基于螺旋振動上料的硬幣清分機設(shè)計

鄧成

硬幣作為常用的貨幣，以其流通壽命長、制作成本低廉、節(jié)約自然資源、堅固耐用、不易磨損等優(yōu)點被廣泛利用于超市、公交車、小商鋪、銀行等場所。自2016年開始，“一元硬幣化工程”已逐步在全國推廣。

但是隨著硬幣的大量流通，硬幣許多問題也暴露出來。公交車、超市等硬幣使用較頻繁的場所，硬幣的回收、清點工程十分繁瑣。相關(guān)企業(yè)也并沒有專門用來分類、清算硬幣的設(shè)備，因此這項工作需要消耗大量人力、物力與時間，造成了極大的浪費。目前，市面上存在較多的是為銀行研制的硬幣清分系統(tǒng)，準確度高，但是價格昂貴。同時也存在簡易的硬幣分揀裝置，但整體功能較少，且無法保證分揀的準確率。所以，市場急需一種價格低廉、使用可靠的集硬幣篩選、計數(shù)為一體的自動裝置。

因此，研究與開發(fā)符合我國使用標準的自動硬幣巧分機，以滿足需求，改善硬幣的流通市場，推動硬幣的發(fā)展與使用進程，具有重要的實際意義。針對硬幣清分機，本文首先設(shè)計了將硬幣有序排列的振動上料模塊，接下來設(shè)計了由硬幣直徑將硬幣分離的軌道分離模塊，最后設(shè)計了清點硬幣的質(zhì)量計數(shù)模塊，整體各個功能模塊如圖1。

圖1 整體系統(tǒng)模型圖

1 基于螺旋振動上料機的硬幣清分機整體設(shè)計

1.1 螺旋振動上料模塊

（1）螺旋振動上料機簡介。目前有許多可以整齊排列硬幣的裝置，成型的高級硬幣清分機、硬幣包裝機結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，難以大量制造。如瑞典的SCANCOIN AB公司，成功研制了針對不同貨幣體制下的清分系統(tǒng)，誤判率低至0.5%。但其價格昂貴且進行技術(shù)壟斷，同時針對材質(zhì)相近甚至一致的偽幣，其檢測顯得無能為力。如今人們的研究方向主要有離心篩網(wǎng)式電動硬幣區(qū)分器、重力式硬幣清分機等類型。離心篩網(wǎng)式電動硬幣區(qū)分器大多通過對不同面額硬幣的直徑和厚度進行尺寸分析，利用其直徑和厚度的數(shù)值差，將分揀機的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計為上兩層帶有圓孔的離心篩和底層為無孔的離心篩，并通過三層式錐筒結(jié)構(gòu)進行分揀。重力式硬幣清分機利用硬幣自身的重力，不需耗能。但體積大，且難以一次分揀大量硬幣，誤差較大，只能用于中等數(shù)量的硬幣清分?；谒幤穫鬏斠约肮さ仄毡槭褂玫恼駝由狭涎b置，我們將振動上料機用于硬幣有序排列，并依靠振動將硬幣沿螺旋軌道向上運送。

電磁式螺旋振動上料機具有將大量硬幣從底部向上有序運送的作用，其優(yōu)點在于不易卡幣、體積較小、運輸效率高的特點。其中電磁振動上料機直線料槽往復(fù)式和圓盤料斗扭動式兩類。直槽式振動上料機多用于粉末狀物質(zhì)上料，而螺旋式振動上料機主要用于有形狀的物體的運輸，由于硬幣是有形狀的固體，因此使用電磁螺旋式振動上料機。電磁式螺旋振動上料機由振動底座、槽體部分、螺旋上升軌道組成，如圖2。

圖2 螺旋振動上料模塊示意圖

（2）螺旋振動上料模塊底座。電磁式螺旋振動上料機使用的振動底座由電磁鐵構(gòu)成，用于提供振動，使振動上料機能夠正常工作。電磁式螺旋振動上料機相比于其他常用的機械式振動上料器、電機式振動上料器有許多優(yōu)點。其中機械式振動上料器是采用連桿、偏心輪或凸輪傳動，使給料器做往復(fù)運動，使上料器做往復(fù)振動，實現(xiàn)物質(zhì)的運輸。此裝置的動力消耗高、機械體積大、機動性差，在運輸大型物料時較為方便。電機式振動上料器使用振動電機提供振動，電機易損壞、槽體易因振動而破損，造成維修費用較高。相反，電磁式振動上料器更為精密，振動振幅小、頻率更高，壽命更長，能夠使物料穩(wěn)定連續(xù)傳動。同時相比于其他多種上料器體積更小，便于安放。

（3）螺旋振動上料模塊槽體。本裝置槽體使用鋁合金制作，因為鋁合金具有密度輕、強度高、易于加工、耐久性高且成本低的特點，使用鋁合金能夠有效提高裝置的壽命并降低裝置的價格。

（4）螺旋上升軌道。螺旋給料斗結(jié)構(gòu)形式有許多種，其中圓柱形內(nèi)螺旋滑道料斗、圓柱形外螺旋滑道料斗、圓柱形內(nèi)外組合螺旋滑道料斗、截圓錐形內(nèi)螺旋滑道料斗較為常用，本次我們選擇了圓柱形內(nèi)螺旋滑道料斗。在軌道上截取一小段并分析振動狀況。無滑動時的受力分析如圖3。

物料發(fā)生的跳躍條件為Fn=0，此時硬幣與料槽表面分離發(fā)生跳躍，產(chǎn)生相對運動。由方程可得，F(xiàn)n為零的條件為：

因此需要滿足：

由于鋁合金之間的摩擦系數(shù)在0.1～0.4之間取值，因此料槽振動升角α+β應(yīng)在6°～20°之間。經(jīng)過計算此時料道螺旋升角在1°～3°范圍內(nèi)取值。

1.2 滑軌分離模塊

圖3 螺旋軌道物體受力示意圖

（1）軌道材料的選擇。軌道的選擇需要考慮以下問題，如：軌道的材料不能太重，否則裝置笨重難以攜帶；導軌的材料硬度不能過大，否則導軌難以切割，制作麻煩；導軌的材料硬度不能過小，否則導軌難以承受住硬幣的質(zhì)量；導軌表面的摩擦系數(shù)不能過大，否則硬幣在導軌上因受到很大的摩擦力難以滑下，導致出現(xiàn)卡幣現(xiàn)象；導軌的材料應(yīng)該為生活中的常見品，且價格便宜。綜合考慮以上因素，我們選擇質(zhì)量輕、可塑性強、價格適中的鋁合金作為導軌材料。

（2）軌道傾斜角的設(shè)計。硬幣在軌道中滑動會受到摩擦力作用。如果摩擦力過大，硬幣會在導軌上難以滑下，這不僅會使計數(shù)不準確，而且會出現(xiàn)卡幣現(xiàn)象，導致清分計數(shù)工作難以進行。所以，我們需要使重力的下滑分量大于摩擦力。

若重力加速度為g，硬幣質(zhì)量為m，軌道傾斜角為θ，則有：

因為硬幣的材質(zhì)主體為鋼芯，鋁與鋼表面的摩擦系數(shù)為0.3，故我們可以算出：。

實驗時為了方便計算，取θ=30°，圖4為簡化的物理模型。

圖4 硬幣滑落受力示意圖

圖5 硬幣分選軌道示意圖

（3）軌道尺寸的設(shè)計（圖5）。

表1 幾種硬幣的重要參數(shù)

a.運輸區(qū)：第一段軌道為實心軌道，目的是使從振動上料機出來的硬幣能平穩(wěn)地進入分離區(qū)。

b.分離區(qū)：第二段導軌第一層為一元錢硬幣分離區(qū)，孔的直徑略微小于一元錢。圖6為軌道平面簡圖。

圖6 滑軌平面示意圖

第二層軌道為五角錢分離區(qū)?？椎闹睆铰晕⑿∮谖褰清X。同樣保證五角硬幣可以落入計數(shù)區(qū)，而一分硬幣進入下一分離區(qū)，即第三層軌道。如圖7所示。

圖7 滑軌平面示意圖

第三層軌道為空軌道，用于收集一分硬幣，由于重力作用，硬幣落入清分盤。

1.3 質(zhì)量計數(shù)板塊

在清分盤底部位置安裝質(zhì)量傳感器，對滑出直滑道的硬幣計數(shù)，當硬幣落入收集桶之后，質(zhì)量傳感器可以測量實時的總質(zhì)量，再根據(jù)單個硬幣的質(zhì)量，從而推算出硬幣數(shù)量，分別在一元、五角、一角硬幣清分盤處安裝三個質(zhì)量傳感器，分別統(tǒng)計出幣數(shù)量，并顯示在顯示屏上。

為了提升裝置的自動化程度，我們設(shè)計了反饋調(diào)節(jié)機制如圖8。3min沒有硬幣通過，則停止通電并計數(shù)。反饋是將輸出信號(電流或電壓)的一部分或全部,再一次傳入輸入端與輸入的信號相比較,并用比較所得的有效輸入信號控制輸出,這是反饋過程.具有使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定的優(yōu)點。

圖8 本裝置運轉(zhuǎn)控制流程圖

質(zhì)量計數(shù)可以間接將硬幣的數(shù)量顯示，此方法誤差小，原理簡單，方便安裝，且加入自動化設(shè)計，設(shè)計其三分鐘沒有硬幣通過，則停止運轉(zhuǎn)電機并計數(shù)，清分完畢，使裝置更加方便。

2 結(jié)語

2.1 設(shè)計方面

（1）我們采用新穎的振動上料模式，電磁振動上料機是一種可以完成物質(zhì)傳輸?shù)难b置，電磁振動上料盤的原理是利用脈沖電磁鐵使料斗垂直方向振動，由于彈簧片的傾斜，使料斗繞其垂直軸做扭擺振動。在振動下上料機可以高效、穩(wěn)定地進行上料工作，將待測硬幣整齊的排好送至出幣口，誤差較小、精度較高，極大地降低了軌道堵塞引起操作不可持續(xù)的可能性。其中螺旋式上料機使用螺旋上升的軌道上料，更穩(wěn)定。這使得螺旋式上料機效率比直軌道上料機工作頻率低、噪聲更小，因此本硬幣清分機選擇螺旋式上料機作為上料裝置。

（2）軌道的設(shè)計利用了硬幣直徑大小不同這一特性。滑軌一共分為三層。如圖所示，第一層為一元軌道，長度為20cm。第二段滑軌長為15cm，寬為6.5cm。第三段滑軌長為10cm，寬為5cm。導軌材料為鋁，可通過手工或機器割制而成。其強度較大，摩擦力較小的特點，保證了硬幣可以在軌道上順利通過。

（3）在清分盤的底部安裝質(zhì)量傳感器，對不同種類的硬幣計數(shù)。優(yōu)點主要在于傳感器靈敏度高，可以準確計算不同種類硬幣的個數(shù)。

2.2 實用方面

本裝置操作簡單，只需將硬幣裝入清分機中，開啟電源即可完成對硬幣的清分、計數(shù)操作。裝置工作效率高，能在短時間內(nèi)完成大量硬幣的清分工作，同時不易卡幣，減少了不必要的人力與物力浪費。滑軌可根據(jù)硬幣半徑自行制作。裝置輕便，制作、拆卸方法簡單，便于運輸和攜帶，具有很強的操作性。系統(tǒng)所用電功率小，耗電量少。軌道材料為鋁，強度較大，能承受住硬幣質(zhì)量，且價格便宜，整體裝置經(jīng)濟適用性強。