硬幣分離機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

王 鵬，王 瑩，趙浩甲，2

(1.西安航空學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 西安 710077；2.西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710032)

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展，硬幣需求量日益增加，在日常生活中扮演著越來(lái)越重要的角色。硬幣規(guī)格統(tǒng)一、易于識(shí)別、不易磨損，可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的流通[1]。由于硬幣清分技術(shù)的不完善，導(dǎo)致有大量的硬幣來(lái)往的行業(yè)如地鐵、公交公司、大型商場(chǎng)等，它們大都以手工方式來(lái)清分計(jì)算[2]，通過(guò)調(diào)查和了解發(fā)現(xiàn)硬幣手工處理工本高，需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，而且人為誤差不可避免[3-4]。由于國(guó)內(nèi)外貨幣體系不同，國(guó)外的硬幣清分鑒別裝置不能很好地滿足我國(guó)的需求[5]。

尹金龍等[6]在基于圓弧分離軌道的硬幣清分裝置的研制一文中指出，通過(guò)離心盤(pán)在電機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，利用離心力將混合的硬幣分開(kāi)，輸出后用刻有不同的空心槽圓弧形軌道進(jìn)行分離從而實(shí)現(xiàn)不同硬幣的分離；梁艷[7]提出采用曲柄搖桿裝置使篩箱振動(dòng)，從而打動(dòng)對(duì)各種面額的硬幣進(jìn)行分離；張雨萍[8]提出在公交車(chē)投幣箱中采用毛刷完成過(guò)濾工作，對(duì)硬幣和紙幣進(jìn)行分離，在分離盤(pán)上有基于不同面額硬幣設(shè)計(jì)的卡槽對(duì)硬幣進(jìn)行分類(lèi)，隨后收集到不同的收集桶中；陳光等[9]在一種階梯式軌道硬幣清分機(jī)的研究中指出通過(guò)階梯式分離導(dǎo)軌對(duì)不同硬幣進(jìn)行分離，分離后收集在不同的收集桶中，在收集桶上端口的傳感器記錄下硬幣的數(shù)目，桶中硬幣收集滿后下端的舵機(jī)旋轉(zhuǎn)適當(dāng)?shù)慕嵌葘⑹占甑挠矌湃〕?；郝志偉等[10]在所著文章中提出通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)和分揀軌道實(shí)現(xiàn)對(duì)硬幣的初步分離；黃敏等[11]根據(jù)硬幣直徑的不同使硬幣從3個(gè)不同的滑道滑出，通過(guò)程序控制和推進(jìn)器的配合將硬幣筒內(nèi)固定數(shù)量的硬幣推出，在旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)存器中放有塑料包對(duì)硬幣進(jìn)行包裝。

上述設(shè)計(jì)方法都對(duì)硬幣的分離、分類(lèi)和收集等方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究，但還存在以下問(wèn)題：

(1)對(duì)于如何通過(guò)結(jié)構(gòu)完成對(duì)硬幣的整理、包裝和計(jì)數(shù)等工作略顯不足；

(2)個(gè)別裝置采用程序控制和推進(jìn)器等電氣設(shè)備，增加了設(shè)備成本。

本文提出的設(shè)計(jì)方案將利用機(jī)電一體化裝置對(duì)硬幣進(jìn)行分離，整個(gè)設(shè)備由分離系統(tǒng)、收集系統(tǒng)、整理系統(tǒng)、計(jì)數(shù)系統(tǒng)等4個(gè)系統(tǒng)組成；原動(dòng)機(jī)采用交流電動(dòng)機(jī)，不需要軟硬件控制；通過(guò)各個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)硬幣的分離、收集、整理、計(jì)數(shù)等功能。

1 硬幣分離機(jī)的清分原理

該設(shè)計(jì)根據(jù)我國(guó)第五版不同面額的硬幣物理屬性不同，包括：直徑、重量、厚度、材質(zhì)等基本屬性，可以對(duì)硬幣實(shí)現(xiàn)分離、收集、整理、計(jì)數(shù)等。

第五版硬幣的基本屬性如表1所示。

表1 硬幣物理屬性表

2 硬幣分離機(jī)工作原理

該裝置包括硬幣調(diào)速裝置、攪拌裝置、分離裝置、傳動(dòng)裝置、傳輸裝置、收集裝置、整理裝置、計(jì)數(shù)裝置、振動(dòng)裝置、減速裝置等。

首先，本研究根據(jù)硬幣的直徑差異，對(duì)硬幣進(jìn)行第一次篩選，如果沒(méi)有徹底分離，再通過(guò)鏤空裝置對(duì)硬幣進(jìn)行第二次篩選；其次，根據(jù)硬幣自重力作用和外形特征，通過(guò)相應(yīng)的裝置對(duì)硬幣進(jìn)行傳輸、收集及整理；最后，根據(jù)不同面額硬幣厚度尺寸的不同，通過(guò)在收集裝置刻有特定的尺寸線可直接讀出所收集硬幣的數(shù)量。

硬幣分離機(jī)工作原理如圖1所示。

圖1 硬幣分離機(jī)工作原理圖

通過(guò)調(diào)速裝置開(kāi)口大小的不同可以控制硬幣流量；電機(jī)(經(jīng)減速裝置和繞行聯(lián)軸器)驅(qū)動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)可使硬幣進(jìn)行離心運(yùn)動(dòng)，根據(jù)硬幣的直徑差異通過(guò)圓形篩板對(duì)其進(jìn)行第一次分離；五角硬幣漏下圓形篩板后由正心漏斗收集，隨后統(tǒng)一整理在錢(qián)幣收集盒中；根據(jù)一元硬幣的高度尺寸，通過(guò)圓形篩板底部的高度限位孔來(lái)保證一次只允許一個(gè)硬幣流出在外側(cè)圓環(huán)軌道上；圓環(huán)軌道為鏤空裝置可以對(duì)硬幣進(jìn)行二次篩選(如一元和五角硬幣同時(shí)進(jìn)入圓環(huán)軌道)和傳送；圓環(huán)軌道上裝有一元擋板可以把做圓周運(yùn)動(dòng)的硬幣撥到一元收集器中；一元收集器正下方的圓形限位板和錢(qián)桶均布板通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)一元硬幣進(jìn)行整理；根據(jù)一元硬幣的厚度在一元錢(qián)桶上刻有特定的刻度線，可直接讀出硬幣的數(shù)量；當(dāng)小滑梯出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象時(shí)，通過(guò)凸輪機(jī)構(gòu)產(chǎn)生小振幅、高頻率的振動(dòng)可使硬幣順利流下。

五角收集裝置中正心漏斗的下方設(shè)置有五角收集器，五角收集器上設(shè)置有抽屜。一元收集裝置包括通過(guò)第二坐式軸承固定的第二軸，第二軸上安裝有大齒輪，大齒輪與小齒輪通過(guò)嚙合再與傳動(dòng)系統(tǒng)連接，第二軸上且大齒輪上方安裝有錢(qián)桶均布板，錢(qián)桶均布板上安裝有一元錢(qián)桶，第二軸上一元錢(qián)桶的上方安裝有托盤(pán)，托盤(pán)開(kāi)有與一元錢(qián)桶相對(duì)應(yīng)的通孔，托盤(pán)上方設(shè)置有輸送管，輸送管上端開(kāi)口位于有滑梯的下端，滑梯的上端位于傳輸裝置下方?；荼趁嬖O(shè)置有凸輪，凸輪安裝在第六軸上。硬幣調(diào)速裝置出口下方有圓形篩板，圓形篩板底板上的通孔直徑為?22 mm，圓形篩板下方為正心漏斗，圓形篩板外側(cè)有環(huán)形軌道，正心漏斗位于環(huán)形軌道下方，篩板側(cè)面底部有高度限位孔，環(huán)形軌道上設(shè)置有一元硬幣導(dǎo)向板，導(dǎo)向板下方為滑梯上端。圓形篩板與環(huán)形軌道之間的高度限位孔高度為3 mm。分離葉輪位于圓形篩板底板中心，基座的底部四角均安裝有萬(wàn)向輪。

硬幣分離機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬幣分離機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖1—一角硬幣收集器及五角整理盒；2—漏斗；3—圓環(huán)軌道；4—圓形篩板；5—弧形葉輪；6—硬幣調(diào)速裝置；7—圓形限位板；8—一元錢(qián)桶；9—錢(qián)桶均布板

在該設(shè)計(jì)中，根據(jù)硬幣高度尺寸的不同通過(guò)圓形篩板底部高度限位孔控制硬幣流量，直接對(duì)篩板的結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)來(lái)控制硬幣流量，節(jié)省了對(duì)硬幣流量控制裝置的設(shè)計(jì)；圓環(huán)軌道為鏤空裝置，根據(jù)一元和五角的直徑差異進(jìn)行二次篩選，大大提高了硬幣的分離效率；葉輪的葉片設(shè)計(jì)為弧線形，可使硬幣進(jìn)行離心運(yùn)動(dòng)，也同時(shí)減少了硬幣對(duì)圓形篩板的沖擊；凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為3個(gè)正三角形(尖角帶有弧度)均勻分布(兩兩相位差為40°)的結(jié)構(gòu)，可使其產(chǎn)生小振幅.高頻率的振動(dòng)；一元硬幣收集有特定的刻度線，根據(jù)硬幣高度可以對(duì)硬幣直接計(jì)數(shù)。

3 主要零部件結(jié)構(gòu)

3.1 傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)

傳動(dòng)裝置是該設(shè)計(jì)中主要運(yùn)動(dòng)裝置通過(guò)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)鏈傳動(dòng)和帶傳動(dòng)，鏈輪和分離葉輪同軸帶動(dòng)分離葉輪運(yùn)動(dòng)，同時(shí)帶傳動(dòng)帶動(dòng)圓形軌道運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)錐齒輪和圓柱齒輪運(yùn)動(dòng)。

總體傳動(dòng)方案如圖3所示。

圖3 總體傳動(dòng)方案

3.2 硬幣調(diào)速裝置結(jié)構(gòu)

分離硬幣時(shí)，單次放入硬幣的量較多，會(huì)使弧形葉輪產(chǎn)生卡阻現(xiàn)象；相反如果放入的量太少則會(huì)影響工作效率。通過(guò)調(diào)節(jié)硬幣調(diào)速裝置的調(diào)速板開(kāi)口大小的不同控制硬幣流量。

3.3 攪拌裝置結(jié)構(gòu)

攪拌裝置的葉輪葉片設(shè)計(jì)為弧線形。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下弧形葉輪可使硬幣進(jìn)行離心運(yùn)動(dòng)，硬幣產(chǎn)生離心運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，由于硬幣重力作用可以防止硬幣出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，進(jìn)而硬幣可以依次從圓形篩板的高度限位孔傳送出，避免了卡阻現(xiàn)象的發(fā)生；并且相比于由篩板旋轉(zhuǎn)來(lái)讓硬幣產(chǎn)生離心力的裝置，很大程度上減小了具有離心作用的硬幣對(duì)篩板的沖擊作用，提高了分離裝置的穩(wěn)定性。

3.4 分離裝置

根據(jù)一元和五角硬幣的直徑差異，在弧形葉輪的作用下通過(guò)圓形篩板。底面上的特制圓孔(直徑：?22 mm)對(duì)其進(jìn)行第一次篩選，基于一元硬幣自身的基本屬性，對(duì)篩板進(jìn)行了機(jī)構(gòu)上的改造設(shè)計(jì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬幣流量大小的控制并且防止卡阻現(xiàn)象的發(fā)生。

當(dāng)硬幣量過(guò)大時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)一元和五角同時(shí)進(jìn)入圓環(huán)軌道，圓環(huán)軌道底面為鏤空裝置可以對(duì)混合硬幣進(jìn)行第二次篩選和傳送，由于一元和五角的直徑差異，由于硬幣自身的重力作用，通過(guò)二次篩選提高了硬幣的分離效率。

3.5 收集裝置

根據(jù)硬幣自身的重力作用，五角硬幣漏下圓形篩板后由正心漏斗進(jìn)行收集。隨后統(tǒng)一整理在五角收集器中，一元收集器正下方的圓形限位板和錢(qián)桶均布板通過(guò)鏈傳動(dòng)、錐齒輪傳動(dòng)和圓柱直齒輪傳動(dòng)進(jìn)行同步轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)一元硬幣進(jìn)行整理。

3.6 計(jì)數(shù)裝置

基于一元硬幣重力和外形的作用，當(dāng)硬幣掉入一元錢(qián)桶時(shí)硬幣會(huì)自行落成一落；根據(jù)一元硬幣的厚度尺寸(1.85 mm)，在一元錢(qián)桶上刻有10個(gè)(18.5 mm)、20個(gè)(37 mm)、30個(gè)(55.5 mm)、40個(gè)(74 mm)、50個(gè)(92.5 mm)等特定的刻度線，可直接讀出收集硬幣的個(gè)數(shù)。

一元錢(qián)桶實(shí)物如圖4所示。

圖4 一元錢(qián)桶實(shí)物圖

3.7 振動(dòng)裝置

當(dāng)一元硬幣收傳輸裝置小滑梯處出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象時(shí)(同時(shí)有多個(gè)硬幣共同流下)，可通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)(凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為3個(gè)正三角形兩兩相位相差40°均勻分布的結(jié)構(gòu))讓小滑梯產(chǎn)生小振幅、高頻率的振動(dòng)可使卡阻的硬幣順利流下，相位差凸輪結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 相位差凸輪結(jié)構(gòu)示意圖

4 硬幣分離機(jī)原理樣機(jī)

本研究根據(jù)UG8.0制作該硬幣分離機(jī)的原理樣機(jī)運(yùn)行進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)該硬幣分離機(jī)工作可以實(shí)現(xiàn)1元、5角硬幣的成功分離，整理以及一元硬幣的計(jì)數(shù)功能。

硬幣分離機(jī)原理樣機(jī)如圖6所示。

圖6 原理樣機(jī)實(shí)物

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式硬幣分離機(jī)，通過(guò)常見(jiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)1元、5角硬幣的成功分離；通過(guò)整理倉(cāng)，實(shí)現(xiàn)硬幣的分類(lèi)和整理；通過(guò)一元計(jì)數(shù)錢(qián)筒，實(shí)現(xiàn)一元硬幣的計(jì)數(shù)；最終實(shí)現(xiàn)了硬幣的自動(dòng)清分功能。該硬幣分離機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)可以高效率地進(jìn)行硬幣分離、整理及計(jì)數(shù)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度；

(2)在一些沒(méi)有電力的緊急情況下，仍然可以通過(guò)手柄進(jìn)行人工操作，應(yīng)急性高；

(3)不采用程序控制和推進(jìn)器等電氣設(shè)備，降低設(shè)備成本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，提高了清分效率。

目前，該硬幣分離機(jī)還缺少對(duì)五角硬幣的整理和計(jì)數(shù)的功能，有待于接下來(lái)的研究中進(jìn)行進(jìn)一步的完善。

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