硬幣分類、整理、包裝機械系統(tǒng)研究與設(shè)計

李 軍，李小兵，趙 楨，何燕飛

（重慶交通大學(xué) 機電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074）

1 引言

硬幣是一個國家金融體系中不可缺少的一環(huán)，在日常的交易中廣泛應(yīng)用于各種零售、金融行業(yè)以及公共事業(yè)收費單位[1]。可硬幣的回籠限制著硬幣更廣泛的流通，其中對大量硬幣的處理十分繁重，利用人工清點費時費力，且導(dǎo)致銀行等公共企事業(yè)單位增加清點難度和費用[2]。目前，國外硬幣處理機有較早研究，但是設(shè)備龐大，價格昂貴，國內(nèi)雖然研制出小型硬幣分揀機，但無鑒偽功能[3-4]。因此，對硬幣的分類、鑒偽、清點、整理的機電一體化產(chǎn)品的開發(fā)，可解決硬幣的分揀、回籠問題。所設(shè)計的是集硬幣分類、整理、包裝和鑒偽功能為一體的裝置。系統(tǒng)主要由硬幣分類模塊及鑒偽、硬幣整理模塊、硬幣包裝模塊三大模塊組成。硬幣分類模塊通過離心盤分離單個有序排列為一摞，再通過分揀盤實現(xiàn)硬幣的真?zhèn)舞b別和分類。硬幣整理模塊對分類硬幣進行集整，為后續(xù)包裝做準(zhǔn)備。硬幣包裝模塊對定量集整硬幣進行包裝、鉤邊等操作，三大模塊共同實現(xiàn)了混雜硬幣分類、整理和包裝。

2 裝置整體設(shè)計

圖1 裝置設(shè)計技術(shù)路線圖Fig.1 Device Design Technology Route Chart

圖 2整體機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Overall Mechanical System Architecture Diagram

設(shè)計采用理論研究與三維建模驗證相結(jié)合的方法。以模塊化設(shè)計，并對該結(jié)構(gòu)進行三維建模驗證，并進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。裝置整體設(shè)計的技術(shù)路線，如圖1所示。裝置整體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

3 硬幣分類模塊

硬幣分類模塊主要由進幣口、傳送帶、離心盤、集幣桶和分揀盤等結(jié)構(gòu)組成，實現(xiàn)定量均勻進幣、單個有序排列及硬幣分類的功能[5-6]，具體機構(gòu)，如圖3所示。進幣機構(gòu)：進幣口主要實現(xiàn)裝置與外界的交流，上口大、下口小以及內(nèi)部一定斜度設(shè)計使得硬幣可適量地落于傳送帶上。根據(jù)硬幣的重量、材質(zhì)等特征參數(shù)量優(yōu)化后的設(shè)計斜度為45°；且傳送帶可使硬幣定量均勻地進入離心盤，以防止大量硬幣囤積于離心盤而使其負(fù)載過大，造成電機堵轉(zhuǎn)而燒壞。離心盤：采用雙擋片內(nèi)側(cè)開雙孔設(shè)計。托盤的旋轉(zhuǎn)帶動硬幣在擋片的內(nèi)、外軌道運動，內(nèi)擋片開有對稱的雙孔，混雜硬幣通過內(nèi)側(cè)雙孔作用單個有序排列而進入外軌道，因此，硬幣隨托盤轉(zhuǎn)動輸送至收幣筒，并且單個排列為一摞，以備分揀裝置對硬幣進行分離及分類。離心盤結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖 3分類模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Classification Module Structure Diagram

圖 4離心盤結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Centrifugal Disc Structure Diagram

分揀盤：分揀盤為上齒狀卡盤下托盤的臥式設(shè)計，其結(jié)構(gòu)，如圖5所示。齒狀卡盤帶動收幣桶中的硬幣在托盤上旋轉(zhuǎn)，依次通過電渦流傳感器鑒偽裝置、電磁鐵偽幣剔除口、1角硬幣孔、5角硬幣孔和1元硬幣孔，依次實現(xiàn)鑒偽、剔除偽幣及分類硬幣。分類完成的硬幣通過相應(yīng)的軌道進入下方的整理模塊。其中，當(dāng)不同的硬幣經(jīng)過電渦流傳感器探頭時，其等效阻抗會不相同，由此通過對比數(shù)據(jù)庫中的阻抗值與測量值的差異以判斷被測硬幣的真假。為此，鑒偽的傳感器首先要進行“學(xué)習(xí)”任務(wù)，傳感器采集真幣的數(shù)據(jù)，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后進入DSP，采用FFT算法把信號變換到頻域，保存其頻率特性。當(dāng)傳感器正常工作時，將采集到的瞬時信息輸入DSP處理器，將其與DSP數(shù)據(jù)庫中的真幣數(shù)據(jù)進行對比分析，從而判斷出被測硬幣的真假[7]。去偽幣時，利用控制系統(tǒng)控制電磁鐵滑塊的移動實現(xiàn)偽幣口的開閉，并動作迅速、精準(zhǔn)，實現(xiàn)偽幣的剔除。

圖5 分揀盤結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Sorting Disk Structure Diagram

4 硬幣整理模塊

硬幣整理模塊主要由同類硬幣匯聚滑道、計數(shù)軌道、預(yù)備筒、曲柄滑塊機構(gòu)、集幣筒、齒輪齒條機構(gòu)等結(jié)構(gòu)組成[8]，如圖6所示。主要功能是同類硬幣匯聚、硬幣的準(zhǔn)確計數(shù)、硬幣的集整、以及定量集整硬幣輸送到指定位置。

圖 6硬幣整理模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Block Diagram of the Coin Sorting

硬幣匯聚軌道：基于分揀效率考慮，分揀盤雙側(cè)同時進行硬幣的分類，分揀盤兩側(cè)同時進行對硬幣的收集。為了對同類硬幣的匯聚，將雙軌道匯聚為單軌道以有利于硬幣的精確計數(shù)及節(jié)約成本；同時，為確保硬幣能在軌道上順利下滑，通過計算硬幣的摩擦力與向下的重力，最終優(yōu)化設(shè)計后確定1元、5角、1角的滑道的傾斜度分別為40°、45°、50°。計數(shù)器：采用M12激光對射光電計數(shù)開關(guān)傳感器直流三線NPN對硬幣進行計數(shù)，其具有性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、光擾小、壽命長等優(yōu)點，計數(shù)快速、準(zhǔn)確[9-10]。預(yù)備筒：已計數(shù)的硬幣經(jīng)預(yù)備筒傳輸至集幣筒，主要是當(dāng)集幣筒的硬幣達額定量且曲柄滑塊機構(gòu)關(guān)閉集幣筒通道時，對已計數(shù)的硬幣起到臨時存儲的作用。曲柄滑塊機構(gòu)：主要是當(dāng)集幣筒的硬幣達額定量時，曲柄滑塊機構(gòu)起到關(guān)閉預(yù)備筒與集幣筒之間通道的作用，以備收幣筒中定量集整硬幣輸送到指定位置。曲柄滑塊機構(gòu),如圖7所示。集幣筒：對硬幣集整及便于對定量集整硬幣運輸。集幣筒，如圖8所示。齒輪齒條機構(gòu)：當(dāng)收幣筒收集到定量硬幣且曲柄滑塊機構(gòu)關(guān)閉收幣筒和預(yù)備筒之間的通道時，齒輪齒條機構(gòu)運送集幣筒水平移動到達指定位置，再由電磁鐵圓盤承接收幣筒中定量硬幣至包裝指定位置，然后，通過齒輪齒條將收幣筒返回原來的位置，利用曲柄滑塊機構(gòu)打開收幣筒與預(yù)備筒之間通道，繼續(xù)實現(xiàn)硬幣的集整。機構(gòu)的運行以實現(xiàn)硬幣的匯聚、整理及輸送的循環(huán)工作。

圖 7曲柄滑塊機構(gòu)Fig.7 Slider-Crank Mechanism

圖 8集幣桶結(jié)構(gòu)圖Fig.8 The Chart of Collecting Coin Tube

5 硬幣包裝模塊

硬幣包裝模塊按功能主要分為硬幣摞輸送機構(gòu)、硬幣摞回轉(zhuǎn)機構(gòu)、搓紙機構(gòu)、鉤邊機構(gòu)、導(dǎo)桿機構(gòu)等機構(gòu)[11-13]。硬幣摞的輸送機構(gòu)：采用電動伸縮推桿與電磁鐵托盤組合，兩者通過軸承連接，形成可上下移動和自轉(zhuǎn)為一體的機械結(jié)構(gòu)，以承接集幣筒中定量硬幣摞，實現(xiàn)硬幣摞從集幣盤中心穩(wěn)定迅捷地移送至包裝指定位置的運動。硬幣摞的輸送機構(gòu)，如圖9所示。硬幣摞回轉(zhuǎn)機構(gòu)：硬幣摞隨著其固接的回轉(zhuǎn)機構(gòu)回轉(zhuǎn)，根據(jù)不同種類硬幣實現(xiàn)相應(yīng)角度的轉(zhuǎn)動，與另外兩固定位置的豎直轉(zhuǎn)棍形成立式三輥立式包裝裝置，并且夾緊硬幣摞[14]。搓紙機構(gòu)：采用固定位置搓紙機構(gòu)和引導(dǎo)彈片將包裝紙導(dǎo)入三輥立式包裝裝置，回轉(zhuǎn)機構(gòu)的立棍和固定位置的立棍轉(zhuǎn)動，引導(dǎo)包卷紙圍繞硬幣摞周轉(zhuǎn)包卷兩周半，此時停止搓紙機構(gòu)的運動，從而對特制包卷紙實現(xiàn)斷紙。包卷鉤邊機構(gòu)：當(dāng)三棍立式包裝裝置高速回轉(zhuǎn)實現(xiàn)硬幣摞的包卷時，電動伸縮推桿帶動鉤邊機構(gòu)勻速地上下移動，對硬幣摞包裝紙實現(xiàn)鉤邊，從而硬幣摞形成硬幣卷。導(dǎo)桿滑道出卷：當(dāng)硬幣摞包裝完成時，由導(dǎo)桿機構(gòu)將已包裝好的硬幣卷導(dǎo)入指定軌道滑出裝置至硬幣卷匯聚處，從而完成硬幣摞的包卷出卷。

圖9 硬幣摞的輸送機構(gòu)Fig.9 Coin Bundle Conveying Mechanism

6 結(jié)論

設(shè)計的硬幣機械裝置是集硬幣分類、整理和包卷包裝功能為一體的機械系統(tǒng)，具有高效、精確、耐用的特點。其設(shè)計主要特點為：（1）通過對國內(nèi)外現(xiàn)有的各種硬幣系統(tǒng)進行分析，設(shè)計了一款包括分類、整理、包裝三大模塊中的進幣、分揀、檢偽剔偽、整理計數(shù)和包裝等硬幣包裝機構(gòu)。（2）提出了一種全新的離心機構(gòu)，采用雙擋片內(nèi)側(cè)開對稱雙孔的設(shè)計，實現(xiàn)了混雜硬幣的單個排列，既高效又穩(wěn)定，臥式的設(shè)計也節(jié)約了縱向空間。（3）設(shè)計了一種集鑒偽、剔偽、分類三種功能為一體的多功能臥式分揀盤，并設(shè)計優(yōu)化了分揀盤的斜度和開口，可實現(xiàn)其高效、精確的分揀、鑒偽等功能。（4）由于直線軌道的相互干涉，本裝置設(shè)計了一種螺旋式的硬幣軌道，設(shè)計利用了硬幣自身重力將其運輸至相應(yīng)的收幣桶，保證了軌道間的預(yù)留間隙，節(jié)約了大部分的空間。（5）提出了硬幣集滿后自反饋關(guān)閉通道的方案并設(shè)計了彎曲的預(yù)備桶，有效的解決了堆幣和所包硬幣數(shù)量不定的問題。（6）提出一種集進紙、送紙、卷紙、勾邊等功能為一體，并模擬打印機的全新立式三輥包裝機構(gòu)；針對硬幣直徑的不同，優(yōu)化設(shè)置了不同的工作狀態(tài)。

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