基于熱熔膠固封的新型硬幣包裝機電設備設計系統研究

薛銳勇， 周鵬程， 馮武衛

（浙江海洋大學 機械工程系，浙江 舟山 316000）

0 引言

硬幣在世界范圍內屬于常用的流通貨幣，通常為圓形，使用金屬制成，具有堅固耐磨、制作精美、規格整齊、便于識別等優點，廣泛被用于公交和金融機構中[1-2]。但是硬幣使用后，是需要分檢包裝的，如果僅僅依靠人工進行硬幣的清點、包裝，已經難以滿足貨幣高速流通的現代社會[3]。

當今硬幣清分包裝機構多采用紙筒與布袋的包裝方式。布袋的好處是容易打包、不受包裝強度的影響，但是有著無法最大化利用包裝的缺點[4]。紙筒包裝的好處是包裝速度快，缺點是包裝材料再利用麻煩，環保性較差，包裝強度有著不確定的因素。紙筒硬幣包裝機構較為簡單，便于進行大規模包裝作業，但是卻存在設備成本高昂的缺點難以進行大規模的推廣[5]。本文提出并設計了一種基于熱熔膠固封的新型硬幣包裝設備，其具有方便、高效、操作簡單、便于維護等優點。通過大量實驗證明了設備具有可行性。

1 設備設計 硬幣包裝機設計

1.1 總體設計

本設備系統總體設計方案如圖1所示，主要由硬幣進幣機構、硬幣包裝機構、硬幣收集機構、電路模塊構成，并采用單片機進行各個單元的控制。本設備系統采用了熱熔膠對硬幣外壁進行噴涂，為了保證打包效果，采用了多角度噴射的設計，能夠有效固定硬幣。在打包過程中需要實現計數打包功能，設計了一種計數控制系統，采用激光對射計數，并利用單片機編程控制，在整個過程中需要實現整體自動化控制。為了控制其自動進幣機，對進幣的模塊采用了電動機振動將硬幣抖動上料的方式。為了整個系統能夠穩定實現，采用了反饋控制，提高了控制過程的精準性。

1.2 機械結構設計

根據總體設計方案要求，本設備系統機構部分應滿足：1）應實現預設尺寸的要求；2）能夠使實現對硬幣的清點包裝；3）應該滿足一定的結構強度；4）保證單片機可以對整體進行有效的控制。所以將本設備分成硬幣進幣機構、硬幣包裝機構、硬幣收集機構、電路模塊這4個部分。硬幣進幣機構利用激光計數器進行硬幣個數的記錄，當硬幣數量達到單片機預設數量時，再進入硬幣包裝機構；硬幣包裝機構主要利用熱熔膠將整理好的硬幣進行固封；硬幣的收集機構通過推桿電動機將已經包裝好的硬幣堆推入硬幣整理盒，電路模塊通過傳達單片機的命令使得整個設備可以正常工作。

1.3 硬幣進幣機構設計

因為在進幣時多個硬幣堆疊，容易造成計數器計數產生誤差，也容易發生卡幣現象，所以需要設計一種機構在硬幣進幣時就解決堆疊問題。本設備系統在設計時提出了2種解決堆疊問題的方案：

圖2 推桿式防堆疊機構簡圖

圖3 振動電動機進幣設計簡圖

方案一（見圖2）采用了推桿式的設計來解決堆疊問題，該裝置采用推桿，在推桿的頭部安置一個離進幣臺高度大于1個硬幣小于2個硬幣厚度的推幣板，推桿來回推動推幣板來達成防堆疊效果。該方案的缺點是：第一，無法確定硬幣進幣時下落范圍，從而使得防堆疊誤差大；第二，進幣臺與之后裝置之間連接處設計較為困難，無法全面考慮各種情況。

方案二（見圖3）在進幣臺下方設計安裝了一個微型振動電動機，在進幣臺中央安裝一個離臺底面高度大于1個硬幣小于2個硬幣的擋幣板，進幣臺安裝略傾斜，傾斜方向沿進幣臺出口方向向下，傾斜角度為硬幣恰好處于最大靜摩擦力的角度。該方案的原理是:在硬幣處于最大靜摩擦力的時候，給硬幣施加輕微振動，硬幣將自然沿傾斜方向下滑，在經過擋幣板時，堆疊的硬幣將被分開，從而達到防堆疊的效果。而且該方案會使硬幣計數的效果顯著地提高并降低誤差。

經實驗驗證，方案二的可行性較高，效果較好，故采用方案二作為硬幣防堆疊設計方案。

1.4 硬幣包裝機構設計

1.4.1 包裝過程設計

封裝的材料選擇使用了熱熔膠，它相比于傳統的材料具有粘合度高冷卻后硬度較強、密封性好、粘合工藝簡單、回收再利用方便等優點。硬幣包裝過程的方案構思有2種，具體如下：

方案一（圖4）采用了鏈傳動帶動多個載幣臺進行不停止運動的設計，硬幣下落后，停留在載幣臺上，在鏈傳動轉動的過程中，通過固定安裝在載幣臺兩邊的熱熔膠槍將熱熔膠噴涂在硬幣壁面上，從而完成打包動作。在鏈傳動轉動過程中，會帶動載幣臺轉動，當載幣臺處于正下方時，硬幣由于重力原因自然下落到硬幣收集盒，從而完成整個包裝過程。但是由于該方法存在硬幣計數難、整個過程無法精確控制、硬幣下落位置難以確定等因素，故而不采用本方案。

方案二（圖5）采用推桿電動機作為硬幣包裝過程的主體，選擇了激光對射傳感器作為硬幣計數器。推幣機構（將硬幣推至硬幣收集盒）則設計了一個彈片裝置。其具體運行原理如下：推桿電動機在最大行程的位置處，有呈正三角分布的3個熱熔膠槍。硬幣下落至推桿電動機上的載幣臺，當累計到預設個數時，系統打開推桿電動機開關，推桿向下運動，同時熱熔膠槍開始噴膠包裝硬幣，當全部硬幣噴涂完畢時，停止涂膠。在推桿電動機推桿行程偏下方有一個小彈片。當硬幣隨推桿下來時，彈片將包裝好的硬幣彈入硬幣收集盒。之后，推桿上升回至初始位置。完成整個包裝過程。

綜合上述2種方案優缺點，本研究選擇方案二作為硬幣包裝方案。

1.4.2 熱熔膠槍自動進膠設計

如圖6所示，本設備設計的熱熔膠槍自動進膠選取了一個五相四線步進電動機作為動力來源，在電動機齒輪同一軸線上還有一個隨動軸承。整個設計原理如下：隨動軸承與電動機齒輪和膠棒之間形成過盈配合，電動機啟動時，由于配合原因，會帶動膠棒向前運動，因為有著隨動軸承的存在，所以不會發生膠棒運動軌道偏離，或者膠棒受反作用力而遠離運動軌道的情況。選取步進電動機的好處是可以精確地控制進膠量，減少材料的浪費，同時步進電動機的轉矩很大，可以很好地帶動膠棒完成進膠運動。

1.4 ．3 硬幣收集機構設計

如圖7所示，通過在推桿電動機上加入一個簡易隨動（隨推桿電動機）推桿，在推桿電動機行程末設計一個撞針，來共同構成本方案的簡易推幣裝置。其運行原理如下：隨動推桿隨推桿電動機運動而運動，推桿在向下運動的時候，隨動推桿碰到撞針的下端，撞針發生位置改變，撞針上端碰到硬幣將硬幣推下推桿電動機。推桿電動機向上運動的時候，隨動推桿將撞針推回原位。

圖4 鏈傳動包裝方案簡圖

圖5 推桿電動機包裝方案簡圖

圖6 進料機構簡圖

1.4.4 控制模塊設計

控制模塊采用單片機控制，電路編程語音采用C語言，本裝置的控制程序，可以通過改變程序參數來改變步進電動機轉速、單次包裝數量，以及推桿電動機控制，從而實現高效的自動化效果。控制系統流程圖如圖8所示。

圖7 硬幣收集機構簡圖

圖8 控制系統流程圖

步進電動機屬于開環伺服系統的執行元件，通過電脈沖信號控制其中相繞組電流從而滿足定角轉動的一種機電元件，相比于其它的電動機便于開環精確控制并且無積累誤差等。步進電動機控制的方法有很多，其控制功能強，靈活性好，單片機是常見的一種控制器，步進電動機既有傳統的控制方式，也采用PLC進行控制，目前成為步進電動機的主要控制裝置，而且步進電動機體積小、重量輕、成本低，從模擬控制轉變為以單片機為核心的數字控制，是最新一代電動機的控制方式。步進電動機單片機系統設計必需滿足以下功能：實現對步進電動機的轉速、轉向、轉動角的有效控制。同時滿足簡單的操作界面。這就依靠于硬件部分和軟件部分構成的步進電動機的控制系統必須與其他電動機控制系統一樣的模塊。硬件部分分為電源、單片機、顯示器、驅動和輸入設備等部分。軟件部分則需要實現對輸入部分，以及步進電動機轉速、轉向和轉動角的控制。1）單片機在編寫控制程序完成之后，通電單片機運行該程序，借助I/O輸出口發送波形脈沖，從而控制步進電動機工作。在此過程中，控制系統界面上，步進電動機運動狀態會顯示出來。控制系統運行的一系列過程中完成了對步進電動機的實時操控，滿足這樣的條件需要單片機上裝有接收模塊，并根據步進電動機的運行狀態整理參數。2）單片機的步進電動機控制系統編程之前要對單片機的每個接口進行定義，同時確定電動機驅動函數定義。再進行顯示屏的編碼定義，之后設置初始化函數預設定義。具體步驟：a.針對液晶顯示器的左半屏的數據進行寫入，然后再進行右半屏。b.編寫主函數須先將已經確定的漢字編碼地址發送到之后要顯示的地址上，再將主函數進行循環。c.通過查詢便可以確定步進電動機的運行速度。

2 整機模型及實驗

工作原理如圖9所示，硬幣進入進幣臺后，振動電動機1開始工作，硬幣將沿預設軌道下滑，在通過軌道2時，激光傳感器3將開始計數。當計數40個時（可編程控制，此處以40為例），振動電動機關閉，3 s后推桿電動機5開始下降，同時包裝裝置4開始工作，將硬幣包裝。在下落到推幣機構6上方時，推桿電動機將暫停工作7 s，等待包裝材料冷卻，之后推桿電動機繼續下落，推幣機構6將會把包裝好的硬幣推入硬幣收集裝置。

本系統首先利用SolidWorks建立3D模型圖，如圖10所示，采用五相四線步進電動機、11 mm膠棒、激光計數器、單片機、振動電動機、運動電動機、推桿電動機、歐標2020鋁型材、2020角鋁，以及3/5 mm亞克力板部分3D打印零件制作實物模型，實物圖見圖11。

通過多次實驗和參數優化設計，本文設計的硬幣包裝設備實現了高效包裝過程，針對不同硬幣大小及數量，可以事先在控制系統中進行參數設計，以期達到柔性、可變的要求，拓展了本系統應用的范圍。

3 結語

本文通過對硬幣包裝機構的分析和研究，自主設計了一種基于熱熔膠固封的新型硬幣包裝系統，并進行了實物設計及實驗驗證。實驗結果證明，該包裝系統具有成本低、功能豐富、操作方便以及與周圍環境相協調的優點。本設備可應用于公交公司、銀行、商場等有著大量硬幣流通的場合，目前該類企業硬幣清點包裝工作大多采用人工方式，耗時，耗力，所以本系統的開發和研究對提高硬幣包裝的效率有很大意義，應用前景非常廣闊。

圖9 工作原理

圖10 設備3D模型圖

圖11 硬幣包裝系統實物圖