較明顯的彈跳，導(dǎo)致無(wú)法全面檢測(cè)到過(guò)鈔紙幣厚度[8]。本文以檢測(cè)到走鈔過(guò)程中沖擊初始階段測(cè)厚系統(tǒng)彈片產(chǎn)生的彈跳為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一個(gè)抖動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)。以測(cè)厚系統(tǒng)為樣本搭建了一個(gè)模仿紙幣在點(diǎn)驗(yàn)鈔機(jī)中走鈔狀態(tài)的抖動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)，為了全面地檢測(cè)到進(jìn)鈔紙幣厚度，在電渦流傳感器PCB板上橫向分布12個(gè)電渦流傳感器?；谠摱秳?dòng)測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)，利用高速相機(jī)拍攝和記錄電渦流傳感器檢測(cè)走鈔過(guò)程中測(cè)厚系統(tǒng)彈片的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)對(duì)高速相機(jī)照片彈片上特征點(diǎn)描繪和電渦流傳感器數(shù)據(jù)處理得到測(cè)厚系統(tǒng)彈片的運(yùn)動(dòng)軌跡，確定走鈔過(guò)程中在沖擊初始階段測(cè)厚系統(tǒng)的彈片產(chǎn)生位移較大且維持時(shí)間占紙幣過(guò)鈔時(shí)間10%的彈跳，以期給機(jī)械式測(cè)厚系統(tǒng)改進(jìn)提供依據(jù)。

1 抖動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)

抖動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)以測(cè)厚系統(tǒng)為樣本搭建了一個(gè)模仿紙幣在點(diǎn)驗(yàn)鈔機(jī)走鈔通道中走鈔狀態(tài)的抖動(dòng)測(cè)試的試驗(yàn)平臺(tái)，與真機(jī)比較，該裝置結(jié)構(gòu)做了簡(jiǎn)化，以方便拍攝和電渦流測(cè)試，但保證傳感器工作過(guò)程不變，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。彈片2一端固定在厚度傳感器支架3上，另一端懸臂與彈性輪支架觸點(diǎn)12接觸，電渦流傳感器1則固定在彈片2對(duì)應(yīng)位置的上方可檢測(cè)彈片2的位移變化，彈性輪旋轉(zhuǎn)軸4固定在厚度傳感器支架3下方使彈性輪支架7可繞彈性輪旋轉(zhuǎn)軸4旋轉(zhuǎn)一定角度，彈性輪8安裝在彈性輪支架7下方可高速繞軸旋轉(zhuǎn)，在受到彈片2彈性力作用下與主傳動(dòng)輪9彈性接觸。將主傳動(dòng)輪9及厚度傳感器支架3固定在已設(shè)計(jì)好的的抖動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)支架11上確保彈性輪與主動(dòng)輪接觸，在主傳輪9的水平導(dǎo)軌上前后各安置一對(duì)副傳動(dòng)輪5、10作為驅(qū)動(dòng)紙幣的傳輸機(jī)構(gòu)使進(jìn)入走鈔通道的紙幣具有一定的初速度。

圖1 抖動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

走鈔時(shí)，紙幣受到副傳動(dòng)輪組的驅(qū)動(dòng)，按導(dǎo)軌方向水平加速進(jìn)入走鈔通道。具有一定初速度的紙幣經(jīng)過(guò)彈性輪與主傳動(dòng)輪時(shí)，迫使彈性輪上移并使得與彈性輪連接在一起的彈性輪支架繞著固定在厚度傳感器支架上的彈性輪旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)彈性輪支架上方觸點(diǎn)擠壓彈片使之發(fā)生彈性形變，減小了與電渦流傳感器之間的距離。隨著紙幣脫離彈性輪，彈性輪下移與主動(dòng)輪接觸，彈片恢復(fù)形變，整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了紙幣厚度的測(cè)量與放大，使之易被檢測(cè)。同時(shí)為了檢測(cè)過(guò)鈔紙幣不同橫向位置上的厚度，試驗(yàn)裝置的電渦流傳感器PCB板上橫向分布了12個(gè)電渦流傳感器。

2 測(cè)厚系統(tǒng)走鈔過(guò)程抖動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備工作原理原理

為了檢測(cè)到測(cè)厚系統(tǒng)彈片在紙幣走鈔過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)情況，本文采用了兩種設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)：高速相機(jī)拍攝及處理和電渦流傳感器檢測(cè)。通過(guò)不同的試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備對(duì)測(cè)厚系統(tǒng)彈片在紙幣走鈔過(guò)程中運(yùn)動(dòng)情況的觀測(cè)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比得出得出結(jié)論。

高速相機(jī)拍攝照片的工作原理為，高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)受到自然光或人工輔助照明燈光的照射產(chǎn)生反射光，或者運(yùn)動(dòng)目標(biāo)本身發(fā)光,這些光的一部分透過(guò)高速成像系統(tǒng)的成像物鏡。經(jīng)物鏡成像后，落在光電成像器件的像感面上，受驅(qū)動(dòng)電路控制的光電器件，會(huì)對(duì)像感面上的目標(biāo)像快速響應(yīng)，即根據(jù)像感面上目標(biāo)像光能量的分布，在各采樣點(diǎn)(即像素點(diǎn))產(chǎn)生響應(yīng)大小的電荷包，完成圖像的光電轉(zhuǎn)換。帶有圖像信息的各個(gè)電荷包被迅速轉(zhuǎn)移到讀出寄存器中。讀出信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理后傳輸至計(jì)算機(jī)中，由計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行讀出顯示和判讀，并將結(jié)果輸出。

電渦流傳感器的工作原理為，將印制在PCB板上由銅箔線圈串聯(lián)構(gòu)成的電感與電容并聯(lián)構(gòu)成振蕩電路，根據(jù)電渦流效應(yīng)，當(dāng)有金屬物體進(jìn)入時(shí)，則會(huì)改變?cè)呻娐返碾姼校倮肔DC 1000電感檢測(cè)傳感器檢測(cè)，就可得到彈片和PCB線圈的空間位置關(guān)系[9-13]。為了全面地檢測(cè)到整張紙幣的走鈔過(guò)程中引起測(cè)厚系統(tǒng)彈片的抖動(dòng)，在PCB板上分布12個(gè)電渦流傳感器。

2.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

高速相機(jī)拍攝抖動(dòng)試驗(yàn)試驗(yàn)儀器包括一臺(tái)Phantom M310高速相機(jī)、一個(gè)大面積光源LED燈、一個(gè)游標(biāo)卡尺、一個(gè)抖動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)等，如圖2所示。Phantom M310高速相機(jī)能在1 280×800分辨率時(shí)不低于3 260 f/s，最高拍攝速率不低于650 000 f/s。為了提供足夠的光照強(qiáng)度使彈片運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)顯現(xiàn)出來(lái)，采用大面積LED新聞燈作為主要光源。

圖2 抖動(dòng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

基于高速相機(jī)拍攝走鈔過(guò)程測(cè)厚系統(tǒng)的抖動(dòng)試驗(yàn)需要清晰地觀測(cè)到測(cè)厚系統(tǒng)彈片的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)時(shí)為了提供開(kāi)闊的視野，需要將電渦流傳感器取下，將高速相機(jī)攝像頭對(duì)焦于測(cè)厚系統(tǒng)彈片前端，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)光源照射角度以增加圖像對(duì)比度。試驗(yàn)分別選用不同拍攝速率及相應(yīng)的分辨率。通過(guò)選擇合適的拍攝速率及相應(yīng)的分辨率和合適的拍攝角度，可以更加清晰觀測(cè)到測(cè)厚系統(tǒng)彈片的運(yùn)動(dòng)情況。

試驗(yàn)儀器為電渦流傳感器，通過(guò)傳感器檢測(cè)在走鈔過(guò)程中測(cè)厚系統(tǒng)彈片運(yùn)動(dòng)情況，從而得到彈片運(yùn)動(dòng)軌跡。試驗(yàn)時(shí)將電渦流傳感器PCB板安裝在測(cè)厚系統(tǒng)彈片的上方，用螺栓固定。

3 基于高速相機(jī)的測(cè)厚系統(tǒng)抖動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 基于高速相機(jī)拍攝抖動(dòng)的試驗(yàn)方案及步驟

完成試驗(yàn)準(zhǔn)備工作后，首先，打開(kāi)抖動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)關(guān)，檢查高速相機(jī)專業(yè)軟件的畫面顯示，確定測(cè)厚系統(tǒng)彈片與其他機(jī)械機(jī)構(gòu)清晰對(duì)比出來(lái)。然后，放置紙幣于入鈔通道前端進(jìn)行紙幣走鈔，開(kāi)始利用高速相機(jī)記錄測(cè)厚系統(tǒng)彈片的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。最后，對(duì)高速相機(jī)拍攝照片進(jìn)行處理，可得到測(cè)厚系統(tǒng)彈片的運(yùn)動(dòng)軌跡。

3.2 基于高速相機(jī)拍攝抖動(dòng)的試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 高速相機(jī)拍攝圖片處理

根據(jù)上述高速相機(jī)拍攝走鈔過(guò)程測(cè)厚系統(tǒng)彈片運(yùn)動(dòng)狀態(tài)照片，連續(xù)播放照片可以清晰觀測(cè)到彈片的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，選擇最優(yōu)的拍攝速率及相應(yīng)的分辨率和最佳的拍攝角度可得到測(cè)厚系統(tǒng)彈片最佳運(yùn)動(dòng)狀態(tài)照片。比較在拍攝速率及對(duì)應(yīng)分辨率分別為5 000 f/s@256×256、2 000 f/s@512×512、500 f/s@1 280×1 024及不同觀測(cè)角度下的幾組照片，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)拍攝速率及對(duì)應(yīng)分辨率為5 000 f/s@256×256和觀測(cè)角度為側(cè)前方時(shí)，拍攝的照片可得到最佳彈片運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 高速相機(jī)拍攝照片及特征點(diǎn)標(biāo)注

為了捕捉在走鈔過(guò)程中測(cè)厚系統(tǒng)彈片的運(yùn)動(dòng)軌跡，試驗(yàn)選取測(cè)厚系統(tǒng)彈片前端右側(cè)一點(diǎn)作為特征點(diǎn)，該特征點(diǎn)在照片中能清晰地與其他構(gòu)件區(qū)分開(kāi)且位移變化量最大。由于彈片只受到與之接觸的彈性輪支架上觸點(diǎn)的作用力，具體表現(xiàn)為彈片受到作用力后的的彈跳及彈性形變，水平方向未收到任何作用力，因此只需測(cè)量特征點(diǎn)豎直位移的相對(duì)變化量就可得知測(cè)厚系統(tǒng)彈片的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。首先通過(guò)回訪高速相機(jī)拍攝照片觀測(cè)選擇特征點(diǎn)，并在計(jì)算機(jī)屏幕上標(biāo)記出。其次由于本試驗(yàn)只為記錄豎直方向上位移變化量，因此通過(guò)特征標(biāo)記點(diǎn)做一條豎直線，在豎直線上選取一點(diǎn)為參照點(diǎn)即在整個(gè)走鈔過(guò)程中位移無(wú)變化的點(diǎn)，該點(diǎn)選擇特征標(biāo)記點(diǎn)上方照片邊界線與豎直線交點(diǎn)處，特征標(biāo)記點(diǎn)、參照點(diǎn)、豎直線如圖3所示。然后通過(guò)游標(biāo)卡尺測(cè)量特征點(diǎn)到參照點(diǎn)位移變化值即特征點(diǎn)相對(duì)位移變化量，同時(shí)記錄下當(dāng)前照片對(duì)應(yīng)的照片幀數(shù)。最后在Excel表格中輸入橫坐標(biāo)為照片幀數(shù)，縱坐標(biāo)為特征點(diǎn)豎直位移相對(duì)變化值，表1為其中一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 特征點(diǎn)相對(duì)位移變化值

3.2.2 基于高速相機(jī)拍攝抖動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果分析

將表1中的數(shù)據(jù)在Excel中繪成曲線，即可到特征點(diǎn)的在走鈔過(guò)程中運(yùn)動(dòng)軌跡即測(cè)厚系統(tǒng)彈片在走鈔過(guò)程中運(yùn)動(dòng)軌跡。紙幣剛進(jìn)入彈性輪與主動(dòng)輪之間時(shí)即走鈔過(guò)程中初始階段，測(cè)厚系統(tǒng)彈片特征點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示。由圖4可以看出，在走鈔過(guò)程的初始階段，測(cè)厚系統(tǒng)彈片特征點(diǎn)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)首先為相對(duì)位移值較大的彈跳，然后接著為相對(duì)位移值減小的非簡(jiǎn)諧振動(dòng)直至運(yùn)動(dòng)消失。由于試驗(yàn)選取的特征點(diǎn)為測(cè)厚系統(tǒng)彈片懸臂梁前端一點(diǎn)，因此特征點(diǎn)相對(duì)位移較大的運(yùn)動(dòng)可視為測(cè)厚系統(tǒng)彈片的運(yùn)動(dòng)，相對(duì)位移值較小的運(yùn)動(dòng)可能是由于作為懸臂梁的彈片受力形變后的形變恢復(fù)發(fā)生的振動(dòng)，此時(shí)的相對(duì)位移變化不能確定為測(cè)厚系統(tǒng)彈片的整體運(yùn)動(dòng)。上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，可以通過(guò)高速相機(jī)拍攝記錄在走鈔過(guò)程中初始階段彈片特征點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況，由于在走鈔過(guò)程中初始階段開(kāi)始彈片特征點(diǎn)有一個(gè)巨大的位移變化量，這個(gè)過(guò)程可視為彈片發(fā)生了彈跳。由于受人為數(shù)據(jù)觀測(cè)及測(cè)量限制，無(wú)法準(zhǔn)確斷定彈片特征點(diǎn)起跳位置和彈片特征點(diǎn)位移值大小，只有當(dāng)觀測(cè)到位移變化明顯時(shí)才進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，因此試驗(yàn)數(shù)據(jù)未能完全準(zhǔn)確反映真實(shí)彈片特征點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況。因?yàn)橥ㄟ^(guò)高速相機(jī)觀測(cè)到彈片在過(guò)鈔過(guò)程中初始階段的運(yùn)動(dòng)軌跡可知彈片發(fā)生了彈跳，并不需定量檢測(cè)彈跳值，且由于進(jìn)鈔紙幣速度等外因，彈跳具體時(shí)間并不確定，因此本次高速相機(jī)抖動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)橫坐標(biāo)都為照片張數(shù)未換算成時(shí)間。

圖5 電渦流傳感器檢測(cè)結(jié)果顯示

圖4 走鈔過(guò)程初始階段測(cè)厚系統(tǒng)彈片特征點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡

4 基于電渦流傳感器的測(cè)厚系統(tǒng)抖動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方案及步驟

進(jìn)行試驗(yàn)前，首先接通電路，用數(shù)據(jù)線將電渦流傳感器與電腦相連，其次，打開(kāi)MATLAB與調(diào)用相應(yīng)的程序，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，端口選擇8，設(shè)置波特率為115 200 b/s，緩存為110 080 B。電渦流傳感器上的電感檢測(cè)傳感器芯片LDC1000將感應(yīng)到的由于測(cè)厚傳感器彈片與PCB印制板上銅箔線圈之間的位移發(fā)生變化而產(chǎn)生的電感值轉(zhuǎn)化為數(shù)量值，經(jīng)MATLAB調(diào)用程序換算得出相應(yīng)的位移變化值。

完成試驗(yàn)準(zhǔn)備工作后，將紙幣放置在走鈔通道的前端準(zhǔn)備進(jìn)行抖動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)。紙幣走鈔完成后，讀取緩存文件，就可顯示出走鈔過(guò)程中測(cè)厚系統(tǒng)彈片的運(yùn)動(dòng)情況。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)上述基于電渦流傳感器的抖動(dòng)試驗(yàn)可檢測(cè)到在走鈔過(guò)程中測(cè)厚系統(tǒng)彈片運(yùn)動(dòng)情況，通過(guò)在PCB板上的12個(gè)電渦流傳感器就可以同時(shí)檢測(cè)到紙幣長(zhǎng)邊方向上不同位置的彈片運(yùn)動(dòng)情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，12個(gè)電渦流傳感器同時(shí)檢測(cè)到走鈔過(guò)程中彈片抖動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，且每個(gè)電渦流傳感器檢測(cè)結(jié)果都表明在走鈔過(guò)程的初始階段，測(cè)厚系統(tǒng)彈片產(chǎn)生相對(duì)位移較大且維持時(shí)間較明顯的彈跳，在走鈔過(guò)程中中間階段及結(jié)束階段測(cè)厚系統(tǒng)彈片運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定。

通過(guò)上述試驗(yàn)結(jié)果證明，圖5中12個(gè)傳感器都表明在走鈔過(guò)程的初始階段，測(cè)厚系統(tǒng)彈片產(chǎn)生了相對(duì)位移較大彈跳，在走鈔過(guò)程的其他階段，測(cè)厚系統(tǒng)彈片運(yùn)動(dòng)較穩(wěn)定，因此可以通過(guò)電渦流傳感器檢測(cè)到在走鈔過(guò)程中彈片的運(yùn)動(dòng)情況。

5 彈片抖動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比及理論分析

5.1 彈片抖動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

圖6為高速相機(jī)在拍攝速率為2 000 f/s，分辨率為512×512的參數(shù)下拍攝得到的圖片，取特征點(diǎn)為測(cè)厚系統(tǒng)彈片最前端右側(cè)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理所得的在整個(gè)走鈔過(guò)程中測(cè)厚系統(tǒng)彈片的運(yùn)動(dòng)軌跡。在圖6中可以看到，在走鈔過(guò)程初始階段，彈片彈跳所花時(shí)間大約為8張圖片，而整個(gè)走鈔過(guò)程所花時(shí)間大約為80張圖片，即在走鈔初始階段測(cè)厚系統(tǒng)彈片將產(chǎn)生相對(duì)位移較大且維持時(shí)間占整個(gè)走鈔過(guò)程的10%左右的彈跳。

圖6 基于高速相機(jī)檢測(cè)的走鈔過(guò)程中測(cè)厚系統(tǒng)彈片特征點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡

圖7為PCB板上12個(gè)電渦流傳感器中第一個(gè)電渦流傳感器檢測(cè)所得到在整個(gè)走鈔過(guò)程中測(cè)厚系統(tǒng)彈片與電渦流傳感器中銅箔線圈的相對(duì)位移及可視為測(cè)厚系統(tǒng)彈片的運(yùn)動(dòng)軌跡。由圖7中可以看出，在走鈔過(guò)程中彈片彈跳位移較大持續(xù)時(shí)間為16張，整個(gè)走鈔過(guò)程大約持續(xù)為160張，即在走鈔過(guò)程中初始階段彈片彈跳持續(xù)時(shí)間為整個(gè)走鈔時(shí)間的10%。

圖7 基于電渦流傳感器檢測(cè)的走鈔過(guò)程中測(cè)厚系統(tǒng)彈片運(yùn)動(dòng)軌跡

通過(guò)將基于高速相機(jī)拍攝圖片處理所得走鈔過(guò)程中測(cè)厚系統(tǒng)彈片運(yùn)動(dòng)情況與基于電渦流傳感器檢測(cè)得走鈔過(guò)程中測(cè)厚系統(tǒng)彈片的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行對(duì)比，可知在走鈔過(guò)程中初始階段測(cè)厚系統(tǒng)彈片將產(chǎn)生跳動(dòng)位移較大且持續(xù)時(shí)間約占整個(gè)走鈔時(shí)間10%的彈跳。其中圖6檢測(cè)目標(biāo)為彈片前端一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，圖7檢測(cè)對(duì)象為彈片與電渦流傳感器中銅箔線圈的相對(duì)位移，因此在圖6中可以明顯觀測(cè)到作為懸臂梁的彈片會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，圖7中可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)濾波處理后的彈片與電渦流傳感器的相對(duì)位移值數(shù)值較平穩(wěn)且單一，即使檢測(cè)對(duì)象存在很小的差別，但檢測(cè)目標(biāo)都是因彈片在走鈔初始階段受撞擊而產(chǎn)生的位置變化，因此本文不進(jìn)行彈片位移變化量上的數(shù)值定量檢測(cè)，只對(duì)彈片產(chǎn)生跳彈現(xiàn)象進(jìn)行捕捉及對(duì)彈跳時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)?；诟咚傧鄼C(jī)的彈片抖動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)和基于電渦流傳感器彈片抖動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)本應(yīng)該在同一走鈔過(guò)程中進(jìn)行檢測(cè)，但是由于試驗(yàn)條件限制，只能分開(kāi)檢測(cè)，但在重復(fù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果相同，并不受到影響。

5.2 基于彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)的彈片彈跳及抖動(dòng)的理論分析

基于沖量理論可知，由于具有一定初速度的紙幣與彈性輪發(fā)生碰撞導(dǎo)致彈性輪支架上方觸點(diǎn)與彈片發(fā)生碰撞，從而導(dǎo)致彈片突然受到?jīng)_量的作用，使彈片在位移上連續(xù)，但速度增加很大。基于彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)理論可知，彈片可視為質(zhì)量為零的彈簧，與彈片接觸的彈性輪及其支架為質(zhì)量系統(tǒng)，如果彈片沒(méi)有受到外界阻力將會(huì)產(chǎn)生簡(jiǎn)諧振動(dòng)，但是由于作為質(zhì)量系統(tǒng)的彈性輪機(jī)器支架是繞測(cè)厚傳感器支架下方的軸旋轉(zhuǎn)，會(huì)在旋轉(zhuǎn)軸的接觸面發(fā)生摩擦，摩擦阻力使質(zhì)量系統(tǒng)的能量逐漸轉(zhuǎn)化為熱運(yùn)動(dòng)的能量，且彈片振動(dòng)引起周圍物質(zhì)的振動(dòng)，例如空氣能量是以波的形式向四周發(fā)出，振動(dòng)系統(tǒng)的振幅與能量有關(guān)，能量的逐漸減少導(dǎo)致振幅減小且按照時(shí)間周期性衰減等。因此通過(guò)改善阻尼就可解決。

6 結(jié)論

針對(duì)機(jī)械式紙幣測(cè)厚系統(tǒng)在走鈔過(guò)程中由于彈片的抖動(dòng)而無(wú)法全面檢測(cè)到整張紙幣厚度的問(wèn)題，進(jìn)行了抖動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)，基于高速相機(jī)拍攝及電渦流傳感器檢測(cè)的抖動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)能有效地檢測(cè)到走鈔過(guò)程中沖擊初始階段彈片的彈跳。課題組當(dāng)前以及下一階段重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

(1)基于高速相機(jī)的彈片抖動(dòng)試驗(yàn)優(yōu)化。高速相機(jī)拍攝圖片可以通過(guò)MATLAB軟件進(jìn)行特征點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別提取并描繪出彈片運(yùn)動(dòng)軌跡，也可使用專業(yè)配套軟件進(jìn)行特征點(diǎn)捕捉、運(yùn)動(dòng)軌跡描繪等。這樣的照片處理方式可提高檢測(cè)效率，使試驗(yàn)結(jié)果更客觀。

(2)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。在進(jìn)行人工處理圖片時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于高速相機(jī)性能影響無(wú)法確定在走鈔過(guò)程中是否存在彈片與彈性輪支架觸點(diǎn)分離情況。如果經(jīng)過(guò)提高高速相機(jī)性能能夠證明到彈片與彈性輪支架觸點(diǎn)在走鈔過(guò)程中存在分離，那么下一步工作即可以進(jìn)行測(cè)厚系統(tǒng)彈片動(dòng)力學(xué)分析，通過(guò)改善彈片來(lái)解決走鈔過(guò)程初始階段的彈跳問(wèn)題。如果在走鈔過(guò)程中測(cè)厚系統(tǒng)彈片與彈性輪支架觸點(diǎn)無(wú)分離，那么就需對(duì)測(cè)厚系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，作進(jìn)一步的研究來(lái)解決走鈔過(guò)程初始階段彈片彈跳的問(wèn)題。

(3)通過(guò)對(duì)兩種方法結(jié)果的比較和一致性分析，表明可任用一種檢測(cè)方法。通過(guò)高速相機(jī)拍攝的抖動(dòng)試驗(yàn)較直觀，可檢測(cè)任意目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)包括空間運(yùn)動(dòng)，但操作復(fù)雜，安裝困難，需要專門預(yù)留好檢測(cè)位置或使用內(nèi)窺鏡。通過(guò)電渦流傳感器抖動(dòng)試驗(yàn)可知檢測(cè)利用測(cè)厚系統(tǒng)本身傳感器檢測(cè)方便，效果明顯，但是由于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和濾波，因此可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真。

(4)本文研究?jī)H限于檢測(cè)到走鈔過(guò)程初始階段彈片產(chǎn)生的彈跳，如何提供有效的整改方案解決彈跳導(dǎo)致的檢測(cè)不全面將是下一步計(jì)劃，可利用Recurdyn軟件進(jìn)行建模仿真，改變相應(yīng)材料參數(shù)，或是優(yōu)化測(cè)厚系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)等方法解決彈片彈跳的問(wèn)題。

[1] 張建峰.鈔票粘貼的檢測(cè)方法[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008(8):90.

[2] 于濱紅.點(diǎn)鈔機(jī)的結(jié)構(gòu)原理與辨?zhèn)蝃J].今日科苑，2008(2)：50.

[3] 譚偉基.紙幣點(diǎn)鈔機(jī)[P].中國(guó)：CN201320149582，2013-03-29.

[4] 白炳春.紙幣測(cè)厚機(jī)構(gòu)[P].中國(guó)：CN200920116255.9，2009-03-23.

[5] 毛利民.紙幣測(cè)厚裝置[P].中國(guó)：CN201020123074.1，2010-02-26.

[6] 楊志堅(jiān).一種紙幣測(cè)厚裝置[P].中國(guó)：CN201420709927.8，2014-11-24.

[7] 鄭克群.一種紙幣測(cè)厚裝置[P].中國(guó)：CN201110339989.5，2011-10-23.

[8] 碰撞振動(dòng)與控制[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[9] 劉俐訓(xùn).金融設(shè)備用紙幣測(cè)厚電渦流傳感器[P].中國(guó)：CN201420528160.9，2014-09-15.

[10] 張金玲,呂英華,弭強(qiáng).電渦流傳感器在硬幣清分和識(shí)別中的應(yīng)用研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2010,25(10):77-81.

[11] 吳煒,嚴(yán)利平,鮑志業(yè),等.電感傳感器金屬探測(cè)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2015(5):54-56,60.

[12] 楊景昱.LDC1000傳感器在硬幣識(shí)別中的應(yīng)用研究[J].電腦與電信，2014(7):62-63.

[13] 吳鑫.脈沖渦流參數(shù)對(duì)金屬測(cè)厚影響的仿真分析[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2012,36(1):122-126,131.

Experimental study on the movement process of mechanical thickness measurement system in accounting machine

Zhao Ouya1，Zhao Zuoxi1,2，Liu Xiong1，Zhu Changquan2，Pan Xiang1

(1.Key Laboratory of Technology on Agriculture Machine and Equipment, Ministry of Education, South China Agriculture University,Guangzhou 510642, China;2.Guangzhou Kangyi Electronic Company, Guangzhou 510240, China)

At present, the high-end cash-counting machine equipped with mechanical thickness measurement system is used in the bank. It needs to sort the paper of abnormal thickness by the thickness measurement system , specially the paper which pasted scotch tape in front of paper. In view of problem that mechanical thickness measurement system can’t recognize the paper which pasted scotch tape at the front in the process of paper movement caused by shrapnel shake , this paper explored a shake detection platform to detect the bounce of shrapnel of thickness measurement system in its infancy process of paper movement by high speed camera and eddy current sensor. First of all , a shake detection platform was established to imitate the movement of paper through the cash-counting machine based on thickness measurement system. Then the paper movement in testing platform was record by high speed camera and the motion trail of shrapnel feature point in the photograph shoot by high speed camera was traced in the paper movement , and the shrapnel shake was detected by eddy current sensor installed in the thickness measurement system. Finally the experimental result was theoretically analyzed by combining with mass-spring dashpot system. In conclusion, the thickness measurement system can precisely detect the bounce which is caused by shrapnel that is large-displacement and occupied 10% of whole process in the initial process of paper movement by high speed camera and eddy current sensor.The research result can be intended to improve design and provide methods of detection , and also be applied in similar operation.

cash-counting machine ; shake detection platform ; high speed camera; eddy current sensor

廣東省研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2013SFKC04)

O421+.4

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.20.023

趙歐婭，趙祚喜，劉雄，等. 紙幣機(jī)械式測(cè)厚系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程試驗(yàn)研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(20)：82-86，89.

2016-05-24)

趙歐婭(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向：點(diǎn)驗(yàn)鈔機(jī)、機(jī)械設(shè)計(jì)。

趙祚喜(1968-)，男，博士，教授，主要研究方向：車輛自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)、點(diǎn)驗(yàn)鈔機(jī)設(shè)計(jì)。

劉雄(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：自動(dòng)化，計(jì)算機(jī)。