硬幣分類、整理、包裝機(jī)械系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

李 軍，李小兵，趙 楨，何燕飛

（重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074）

1 引言

硬幣是一個(gè)國家金融體系中不可缺少的一環(huán)，在日常的交易中廣泛應(yīng)用于各種零售、金融行業(yè)以及公共事業(yè)收費(fèi)單位[1]。可硬幣的回籠限制著硬幣更廣泛的流通，其中對(duì)大量硬幣的處理十分繁重，利用人工清點(diǎn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且導(dǎo)致銀行等公共企事業(yè)單位增加清點(diǎn)難度和費(fèi)用[2]。目前，國外硬幣處理機(jī)有較早研究，但是設(shè)備龐大，價(jià)格昂貴，國內(nèi)雖然研制出小型硬幣分揀機(jī)，但無鑒偽功能[3-4]。因此，對(duì)硬幣的分類、鑒偽、清點(diǎn)、整理的機(jī)電一體化產(chǎn)品的開發(fā)，可解決硬幣的分揀、回籠問題。所設(shè)計(jì)的是集硬幣分類、整理、包裝和鑒偽功能為一體的裝置。系統(tǒng)主要由硬幣分類模塊及鑒偽、硬幣整理模塊、硬幣包裝模塊三大模塊組成。硬幣分類模塊通過離心盤分離單個(gè)有序排列為一摞，再通過分揀盤實(shí)現(xiàn)硬幣的真?zhèn)舞b別和分類。硬幣整理模塊對(duì)分類硬幣進(jìn)行集整，為后續(xù)包裝做準(zhǔn)備。硬幣包裝模塊對(duì)定量集整硬幣進(jìn)行包裝、鉤邊等操作，三大模塊共同實(shí)現(xiàn)了混雜硬幣分類、整理和包裝。

2 裝置整體設(shè)計(jì)

圖1 裝置設(shè)計(jì)技術(shù)路線圖Fig.1 Device Design Technology Route Chart

圖 2整體機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Overall Mechanical System Architecture Diagram

設(shè)計(jì)采用理論研究與三維建模驗(yàn)證相結(jié)合的方法。以模塊化設(shè)計(jì)，并對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模驗(yàn)證，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。裝置整體設(shè)計(jì)的技術(shù)路線，如圖1所示。裝置整體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

3 硬幣分類模塊

硬幣分類模塊主要由進(jìn)幣口、傳送帶、離心盤、集幣桶和分揀盤等結(jié)構(gòu)組成，實(shí)現(xiàn)定量均勻進(jìn)幣、單個(gè)有序排列及硬幣分類的功能[5-6]，具體機(jī)構(gòu)，如圖3所示。進(jìn)幣機(jī)構(gòu)：進(jìn)幣口主要實(shí)現(xiàn)裝置與外界的交流，上口大、下口小以及內(nèi)部一定斜度設(shè)計(jì)使得硬幣可適量地落于傳送帶上。根據(jù)硬幣的重量、材質(zhì)等特征參數(shù)量優(yōu)化后的設(shè)計(jì)斜度為45°；且傳送帶可使硬幣定量均勻地進(jìn)入離心盤，以防止大量硬幣囤積于離心盤而使其負(fù)載過大，造成電機(jī)堵轉(zhuǎn)而燒壞。離心盤：采用雙擋片內(nèi)側(cè)開雙孔設(shè)計(jì)。托盤的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)硬幣在擋片的內(nèi)、外軌道運(yùn)動(dòng)，內(nèi)擋片開有對(duì)稱的雙孔，混雜硬幣通過內(nèi)側(cè)雙孔作用單個(gè)有序排列而進(jìn)入外軌道，因此，硬幣隨托盤轉(zhuǎn)動(dòng)輸送至收幣筒，并且單個(gè)排列為一摞，以備分揀裝置對(duì)硬幣進(jìn)行分離及分類。離心盤結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖 3分類模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Classification Module Structure Diagram

圖 4離心盤結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Centrifugal Disc Structure Diagram

分揀盤：分揀盤為上齒狀卡盤下托盤的臥式設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)，如圖5所示。齒狀卡盤帶動(dòng)收幣桶中的硬幣在托盤上旋轉(zhuǎn)，依次通過電渦流傳感器鑒偽裝置、電磁鐵偽幣剔除口、1角硬幣孔、5角硬幣孔和1元硬幣孔，依次實(shí)現(xiàn)鑒偽、剔除偽幣及分類硬幣。分類完成的硬幣通過相應(yīng)的軌道進(jìn)入下方的整理模塊。其中，當(dāng)不同的硬幣經(jīng)過電渦流傳感器探頭時(shí)，其等效阻抗會(huì)不相同，由此通過對(duì)比數(shù)據(jù)庫中的阻抗值與測量值的差異以判斷被測硬幣的真假。為此，鑒偽的傳感器首先要進(jìn)行“學(xué)習(xí)”任務(wù)，傳感器采集真幣的數(shù)據(jù)，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入DSP，采用FFT算法把信號(hào)變換到頻域，保存其頻率特性。當(dāng)傳感器正常工作時(shí)，將采集到的瞬時(shí)信息輸入DSP處理器，將其與DSP數(shù)據(jù)庫中的真幣數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，從而判斷出被測硬幣的真假[7]。去偽幣時(shí)，利用控制系統(tǒng)控制電磁鐵滑塊的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)偽幣口的開閉，并動(dòng)作迅速、精準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)偽幣的剔除。

圖5 分揀盤結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Sorting Disk Structure Diagram

4 硬幣整理模塊

硬幣整理模塊主要由同類硬幣匯聚滑道、計(jì)數(shù)軌道、預(yù)備筒、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、集幣筒、齒輪齒條機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)組成[8]，如圖6所示。主要功能是同類硬幣匯聚、硬幣的準(zhǔn)確計(jì)數(shù)、硬幣的集整、以及定量集整硬幣輸送到指定位置。

圖 6硬幣整理模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Block Diagram of the Coin Sorting

硬幣匯聚軌道：基于分揀效率考慮，分揀盤雙側(cè)同時(shí)進(jìn)行硬幣的分類，分揀盤兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行對(duì)硬幣的收集。為了對(duì)同類硬幣的匯聚，將雙軌道匯聚為單軌道以有利于硬幣的精確計(jì)數(shù)及節(jié)約成本；同時(shí)，為確保硬幣能在軌道上順利下滑，通過計(jì)算硬幣的摩擦力與向下的重力，最終優(yōu)化設(shè)計(jì)后確定1元、5角、1角的滑道的傾斜度分別為40°、45°、50°。計(jì)數(shù)器：采用M12激光對(duì)射光電計(jì)數(shù)開關(guān)傳感器直流三線NPN對(duì)硬幣進(jìn)行計(jì)數(shù)，其具有性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、光擾小、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，計(jì)數(shù)快速、準(zhǔn)確[9-10]。預(yù)備筒：已計(jì)數(shù)的硬幣經(jīng)預(yù)備筒傳輸至集幣筒，主要是當(dāng)集幣筒的硬幣達(dá)額定量且曲柄滑塊機(jī)構(gòu)關(guān)閉集幣筒通道時(shí)，對(duì)已計(jì)數(shù)的硬幣起到臨時(shí)存儲(chǔ)的作用。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)：主要是當(dāng)集幣筒的硬幣達(dá)額定量時(shí)，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)起到關(guān)閉預(yù)備筒與集幣筒之間通道的作用，以備收幣筒中定量集整硬幣輸送到指定位置。曲柄滑塊機(jī)構(gòu),如圖7所示。集幣筒：對(duì)硬幣集整及便于對(duì)定量集整硬幣運(yùn)輸。集幣筒，如圖8所示。齒輪齒條機(jī)構(gòu)：當(dāng)收幣筒收集到定量硬幣且曲柄滑塊機(jī)構(gòu)關(guān)閉收幣筒和預(yù)備筒之間的通道時(shí)，齒輪齒條機(jī)構(gòu)運(yùn)送集幣筒水平移動(dòng)到達(dá)指定位置，再由電磁鐵圓盤承接收幣筒中定量硬幣至包裝指定位置，然后，通過齒輪齒條將收幣筒返回原來的位置，利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)打開收幣筒與預(yù)備筒之間通道，繼續(xù)實(shí)現(xiàn)硬幣的集整。機(jī)構(gòu)的運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)硬幣的匯聚、整理及輸送的循環(huán)工作。

圖 7曲柄滑塊機(jī)構(gòu)Fig.7 Slider-Crank Mechanism

圖 8集幣桶結(jié)構(gòu)圖Fig.8 The Chart of Collecting Coin Tube

5 硬幣包裝模塊

硬幣包裝模塊按功能主要分為硬幣摞輸送機(jī)構(gòu)、硬幣摞回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、搓紙機(jī)構(gòu)、鉤邊機(jī)構(gòu)、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)[11-13]。硬幣摞的輸送機(jī)構(gòu)：采用電動(dòng)伸縮推桿與電磁鐵托盤組合，兩者通過軸承連接，形成可上下移動(dòng)和自轉(zhuǎn)為一體的機(jī)械結(jié)構(gòu)，以承接集幣筒中定量硬幣摞，實(shí)現(xiàn)硬幣摞從集幣盤中心穩(wěn)定迅捷地移送至包裝指定位置的運(yùn)動(dòng)。硬幣摞的輸送機(jī)構(gòu)，如圖9所示。硬幣摞回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：硬幣摞隨著其固接的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)，根據(jù)不同種類硬幣實(shí)現(xiàn)相應(yīng)角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，與另外兩固定位置的豎直轉(zhuǎn)棍形成立式三輥立式包裝裝置，并且夾緊硬幣摞[14]。搓紙機(jī)構(gòu)：采用固定位置搓紙機(jī)構(gòu)和引導(dǎo)彈片將包裝紙導(dǎo)入三輥立式包裝裝置，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的立棍和固定位置的立棍轉(zhuǎn)動(dòng)，引導(dǎo)包卷紙圍繞硬幣摞周轉(zhuǎn)包卷兩周半，此時(shí)停止搓紙機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)特制包卷紙實(shí)現(xiàn)斷紙。包卷鉤邊機(jī)構(gòu)：當(dāng)三棍立式包裝裝置高速回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)硬幣摞的包卷時(shí)，電動(dòng)伸縮推桿帶動(dòng)鉤邊機(jī)構(gòu)勻速地上下移動(dòng)，對(duì)硬幣摞包裝紙實(shí)現(xiàn)鉤邊，從而硬幣摞形成硬幣卷。導(dǎo)桿滑道出卷：當(dāng)硬幣摞包裝完成時(shí)，由導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)將已包裝好的硬幣卷導(dǎo)入指定軌道滑出裝置至硬幣卷匯聚處，從而完成硬幣摞的包卷出卷。

圖9 硬幣摞的輸送機(jī)構(gòu)Fig.9 Coin Bundle Conveying Mechanism

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)的硬幣機(jī)械裝置是集硬幣分類、整理和包卷包裝功能為一體的機(jī)械系統(tǒng)，具有高效、精確、耐用的特點(diǎn)。其設(shè)計(jì)主要特點(diǎn)為：（1）通過對(duì)國內(nèi)外現(xiàn)有的各種硬幣系統(tǒng)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一款包括分類、整理、包裝三大模塊中的進(jìn)幣、分揀、檢偽剔偽、整理計(jì)數(shù)和包裝等硬幣包裝機(jī)構(gòu)。（2）提出了一種全新的離心機(jī)構(gòu)，采用雙擋片內(nèi)側(cè)開對(duì)稱雙孔的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了混雜硬幣的單個(gè)排列，既高效又穩(wěn)定，臥式的設(shè)計(jì)也節(jié)約了縱向空間。（3）設(shè)計(jì)了一種集鑒偽、剔偽、分類三種功能為一體的多功能臥式分揀盤，并設(shè)計(jì)優(yōu)化了分揀盤的斜度和開口，可實(shí)現(xiàn)其高效、精確的分揀、鑒偽等功能。（4）由于直線軌道的相互干涉，本裝置設(shè)計(jì)了一種螺旋式的硬幣軌道，設(shè)計(jì)利用了硬幣自身重力將其運(yùn)輸至相應(yīng)的收幣桶，保證了軌道間的預(yù)留間隙，節(jié)約了大部分的空間。（5）提出了硬幣集滿后自反饋關(guān)閉通道的方案并設(shè)計(jì)了彎曲的預(yù)備桶，有效的解決了堆幣和所包硬幣數(shù)量不定的問題。（6）提出一種集進(jìn)紙、送紙、卷紙、勾邊等功能為一體，并模擬打印機(jī)的全新立式三輥包裝機(jī)構(gòu)；針對(duì)硬幣直徑的不同，優(yōu)化設(shè)置了不同的工作狀態(tài)。

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