曲柄連桿式硬幣清分機創新設計

陳 鵬，劉文祥，徐文超，吳治遠

1 引言

硬幣清分機是硬幣流通領域中用于硬幣清分的裝備工具，主要應用于公交公司、銀行和商場等日常需要清分大量硬幣的場所。前期市場調研發現，市場上推廣使用的硬幣清分機主要有大型硬幣清分機和小型硬幣清分機兩類，大型清分機設備笨重，盡管清分量大，但其結構復雜，制造成本高，而小型清分機清分量小，清分速度慢，且存在卡幣和錯分等問題。面對國內硬幣清分市場的現實需求，迫切需要研發一款制造成本低、清分效率較高且清分準確的硬幣清分機，因此，當前很有必要進行中型硬幣清分機的創新設計與研發。

2 基于FDM的清分方案設計

增材制造技術，也稱3D打印技術、快速成型技術，該技術是通過CAD設計數據采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術[1]。熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling Molding，FDM），又稱熔絲沉積成型，是一種常見的非金屬增材制造技術工藝，是利用成型材料和支撐材料的熱熔性與粘結性，在計算機的控制下進行成型工件的層層堆積成形。

增材制造技術提供了一條極具成本價值的路徑來快速完成新產品開發過程中反復的設計迭代，其革命性的優勢體現在擴張了設計師的想象空間、縮短了設計到成型的周期以及降低了創意設計的成本[2]。FDM在新產品開發中的應用主要有三個方面：（1）快速原型制作；（2）設計驗證與功能驗證；（3）終端產品的直接制造[3-4]。基于FDM的產品設計方法具有高效性、交互性、可靠性和低耗性等顯著優勢[5]。

為了進行清分方案的設計驗證，應用FDM工藝制作第一代微型原理樣機，如圖1（a）所示。該原理樣機通過料筒送料，使硬幣掉入清分刮板的圓孔之中，通過手搖裝置驅動齒輪齒條機構，使上層的清分刮板相對于下層的清分篩板進行左右往復運動，不同大小的硬幣掉入相應的清分篩板孔中，最終實現硬幣的清分[6]。第一代原理樣機的測試驗證表明清分方案可行，可以實現硬幣的準確清分，但清分效率較低。

為了提高清分效率，并將清分孔排布由一列改為三列。為了實現硬幣的自動喂料與快速清分，設計了上下錯落有致的兩個曲柄連桿機構，驅動喂料推板和清分刮板的左右往復運動。為了進行曲柄連桿機構的功能驗證，應用FDM工藝制作第二代微型原理樣機，如圖1（b）所示。第二代原理樣機測試表明，清分方案科學、合理且可行，達到了設計的預期目的和效果。然而，由于FDM工藝的成型精度較低，影響了整個產品的裝配精度，制約了產品功能的全面實現，因此，有必要進行曲柄連桿式清分機實物樣機的創新設計與研發。

圖1 微型原理樣機Fig.1 Micro Principle Prototype

3 產品功能原理

曲柄連桿式清分機的基本工作過程是硬幣喂料整理、硬幣清分篩選、硬幣分類收集和硬幣計數報警。因此，曲柄連桿式清分機應具備喂料整理、清分篩選、分類收集和計數報警等四種基本功能。

3.1 清分裝置方案設計

曲柄連桿式清分機清分裝置的基本組成，如圖2所示。清分料筒中落入的硬幣，進入上層的清分刮板左右布置的兩列10個漏幣孔中，在清分刮板左右直線往復運動時，清分刮板圓孔中的硬幣，再經過下層的清分篩板左右布置的八列40個清分孔，自動掉入清分篩板下方對應的40個儲幣筒中，從而完成硬幣的快速準確清分。清分刮板與清分篩板孔的直徑根據硬幣的大小設計，保留一定的間隙值。清分篩板的孔間距則根據其運動速度來設計，保證硬幣能順利落入下方儲幣筒中，為了進一步提高硬幣清分效率，清分篩板的孔應設計成鍵槽形，保證其高速運動時，進入的硬幣可以及時掉落。

圖2 清分裝置的基本組成Fig.2 The Basic Composition of the Sorting Device

3.2 機械傳動系統方案設計

曲柄連桿式清分機的機械傳動系統主要采用兩級直齒圓柱齒輪傳動，如圖3所示。由變頻電機驅動三級齒輪，減速并把扭矩傳遞給主軸。主軸上下連接有兩個直徑不同的轉盤，主軸轉動時帶動轉盤轉動，同時驅動轉盤上的兩個曲柄連桿機構，使得喂料推板和清分刮板同步作往復直線運動。上面的連桿連接喂料推板，往復運動的喂料推板使硬幣連續均勻地送入清分料筒；下面的連桿連接清分刮板，清分刮板相對于清分篩板的往復運動，可以實現硬幣的快速準確清分。產品采用曲柄和滑塊來實現轉動和移動相互轉換的平面連桿機構，即曲柄連桿機構[7]。

圖3 機械傳動系統的設計方案Fig.3 Design Scheme of Mechanical Transmission System

曲柄連桿機構連桿的尺寸計算如下：

式中：S1—喂料推板的行程；S2—清分刮板的行程；L1—小轉盤連接孔到喂料推板連接孔的極限距離；L4—大轉盤連接孔到清分刮板連接孔的極限距離。

機械傳動系統采用直齒圓柱齒輪傳動，根據傳遞扭矩的的需要選擇模數為1，兩個傳動齒輪齒數為60，電機齒輪齒數為30，材料45號鋼，齒部高頻淬火。通過理論計算可知，電機所需的轉速為20r/min，因此，選用正反轉調速交流220V齒輪減速電機，電機扭矩5N/m。并對輸出軸、傳動軸和主軸分別進行強度和剛度的校核，軸的結構設計安全可靠。

4 產品設計

4.1 整體造型

曲柄連桿式清分機的基本造型，如圖4所示。

圖4 產品結構示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Product Structure

曲柄連桿式清分機主要由機架、喂料整理裝置、機械傳動系統、清分篩選裝置以及收集計數裝置組成，原動機采用變頻調速電機。根據產品的總體設計方案，完成產品各部分的造型設計后，利用PRO/E軟件，應用TOP-DOWN設計方法進行產品的三維造型設計[8-9]。

4.2 結構設計

產品結構設計時，要考慮產品部件之間的裝配方式，根據相關技術標準與制造工藝、裝配工藝要求進行結構設計[10]。結構設計的主要工作內容包括機架、喂料整理裝置、清分篩選裝置和收集計數裝置的結構設計和裝配方式等。

根據硬幣清分方案可知，要實現均勻連續地喂料，每次的進料量應大致相同。硬幣形狀扁平、不易流動，故不好控制喂料量。為了保證喂料的均勻性與連續性，并使機構更加緊湊，設計一種曲柄連桿式喂料整理裝置，如圖5（a）所示，由曲柄連桿機構驅動直線導軌上的滑塊，使固定在滑塊上的喂料推板作往復直線運動。把硬幣持續裝入左上方料斗中，喂料推板推動裝入的硬幣送入清分料筒內，并進行有序的水平疊放，從而實現硬幣的自動喂料與整理。

清分篩選裝置是整個清分機的執行部件，其結構將直接影響清分機的清分效率。清分篩選裝置的設計不僅要結構緊湊，而且各個清分篩面應布置合理。清分篩選裝置的結構，如圖5（b）所示。由清分料筒、清分刮板、清分篩板、短連桿、大轉盤、滑塊、直線導軌等組成。

收集計數裝置的設計要求能實現大量硬幣的收集與計數，該裝置置于清分篩板的正下方，方便硬幣的快速導出和收集計數，儲料筒兩側對稱布置，每側自左向右依次收集小一角硬幣、五角硬幣、大一角硬幣和一元硬幣，如圖5（c）所示。儲料筒分別安裝在左右兩塊插板之上，利用插板兩側的下部凹槽導向，儲料筒可隨插板一起沿導向塊往外滑出。

由于儲幣筒受到鋁型材厚度的限制，不能直接和清分篩板貼合，收集計數裝置的設計要求能讓硬幣快速準確地落入儲幣筒中，不能有卡幣現象，因此還需要設計導向裝置，該裝置中左右布置的兩個連接板起到硬幣下落導向的作用，連接板由壓板固定在鋁型材之上，其結構，如圖5（d）所示。

4.3 虛擬裝配

完成產品各部分的結構設計與各種零部件的三維數字化建模后，需要進行三維數字化虛擬裝配建模，并通過實物樣機模型的制作來驗證設計方案的合理性與數據模型文件的準確性[10]。并對于前期造型與結構設計方案中考慮不完善的地方進行必要的改進，如產品各主要裝置之間存在的干涉、零部件的結構和尺寸等。

圖5 產品結構設計方案Fig.5 Scheme of Product Structure Design

4.4 機構運動仿真

根據產品的總體設計方案，完成產品的造型設計和結構設計后，在三維數字化設計軟件PRO/E中，建立機構運動仿真模型，進行曲柄連桿機構的運動仿真，驗證曲柄連桿機構的主要設計參數（長短連桿的長度、大小轉盤的直徑）的合理性，分析該機構能否滿足清分刮板和送料推板的行程需要，分析機構運動過程中，機架、機械傳動系統及其他相鄰結構是否存在干涉[9]。

4.5 FDM快速成型

本產品主體框架由（20×20）mm鋁型材組成，清分刮板和清分篩板采用激光切割加工，保證了清分孔的尺寸精度和形位公差。考慮制作成本以及可制造性等因素，本產品的非受力零部件，主要包括料斗、清分料筒、喂料推板、插板、壓板、連接板、儲幣筒等結構零件，采用FDM快速成型制作而成。其中儲幣筒的FDM成型，如圖 6（a）所示。

4.6 設計優化

產品調試時發現當儲幣筒的硬幣達到一定數量而裝滿時，電機不會停止工作，清分裝置繼續清分，將導致硬幣堆積，使得清分刮板在此處卡死而影響整機的持續工作。因此，特設計一種收集計數報警裝置，主要由光敏傳感模塊、激光發射模塊、單片機控制板、蜂鳴器和LED、繼電器、鋰電池組成。單片機控制實現硬幣收集時的光電計數報警功能，光敏傳感模塊可以接受激光發射模塊發射出的光信號，當硬幣沒有裝滿時機器正常運轉，當硬幣裝滿時光敏傳感器產生信號給單片機控制板，單片機控制板控制繼電器斷開，關閉電機的電源，使得機器停止工作，使得蜂鳴器響起報警，同時LED發出紅色光報警。最終研制的曲柄連桿式清分機，如圖6（b）所示。實物樣機測試表明，整機具備了自動喂料整理、準確清分篩選、收集計數報警等功能，硬幣清分效率可達（450～500）枚/分鐘，基本達到了產品預期設計目的。

圖6 零件快速成型及實物樣機Fig.6 Part Rapid Prototyping and Physical Prototype

5 結論

對曲柄連桿式清分機的市場需求、功能原理、設計方案等造型設計相關因素進行了詳細分析，完成了造型設計、結構設計、樣機虛擬裝配、機構運動仿真及產品設計優化。

（1）設計案例包含了基于FDM的創意構思、方案驗證、三維造型、虛擬裝配、運動仿真和設計優化的整個產品創新設計與研發流程，該產品設計程序與方法可為其他基于FDM的機電產品設計提供參考。

（2）機構設計巧妙：三級齒輪傳動驅動曲柄連桿機構運動，分別使硬幣推板和硬幣清分板作左右往復直線運動，實現自動送料與硬幣清分；結構設計新穎：采用五通道清分料筒提高了硬幣清分量，清分篩板設計成兩側對稱結構，通過清分刮板的往復運動可以對其兩側的硬幣分別清分，有效地提高了硬幣清分效率。制作工藝獨特：部分零件采用FDM工藝制作，不僅降低了制作成本，而且提高了研發效率。

（3）本產品相對于市場同類產品具有外形美觀、結構緊湊、體型小巧、造價低廉、設計精巧、操作簡單、清分準確、效率較高等優點，適用于公交公司、銀行、商場等對硬幣清分有小型化、桌面化和高效化實際需求的眾多場合，大大地降低了人工清分硬幣的勞動強度，因此，該產品在公交公司、銀行、商場等領域具有極高的推廣應用價值。