紙幣熨疊機(jī)落鈔順鈔機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真*

王會(huì)中，朱留憲，伍曉亮，李海鵬

(1.四川省高溫合金切削工藝技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，四川 德陽 618000；2.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031；3.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，四川 德陽 618000)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，紙幣在國際和國內(nèi)市場(chǎng)的快速、大量流通，對(duì)紙幣鈔票的整理工作提出了更多、更高要求。對(duì)于流通中產(chǎn)生的大量零鈔紙幣，傳統(tǒng)整鈔工序往往采用人工分揀、清點(diǎn)以及捆扎等方式，但傳統(tǒng)整鈔方式存在著工作量大、易出錯(cuò)、效率低以及衛(wèi)生狀況差等狀況，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工作要求以及科技發(fā)展的需要?，F(xiàn)階段雖然發(fā)展了微信、支付寶等線上、線下的快捷支付方式，很大程度上降低了零鈔紙幣的使用，但由于我國人口基數(shù)大，線上線下支付對(duì)于年老者、青少年或一些客觀原因仍存在一些困難，大量鈔票整理仍是銀行、公交公司、超市等企業(yè)面臨的難題。在紙幣零鈔整理方面，相關(guān)企業(yè)、科技公司以及學(xué)者進(jìn)行了大量研究工作。東北大學(xué)范先虎利用MATLAB軟件分析了粘連紙幣進(jìn)鈔階段摩擦系數(shù)、壓力對(duì)進(jìn)鈔的影響，同時(shí)運(yùn)用RecurDyn對(duì)多種進(jìn)鈔工況進(jìn)行了仿真分析[1]。鮑照運(yùn)用RecurDyn建立了送紙機(jī)構(gòu)力學(xué)模型，理論分析了機(jī)構(gòu)材料、尺寸對(duì)卡紙的影響，并通過扭矩實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證[2]。龔新玉設(shè)計(jì)了一種紙幣零鈔整鈔輸送機(jī)構(gòu)，用于零整鈔自助兌換服務(wù)終端[3]。徐天祿等提出了一種可快速整理鈔票的裝置及方法[4]。

Markus Sperl提出了一種對(duì)齊無序片式產(chǎn)品的裝置[5]。梁金生設(shè)計(jì)了一種雙凸輪五桿取紙機(jī)構(gòu)，通過運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)現(xiàn)了高速、無紙間摩擦取紙[6]。

綜上所述，對(duì)于大量散亂零鈔的整理研究，大多集中于送鈔機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、仿真及優(yōu)化工作，仍存在著傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜、零鈔對(duì)齊整理機(jī)理不明確、難以推廣應(yīng)用等難題。為此，通過對(duì)落鈔順鈔機(jī)理進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種紙幣熨疊機(jī)落鈔順鈔機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到了落鈔順鈔機(jī)構(gòu)依靠紙幣自身慣性作為動(dòng)力實(shí)現(xiàn)大量零鈔整理時(shí)的順鈔、疊鈔功能。

1 紙幣熨疊機(jī)

1.1 工作原理

紙幣熨疊機(jī)主要由零鈔(紙幣)網(wǎng)帶負(fù)壓輸送裝置、零鈔陣列吸附裝置、零鈔展熨裝置、零鈔張壓定型裝置、落鈔順鈔裝置以及疊鈔裝置組成，如圖1所示。紙幣熨疊機(jī)工作時(shí)輸送網(wǎng)帶置于負(fù)壓箱并循環(huán)移動(dòng)，若干待整理零鈔置于零鈔料箱網(wǎng)帶上被吸附輸送；將輸送網(wǎng)帶局部解除負(fù)壓，使用正壓風(fēng)力將輸送網(wǎng)帶上局部解除負(fù)壓吸附的零鈔與未解除負(fù)壓吸附的零鈔分離而實(shí)現(xiàn)零鈔在網(wǎng)帶上陣列輸送；利用正壓風(fēng)力將對(duì)折零鈔翻展鋪開而被負(fù)壓整體吸附于網(wǎng)帶；利用蒸汽對(duì)折角零鈔從上位和下位分別蒸熨使折角展開；利用軟質(zhì)顆?；虿诿鎺L壓已經(jīng)翻展、蒸熨后吸附在網(wǎng)帶上的零鈔，使零鈔表面產(chǎn)生張力而定型；張壓定型后的零鈔在落鈔順鈔機(jī)構(gòu)作用下而順著長度方向進(jìn)入接鈔輪；高速旋轉(zhuǎn)的接鈔輪使順向鈔票整齊堆疊。

圖1 紙幣熨疊機(jī)

1.2 落鈔順鈔機(jī)構(gòu)

落鈔順鈔機(jī)構(gòu)是紙幣熨疊機(jī)紙幣零鈔整理的重要機(jī)構(gòu)，其功能是將輸送帶上零鈔方向隨機(jī)分布的紙幣調(diào)整為長度方向與重力方向一致。落鈔順鈔裝置包括導(dǎo)引裝置和順鈔裝置。為使輸離網(wǎng)孔輸送帶上的零鈔順利進(jìn)入斜面空間，在網(wǎng)孔輸送帶末端(右)設(shè)置導(dǎo)引帶，改變出鈔速度方向、跌落進(jìn)入斜面空間，如圖2所示。

圖2 落鈔順鈔機(jī)構(gòu)

進(jìn)一步在位姿調(diào)整單元作用下，紙幣位姿調(diào)整為沿長度方向滑落進(jìn)入接鈔輪。設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要問題是落鈔斜面傾角、位姿調(diào)整單元的位姿調(diào)整柱設(shè)置和傾斜導(dǎo)條斜度，由于采用無動(dòng)力落鈔，設(shè)計(jì)時(shí)采用較大的斜面傾角(75°)和傾斜導(dǎo)條斜度(68°)，依靠零鈔重力進(jìn)行落鈔；落鈔順鈔裝置設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵是位姿調(diào)整柱位置和相互關(guān)系的設(shè)置，第一位姿調(diào)整柱和第二位姿調(diào)整柱須分置于鈔票滑落中心兩側(cè)，并滿足以下幾何關(guān)系：

b

(1)

a>Lb

(2)

式中:b為零鈔寬度；h為調(diào)整立柱沿落鈔斜面寬度方向的距離；L為鈔票的長度；a為第一位姿調(diào)整柱和第二位姿調(diào)整柱中心距，Lb為鈔票對(duì)角線長度。

落鈔順鈔機(jī)構(gòu)工作原理是：當(dāng)零鈔紙幣長度方向與重力方向呈α為銳角時(shí)，紙幣與位姿調(diào)整柱碰撞后紙幣在慣性作用下繞位姿調(diào)整柱轉(zhuǎn)動(dòng)滑下，α變?yōu)楦〉匿J角。當(dāng)零鈔紙幣與重力方向呈β為90°左右時(shí)，碰撞一次后變?yōu)殇J角，當(dāng)零鈔紙幣與重力方向呈γ為鈍角時(shí)，與第一位姿調(diào)整柱碰撞一次后變?yōu)?0°左右，與第二位姿調(diào)整柱二次碰撞后變?yōu)殇J角，進(jìn)一步，長度方向與重力方向呈銳角的紙幣在傾斜導(dǎo)條的作用下，將紙幣方向調(diào)整為長度方向與重力方向一致。

2 落鈔順鈔動(dòng)力學(xué)仿真

2.1 有限元模型

為了驗(yàn)證落鈔順鈔機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，采用有限元方法，基于LS-DYNA對(duì)落鈔順鈔進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。在SolidWorks中建立落鈔順鈔機(jī)構(gòu)三維模型，為了與實(shí)際物理樣機(jī)相一致，零鈔散亂隨機(jī)分布。將建立的三維模型導(dǎo)入Hypermesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元?jiǎng)恿W(xué)模型。為了保證計(jì)算精度的準(zhǔn)確性，對(duì)落鈔順鈔機(jī)構(gòu)、紙幣零鈔進(jìn)行了六面體網(wǎng)格劃分，定義網(wǎng)格單元尺寸大小為6 mm，單元總數(shù)為13 659，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為27 910。因落鈔順鈔機(jī)構(gòu)在動(dòng)力學(xué)仿真中變形較小，仿真環(huán)境中采用剛體材料(MAT_RIGID)，零鈔紙幣采用雙線性彈塑性材料(MAT_PLASTIC_KINEMATIC),建立的落鈔順鈔機(jī)構(gòu)有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

2.2 邊界條件

按照落鈔順鈔機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，紙幣零鈔初始狀態(tài)為重力方向分別呈α(銳角)、β(90°左右)以及γ(鈍角)分布。落鈔順鈔機(jī)構(gòu)底部施加SPC固定約束，約束X、Y、Z三個(gè)方向的平動(dòng)和旋轉(zhuǎn)自由度；對(duì)散亂零鈔施加重力加速度9.8 m/s2，實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力落鈔，零鈔初速度設(shè)置為0.1 m/s；為保證殼單元法向與接觸方向的一致性，施加零鈔與落鈔順鈔機(jī)構(gòu)接觸方式為自動(dòng)面面接觸(ATUOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE)；賦予零鈔殼單元算法，剪切因子設(shè)置為1，積分點(diǎn)數(shù)量設(shè)置為3，賦予落鈔順鈔機(jī)構(gòu)實(shí)體單元算法，單元類型采用常應(yīng)力實(shí)體單元；時(shí)間步長因子為0.9，求解時(shí)間為2 s。

2.3 結(jié)果分析

計(jì)算求解完成后，將結(jié)果文件d3plot導(dǎo)入LS-PREPOST軟件進(jìn)行后處理操作。由計(jì)算結(jié)果可看出，圖為三張零鈔紙幣初始時(shí)刻位姿，由于重力作用，零鈔紙幣進(jìn)行自由落體運(yùn)動(dòng)，然后分別與調(diào)整柱產(chǎn)生沖擊碰撞，改變了三張零鈔紙幣的位姿與運(yùn)動(dòng)方向，如圖所示。隨著跌落過程的進(jìn)行，左側(cè)與中間紙幣與傾斜導(dǎo)條碰撞后沿著傾斜導(dǎo)條滑落至導(dǎo)向槽內(nèi)；右側(cè)紙幣與 調(diào)整柱發(fā)生二次碰撞后，由于重力作用產(chǎn)生傾斜力矩，右側(cè)紙幣位姿和方向發(fā)生改變，接著與傾斜導(dǎo)條發(fā)生碰撞，最后沿著傾斜導(dǎo)條滑落至導(dǎo)向槽內(nèi)，如圖所示，實(shí)現(xiàn)了落鈔、順鈔等功能。

圖4所示為落鈔過程中三張零鈔紙幣(從左至右分別為紙幣1、紙幣2、紙幣3)質(zhì)心位移隨時(shí)間變化的曲線，由圖5可看出，零鈔紙幣初始位移為0 m，由于受到重力作用，紙幣加速下落，與調(diào)整柱、傾斜導(dǎo)條碰撞，位移直線增加，落入導(dǎo)向槽后，位移曲線變?yōu)槠骄?，位移不再增加?/p>

圖4 紙幣運(yùn)動(dòng)軌跡

圖6所示為零鈔紙幣下落過程中質(zhì)心速度的變化，初始速度為0.1 m/s，三張零鈔紙幣分別與調(diào)整柱碰撞，速度急劇減小，碰撞后由于重力作用，速度繼續(xù)增加，紙幣3與調(diào)整立柱發(fā)生兩次碰撞，有速度曲線圖中可看出，速度有兩次發(fā)生急劇減小和急劇增加，三張紙幣最后與導(dǎo)向斜條發(fā)生碰撞后，分別沿著導(dǎo)向斜條滑落至導(dǎo)向槽，紙幣方向調(diào)整為長度方向與重力方向一致。

圖5 紙幣質(zhì)心位移

圖6 紙幣質(zhì)心加速度

3 落鈔順鈔試驗(yàn)

依據(jù)紙幣熨疊機(jī)工作原理以及順鈔落鈔機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果分析，制造了一臺(tái)紙幣熨疊機(jī)物理樣機(jī)，樣機(jī)和落鈔順鈔機(jī)構(gòu)如圖7、8所示。由試驗(yàn)可看出，散亂零鈔經(jīng)輥壓、整形，由傳送帶輸送至落鈔順鈔機(jī)構(gòu)，進(jìn)行重力自由落鈔，零鈔與調(diào)整立柱、導(dǎo)向斜條碰撞后滑落至導(dǎo)向槽，紙幣方向調(diào)整為長度方向與重力方向一致。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，落鈔順鈔機(jī)構(gòu)效果好，如圖9所示，實(shí)現(xiàn)了落鈔順鈔功能，滿足了設(shè)計(jì)要求。

圖7 紙幣熨疊機(jī)樣機(jī) 圖8 落鈔順鈔機(jī)構(gòu)樣機(jī)

圖9 紙幣跌落試驗(yàn)

4 結(jié) 語

設(shè)計(jì)了零鈔紙幣熨疊機(jī)落鈔順鈔機(jī)構(gòu)，基于LS-DYNA軟件對(duì)落鈔順鈔進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，并制作了物理樣機(jī)進(jìn)行了紙幣零鈔落鈔順鈔試驗(yàn)。結(jié)果表明，落鈔順鈔動(dòng)力學(xué)仿真與試驗(yàn)結(jié)果一致，設(shè)計(jì)的落鈔順鈔機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了落鈔順鈔功能，滿足了設(shè)計(jì)要求。解決了大量散亂零鈔整理時(shí)的順鈔、疊鈔問題。促進(jìn)了紙幣熨疊機(jī)的推廣應(yīng)用，同時(shí)為相關(guān)功能的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了思路和方法。