基于慧魚模型的錢幣兌換機設計*

于松章，左義海

（1.太原工業(yè)學院機械工程系，山西太原 030008；2.太原工業(yè)學院工程訓練中心，山西太原 030008）

0 引言

在日常生活中，這樣的尷尬屢屢發(fā)生：乘坐公交車，身上沒有零錢，無奈把身上最小面額的10元紙幣投進去默默流淚；市場賣菜找零沒硬幣，只好拿根蔥當零錢；為了換點零錢，跑到街邊小店隨便買點東西；想到銀行兌換零錢，可是柜臺前卻排著很長的隊；裝著滿滿一口袋硬幣，走起路來叮當直響。

為便于銀行消化網(wǎng)點收納的硬幣、紙幣，提高硬幣使用率，減輕銀行柜臺的兌換壓力，方便市民自助兌換零錢，充分發(fā)揮各種面值錢幣的功能，從長遠上節(jié)約國家的造幣開支，本文作者基于慧魚模型設計一款錢幣兌換機[1-2]。

1 方案設計

該錢幣兌換機分為硬幣兌換系統(tǒng)、紙幣兌換系統(tǒng)和硬幣-紙幣兌換系統(tǒng)3部分，分述如下：

（1）硬幣兌換系統(tǒng)。可實現(xiàn)硬幣之間的兌換及整理，投入硬幣后，根據(jù)硬幣直徑的大小，可識別硬幣的面額，通過運算，兌換出用戶所需的等額硬幣。

（2）紙幣兌換系統(tǒng)。可實現(xiàn)紙幣之間的兌換及整理，放入紙幣后，利用顏色傳感器，可識別紙幣的面額，通過運算，兌換出用戶所需的等額紙幣。

（3）硬幣-紙幣兌換系統(tǒng)?？蓪崿F(xiàn)紙幣與硬幣之間的雙向兌換，投入硬幣（或紙幣）后，利用上述方法可識別其面額，通過運算，兌換出用戶所需的等額紙幣（或硬幣）。

2 各部分機構及工作原理

2.1 硬幣兌換系統(tǒng)

硬幣兌換系統(tǒng)包含硬幣投幣模塊、硬幣清分模塊、硬幣收納模塊、硬幣兌換模塊和硬幣包裝模塊[3-6]，分述如下：

（1）硬幣投幣模塊（圖1）。主體為傾斜的帶，在傳送帶末端設有限制硬幣流出的裝置，其高度僅容1個硬幣通過。將硬幣放入投幣區(qū)后，電機帶動同步帶輪運轉，由于同步帶傾斜，再加上擋板的阻攔作用，確保硬幣逐個經(jīng)出幣口，進入硬幣清分模塊。同步帶在程序控制下運行，運動狀態(tài)為間歇性運動，即“一動一停”，防止硬幣卡在出幣口，并且可以控制硬幣的流出速度，從而大大降低硬幣清分的失誤率。

圖1 硬幣投幣模塊

（2）硬幣清分模塊（圖2）。硬幣經(jīng)出幣口進入硬幣清分模塊的清分軌道，根據(jù)直徑大小的不同，將一角、五角、一元的硬幣自動分開，進入各自的軌道，最終進入硬幣的收納模塊中。在清分軌道上裝有光電管（共3個），可對清分過的硬幣進行記數(shù)。硬幣清分過程采用純機械結構，利用不同面額硬幣的直徑不同，通過軌道時所處的狀態(tài)也不同，使其最終滑向不同的區(qū)域。

圖2 硬幣清分模塊

（3）硬幣收納模塊（圖3）。該模塊是自制的硬幣收納器，每個硬幣收納器（共3個）的直徑均略大于對應硬幣的直徑，確保硬幣進入收納器后是平鋪的，并且形成整齊一摞，收納器與傳送帶的間距為1.5倍的硬幣厚度，當電機帶動傳送帶轉動時，每轉動一定的角度，就會兌換出1個硬幣。

圖3 硬幣收納模塊

（4）硬幣兌換模塊（圖4）。主體為傳送帶，共有3個相同結構的模塊。收集器與傳送帶的間距為1.5倍的硬幣厚度，電機通過齒輪嚙合帶動傳送帶轉動，電機每轉動一定的角度，就會兌換出1個硬幣，準確地控制兌換硬幣的數(shù)額，使兌換過程安全穩(wěn)定進行。

圖4 硬幣兌換模塊

（5）硬幣包裝模塊（圖5）。由硬幣包裝桶與支架構成，每個支架攜帶3個硬幣包裝桶，共有3個相同結構的模塊，每個支架對應包裝桶的尺寸均不同，包裝桶內壁直徑略大于所收集硬幣的直徑。當用戶需要大量的硬幣時，該模塊能夠將10枚硬幣包裝為1卷以此為1個單位進行兌換。裝滿1個包裝桶后，電機帶動支架前進一定距離，使硬幣包裝桶剛好能接收到硬幣。兌換完成后，電機反轉，使支架回到初始位置。

圖5 硬幣包裝模塊

2.2 紙幣兌換系統(tǒng)

紙幣兌換系統(tǒng)包含紙幣分鈔模塊、紙幣傳送模塊、紙幣收納模塊、紙幣兌換模塊和出幣模塊[7]，分述如下：

（1）紙幣分鈔模塊（圖6）。由分鈔軌道與兩排捻鈔輪組成。兩排捻鈔輪起差速機構的作用，使兩排捻鈔輪的速度不同，遠離傳送帶的捻鈔輪速度慢，靠近傳送帶的捻鈔輪速度快，兩排輪的共同作用使一疊鈔票逐張分開，并使鈔票間的間距拉大，以便在下一環(huán)節(jié)檢測紙幣面額。分鈔軌道呈弧狀，大大提高分鈔成功率。

圖6 紙幣分鈔模塊

（2）紙幣傳送模塊（圖7）。由傳送軌道與上下兩條傳送帶構成，上傳送帶和下傳送帶共同作用，確保紙幣通過檢測模塊時是平展的，進而保證檢測的準確性，極大保證成功率。

圖7 紙幣傳送模塊

（3）紙幣收納模塊（圖8）。由6個相同的收納槽構成，收納槽尺寸略大于一百元紙幣面額尺寸，收納槽兩端有擋板，以防紙幣在收納過程中掉落并且可以使收集到的紙幣整齊擺放，在收納槽的上方有一擋板，做引導軌道使用，可引導紙幣準確落入收納槽，大大降低失誤率。紙幣收納模塊可接收5種不同面值的紙幣以及無法識別的紙幣，通過紙幣檢測模塊的檢測，確定紙幣的面值，收納模塊在電機的驅動下轉動一定的角度，找到對應的槽，然后收納紙幣。

圖8 紙幣收納模塊

（4）紙幣兌換模塊。由升降機構和捻鈔機構組成，當開始兌換紙幣時，紙幣收納模塊的對應部分轉動到兌換位置，升降機構下降到指定位置，兩排捻鈔輪在電機的帶動下開始轉動，將紙幣逐張捻出。

（5）出幣模塊。由絲杠與出幣盤組成，錢幣兌換（硬幣兌換模塊中的傳送帶正轉，硬幣會進入出幣盤，紙幣兌換模塊的捻鈔輪也可將紙幣捻入出幣盤）完成后，絲杠將出幣盤送至指定位置，方便用戶拿取兌換出的錢幣。

2.3 硬幣-紙幣兌換系統(tǒng)

該功能是在程序控制硬幣兌換裝置和紙幣兌換系統(tǒng)共同運轉下完成。當系統(tǒng)檢測到硬幣投入時，紙幣兌換系統(tǒng)啟動，兌換出用戶所需的紙幣；當系統(tǒng)檢測到紙幣投入時，硬幣兌換系統(tǒng)啟動，兌換出用戶所需的硬幣，工作流程如圖9所示。

圖9 工作流程

3 兌換過程

3.1 硬幣-硬幣兌換

將若干硬幣投入投幣口，按下“硬幣”按鈕，傳送帶將硬幣逐個送入清分軌道，根據(jù)硬幣自身直徑的不同，最終被送入各自所在的區(qū)域并被收集整理起來，顯示屏上顯示投入硬幣的總幣值，此時系統(tǒng)提示客戶選擇所需的硬幣，先按“硬幣”按鈕，再選擇所需硬幣按鈕，硬幣兌換模塊中的傳送帶轉動，正轉則兌換出零散硬幣，反轉則兌換出以10個為單位的整數(shù)硬幣，最終，零散硬幣由錢幣出幣模塊送出，整數(shù)硬幣則由用戶自行拿取。

3.2 紙幣-紙幣兌換

在紙幣投幣口投入1張或多張紙幣，按下“紙幣”按鈕，分鈔模塊將紙幣逐張分離至傳送模塊，紙幣經(jīng)傳感器檢測后，傳送帶將紙幣送至所對應的紙幣收納槽，此時，顯示屏會顯示出所投入紙幣的總面額，此時系統(tǒng)提示客戶選擇所需的硬幣，先按“紙幣”按鈕，再選擇所需紙幣按鈕，轉盤轉動，所選擇紙幣的對應區(qū)域與系統(tǒng)中央的捻鈔機構、升降機構組合形成紙幣兌換模塊，升降機構使捻鈔輪與紙幣接觸，捻鈔輪轉動，在光電管的檢測下，捻出所兌換數(shù)額的紙幣后，捻鈔輪停止轉動，由錢幣出幣模塊將兌換出的紙幣送至出幣口。

3.3 硬幣-紙幣兌換

將若干硬幣投入投幣口，按下“硬幣”按鈕，傳送帶將硬幣逐個送入清分軌道，根據(jù)硬幣自身直徑的不同，最終被送入各自所在的區(qū)域并被收集整理起來，顯示屏上顯示投入硬幣的總幣值，此時系統(tǒng)提示客戶選擇所需的紙幣，先按“紙幣”按鈕，再選擇所需紙幣按鈕，轉盤轉動，所選擇紙幣的對應區(qū)域與系統(tǒng)中央的捻鈔機構、升降機構組合形成紙幣兌換模塊，升降機構使捻鈔輪與紙幣接觸，捻鈔輪轉動，在光電管的檢測下，捻出所兌換數(shù)額的紙幣后，捻鈔輪停止轉動，由錢幣出幣模塊將兌換出的紙幣送至出幣口。此時，系統(tǒng)提示用戶，兌換完畢。

同理，在紙幣投幣口投入一張或多張紙幣也可兌換出相應的硬幣。捻鈔輪將紙幣逐張捻入傳送軌道，紙幣經(jīng)傳感器檢測進入系統(tǒng)所預定的區(qū)域，最終，系統(tǒng)根據(jù)用戶的需求兌換出已包裝好的整數(shù)硬幣或未包裝的零散硬幣。

4 結束語

該裝置結構簡單，便于加工制作，由于慧魚套件產(chǎn)品的特點，以及零件的精度、結構穩(wěn)定性及傳感器的種類等因素，目前制作的作品，能夠達到一定的成功率。如果做成實物，將會有更高、更好的性能，即精度高、強度大、壽命長、耗能少、成本低、易維護、性價比高等優(yōu)點，且能夠實現(xiàn)用戶的自助兌換，方便快捷。該產(chǎn)品在投身實際生產(chǎn)應用中，還有以下方面可以進行完善：（1）進一步向大量兌換方向發(fā)展，增加錢幣儲存空間和包裝等功能；（2）慧魚零件本身具有局限性，在實際生產(chǎn)應用中，該錢幣清分系統(tǒng)可以更加完善，從而大大提升清分的速度和穩(wěn)定性[8]。

在人們日常生活中，錢幣的重要性不言而喻，而該產(chǎn)品的設計符合人們的需求，大大方便人們的日常生活。該設計應用范圍廣，不僅可以用于錢幣兌換，還可以用作自動售貨機的找零系統(tǒng)，甚至還可以經(jīng)過改進應用于公交車投幣箱，在未來會有非常廣泛的應用。