一種滾筒式硬幣分揀機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

杜哲民，馮 茜，張沖沖

（1.華北理工大學(xué)機械工程學(xué)院，唐山 063210；2.中國石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程學(xué)院，北京 102249）

1 引言

由于硬幣種類雜亂，需要一一識別，篩選工作便需要大量的人力和時間來完成，導(dǎo)致的結(jié)果便是高成本低效率?，F(xiàn)如今國內(nèi)市場上硬幣分揀機種類繁多，但不是設(shè)計原理簡單而清理分揀效果差，就是制造復(fù)雜、價格昂貴、缺少實用價值，不適用于中小型硬幣處理機構(gòu)，所以目前國內(nèi)仍普遍采用人工處理的方式。由于硬幣手工分揀不僅成本高且誤差多，因此，研究與開發(fā)符合我國使用標(biāo)準(zhǔn)且性能穩(wěn)定、功能完善、高速節(jié)能的自動化硬幣分揀機，以滿足國內(nèi)大眾的使用需求，有著非常重要的實際意義，本設(shè)備旨在利用有機玻璃管、PVC板、鋼管、角鐵等材料制作分揀裝置和支架裝置，通過電機調(diào)速器控制電動機，實現(xiàn)自動分揀、收集功能，最終達(dá)到提高效率，減輕勞動成本的目的。

在國際上，多個國家已經(jīng)研制出來硬幣分揀和包裝的機器，國外的一些學(xué)校開展了硬幣分辨新方法的探索。大學(xué)的研究者們[2]提出利用圖像傳感器傳來的硬幣圖像分辨硬幣的半徑，并與數(shù)據(jù)庫中的原有數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來確定通過的硬幣類型。

2 總體設(shè)計構(gòu)想

根據(jù)社會的需求與要求，對硬幣分揀機的總體設(shè)計采用了三層套筒的滾筒式結(jié)構(gòu)。主要的功能單元包括：篩選裝置、驅(qū)動裝置和收集裝置。首先在分離硬幣時，傳送帶式具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占用空間較大的缺點，因此選用滾筒式分揀硬幣，由于滾筒體積較小，且可以通過增加滾筒轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，從而增加硬幣與篩選孔接觸的頻率。其次在分揀硬幣的過程中，孔的分布采用類楊輝三角式分布，這種分布方法利用概率與統(tǒng)計的思想，可以提升篩選孔的利用率。在硬幣的收集處，采用擋板固定，篩選桶套入擋板卡槽中，在箱體上利用導(dǎo)軌設(shè)置三個不同位置的定位孔，每個位置的定位孔對應(yīng)一種狀態(tài)，當(dāng)箱體位于最上方的定位孔時為硬幣的裝入過程，當(dāng)箱體位于中間的定位孔時為硬幣的篩選過程，當(dāng)箱體位于最下方的定位孔時為硬幣的收集過程，這樣巧妙的利用三個不同位置的定位孔控制篩筒的軸向位置，以實現(xiàn)硬幣的裝入、篩選和收集三個過程。硬幣從篩選孔中出來后，分別進(jìn)入到對應(yīng)的收集抽屜，從而實現(xiàn)不同硬幣的分選和收集。

（1）分揀模塊。首先分揀模塊由3層同軸有機玻璃筒組成，筒的壁面均設(shè)有孔，且孔按照楊輝三角排布，其中芯筒孔的直徑介于一元硬幣和老版一角硬幣之間，中筒孔的直徑介于老版一角硬幣和五角硬幣之間，而外筒孔的直徑介于五角硬幣和新版一角硬幣之間。進(jìn)行篩選之前，硬幣先通過加幣口放入芯筒。

（2）驅(qū)動模塊。驅(qū)動模塊主要由電機、變壓器和無極調(diào)速器組成，電機通過電機支架固定于箱內(nèi)支架，其中箱內(nèi)支架主要用于支撐分揀模塊。

（3）箱體模塊。箱體模塊由ABS板加工而成，并且箱體模塊的前蓋加工有出幣孔和支撐槽，而箱體模塊的上蓋加工有觀測口。其主要作用是收集新版一角硬幣和固定箱內(nèi)支架，觀測口的作用是觀察內(nèi)部分揀情況。

（4）收集模塊。收集模塊主要由收集架和收集抽屜組成，通過箱體的旋轉(zhuǎn)可改變收集抽屜底面的角度，從而使其起到控制硬幣進(jìn)出滾筒的作用。

（5）支架、定位板模塊。支架、定位板模塊中支架的作用為支撐整體機構(gòu)，而定位板固定于一側(cè)支架上，在定位板上除導(dǎo)軌外，還設(shè)有三個定位孔，其目的是將箱體固定于設(shè)定的角度。

3 滾筒式硬幣分揀機的設(shè)計

以內(nèi)徑為90mm，筒為240mm，分揀速度為500枚/min為例。

3.1 滾筒直徑設(shè)計

根據(jù)測量可知，各類硬幣尺寸參見我國發(fā)行的一元、老版一角、五角、新版一角硬幣。

設(shè)內(nèi)桶直徑為d1，中桶直徑為d2，外桶直徑為d3，為使一元硬幣可以順利在內(nèi)桶中運動且不卡幣，取內(nèi)桶的直徑為：

在內(nèi)桶與中桶之間的間距若過小，則會使硬幣堆積甚至卡住滾筒，影響硬幣的篩選，若間距過大，則會浪費空間、增加成本，在中桶與內(nèi)桶之間最大的硬幣為新版一角硬幣，故在中桶與內(nèi)桶之間的間距取L1=2db=45（mm），則中桶的直徑為：

在內(nèi)桶與外桶之間，最大的硬幣為五角硬幣，故中桶與外桶之間的間距取L2=2.5dc≈52（mm），則外桶的直徑為：

3.2 滾筒上的孔設(shè)計

經(jīng)過反復(fù)試驗可知，當(dāng)孔的直徑與硬幣的直徑比例為0.95時，硬幣恰好不能從孔中掉落。設(shè)內(nèi)筒上的孔的直徑為D1，中筒上孔的直徑為D2，外筒上孔的直徑為D3，這三種孔的大小需滿足以下關(guān)系：

則可以得到各個滾筒孔的大小：

為了提高滾筒上孔的利用效率，孔的排布方式采取類楊輝三角式排布，這樣的排布可以提高筒壁篩選面積的利用率，從而提高硬幣的篩選效率。在對滾筒進(jìn)行安裝時，使中桶上的每一列孔與外桶、內(nèi)桶上每一列孔交錯安放。

3.3 電動機選型

由于該滾筒式硬幣篩選機需要實現(xiàn)調(diào)速的功能，且在進(jìn)行調(diào)速過程中需要較平滑的調(diào)速，而直流減速電機結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，承受過載能力強。

通過計算，得出內(nèi)桶、中桶、外桶的質(zhì)量分別為：0.456kg、0.936kg、1.068kg。內(nèi)桶、中桶、外桶的重力力矩分別為：0.21（?！っ祝?.84（?！っ祝?、1.60（?！っ祝?。

因此總力矩為2.65（?！っ祝?。

由以上計算結(jié)果，選擇JGB37-550型減速電機，其扭矩為4.5N·m，功率為30W。連接方式采用：利用電動機與滾筒軸相連，在電機軸與滾筒軸的連接處用緊固螺釘緊固，通過緊固螺釘提供扭矩。

根據(jù)以上設(shè)計思路，做出滾筒式硬幣篩選機的實物模型如圖1所示：

圖1 實物模型照片

4 機構(gòu)特點及優(yōu)勢

（1）滾筒式硬幣分揀機的分揀模塊采用了三層同軸有機玻璃筒作為分揀機構(gòu)，一方面能夠節(jié)省空間，降低噪音，另一方面則是便于進(jìn)行加工，一定程度上降低并節(jié)約了成本。

（2）滾筒式硬幣分揀機的箱體模塊的上蓋加工有觀測口，可以實時觀測所需分揀硬幣的數(shù)量，從而進(jìn)一步調(diào)節(jié)電機工作時長，具有降低能耗，節(jié)約環(huán)保的優(yōu)勢。

（3）滾筒式硬幣分揀機的驅(qū)動模塊中電機軸和外箱旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成十字軸，既可實現(xiàn)單軸獨立運轉(zhuǎn)，又能進(jìn)行雙軸運轉(zhuǎn)，使分揀和收集同步進(jìn)行，工作效率由此得到了很大的提升。

5 經(jīng)濟(jì)性分析

該設(shè)置采用滾筒式篩選，避免了傳送帶式具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占用空間較大的缺點，滾筒可以通過增加轉(zhuǎn)動的圈數(shù)從而提升硬幣與孔接觸的頻率，這樣既節(jié)約了空間，又節(jié)省了材料。由于該滾筒式硬幣篩選機的篩選桶常和硬幣摩擦接觸，所以選擇為有機玻璃作為篩選桶材料，這種材料具有透明性強，化學(xué)穩(wěn)定性，耐磨性和易加工的優(yōu)點，透明性強可以清楚的看到硬幣是否篩選完全，化學(xué)穩(wěn)定性使其不易被氧化，而耐磨性可以保證硬幣與篩選桶之間的磨損。對于硬幣的收集裝置，因為其裝置幾乎不受力，所以采用ABS板作為材料。這樣所有耗材成本為1000元，該硬幣篩選機可以在1分鐘篩選約500枚硬幣，篩選效率高，篩選精度大。

傳統(tǒng)的篩選方法是利用人工進(jìn)行篩選，都需要將硬幣先分散開，然后對硬幣進(jìn)行單個分揀，人工篩選1分鐘大概篩選200枚，這樣篩選需要大量的人力、物力，且人工篩選容易使人產(chǎn)生疲勞，使得篩選的準(zhǔn)確率降低。所以該滾筒式篩選機相對傳統(tǒng)的篩選方法來說勞動強度大，篩選效率低。

6 應(yīng)用前景

此滾筒式硬幣篩選機制造容易、使用方便，可以解決人工分揀的繁瑣，可以廣泛地應(yīng)用于超市、銀行及公交公司等硬幣流通量大的場合。該裝置無需二次清分，準(zhǔn)確性高，省時省力，成本低，有良好的市場前景。隨著小額電子支付化的發(fā)展，硬幣可能會逐漸退出市場，單此類分揀技術(shù)亦可運用到不同尺寸規(guī)格的固固分離領(lǐng)域。

[1] 川郭星，商云男.ST800A型硬幣清分機造型設(shè)計研究[J].包裝工程，2007，28（8）：164-166.

[2] 董祥龍.具有自動分揀、自動辨?zhèn)喂δ苡矌欧謷b機的設(shè)計與研究[D].東北大學(xué)，2010：2-9.

[3] 王良文，陳長軍.從商業(yè)銀行硬幣清點收費看我國的硬幣流通[J].南方金融，2005，11：67-68.

[4] 郎家峰.硬幣檢測清分系統(tǒng)研究[D].南京航空航天大學(xué)，2005.

[5] 張新未，郭晗萌，董雪，褚旭.振動式硬幣清分機的設(shè)計[J].裝備制造，2009，11：212.