紙硬幣清分機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

謝顏琳

紙硬幣清分機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

謝顏琳

（湖北文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 襄陽 441002）

針對(duì)目前商場(chǎng)結(jié)算中心及公交公司錢幣種類多、數(shù)量大、堆放雜亂而導(dǎo)致分類清點(diǎn)工作耗時(shí)長(zhǎng)、勞動(dòng)量大、效率低、人力成本高的問題，設(shè)計(jì)一種紙硬幣清分機(jī)。該裝置采用偏心凸輪機(jī)構(gòu)與蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)組合聯(lián)動(dòng)的方式，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)紙、硬幣的初級(jí)分類和整理兩個(gè)功能，提高了紙硬幣的處理效率。

紙硬幣清分機(jī)；創(chuàng)新設(shè)計(jì)；商場(chǎng)；結(jié)算業(yè)務(wù)

通過對(duì)商場(chǎng)的結(jié)算中心及公交公司調(diào)研發(fā)現(xiàn)，紙、硬幣的分離及紙幣整理的工作是日常一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，目前處于大量人工作業(yè)階段，工作過程中的問題與困難并存，制約著結(jié)算業(yè)務(wù)的快速發(fā)展。錢幣種類多、數(shù)量大、堆放雜亂而導(dǎo)致分類清點(diǎn)工作耗時(shí)長(zhǎng)、勞動(dòng)量大、效率低、人力成本高。

目前在世界范圍內(nèi)，硬幣以其成本低、流通次數(shù)多、耐磨損、易回收等無可替代的優(yōu)勢(shì)將占領(lǐng)了小面額貨幣市場(chǎng)[1-3]。而硬幣與紙幣混雜在一起很難清點(diǎn)，所以分類整理工作一直是公交公司、銀行等大型錢幣存儲(chǔ)單位的心病[4]。雖然市場(chǎng)上已經(jīng)有紙硬幣分類裝置，但由于價(jià)格昂貴、一次分離量少、工作效率低等原因不能普及。目前，國(guó)內(nèi)仍普遍采用人工處理的方式，市場(chǎng)需要一種成熟可靠的紙硬幣自動(dòng)處理機(jī)具。

1 整體方案

1.1 紙硬幣清分機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該裝置主要設(shè)計(jì)一個(gè)盛裝錢幣的分理盒，該盒通過軸向往復(fù)振動(dòng)使紙硬幣處于運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，然后通過旋轉(zhuǎn)使分理盒發(fā)生偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于硬幣有一定的重量，可通過分理盒底面的漏幣孔在分理盒振轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中分離出，實(shí)現(xiàn)紙幣與硬幣分離；同時(shí)，考慮從分理盒外部伸入盒內(nèi)一根攪動(dòng)棒，其不隨分理盒進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)，通過分理盒的振動(dòng)并配合攪動(dòng)棒的作用，使紙幣完成基本定位和理順齊整。

設(shè)計(jì)了紙硬幣清分機(jī)，如圖1所示，其主要由機(jī)座、偏心凸輪機(jī)構(gòu)、渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)、分理盒等幾部分組成[5-7]。整個(gè)裝置由步進(jìn)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，并利用位置傳感器反饋信號(hào)控制電機(jī)的換向，以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的相關(guān)功能[8]。通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心凸輪機(jī)構(gòu)推動(dòng)分理盒振動(dòng)，同時(shí)利用與凸輪同軸的蝸輪蝸桿傳動(dòng)帶動(dòng)分理盒在振動(dòng)的同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，將硬幣從分理盒中分離，同時(shí)使雜亂紙幣變得有序。該方案的特點(diǎn)是通過機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，結(jié)構(gòu)緊湊、工作效率較高。

1.2 主要功能

紙硬幣清分機(jī)主要用于公交公司、商場(chǎng)、超市的紙硬幣分類工作，主要具備以下功能：①能夠?qū)⒒祀s在一起的一定數(shù)量紙幣和硬幣進(jìn)行分離；②能夠?qū)⒘闵⒌募垘耪睚R整。

圖1 紙硬幣清分機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.3 工作原理

紙幣規(guī)格大、材質(zhì)輕，而硬幣規(guī)格小、分量較重[9]，可利用紙幣與硬幣間明顯的規(guī)格與材質(zhì)的不同，設(shè)計(jì)一個(gè)盛裝錢幣的分理盒，該盒采用振動(dòng)的方式來軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)使紙硬幣處于運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，然后加入一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)讓分理盒偏轉(zhuǎn)，由于硬幣重量較大，在分理盒上打漏幣孔使硬幣掉出，完成紙幣與硬幣分離；同時(shí)，考慮從分理盒外部伸入盒內(nèi)一根攪動(dòng)棒，其不隨分理盒進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)，通過分理盒的振動(dòng)并配合攪動(dòng)棒的作用，使紙幣完成基本定位和理順齊整。

通過對(duì)中國(guó)現(xiàn)行流通的紙硬幣的規(guī)格、材質(zhì)進(jìn)行分析，得到如表1統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)。

2 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 紙幣、硬幣的分離

紙硬幣分離設(shè)計(jì)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿軸，利用鍵聯(lián)接帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，并與復(fù)位壓縮彈簧一起作用，從而推動(dòng)盛放錢幣的分理盒左右往復(fù)振動(dòng)，使得錢幣在盒中抖動(dòng)；同時(shí)蝸桿軸與安裝在長(zhǎng)軸上的蝸輪相互配合動(dòng)作實(shí)現(xiàn)分理盒的周向轉(zhuǎn)動(dòng)，圓盤形凸輪從動(dòng)件的設(shè)計(jì)上將分理盒的振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)有效合成，分理盒在左右振動(dòng)的同時(shí)與整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)架一起從水平位置正向旋轉(zhuǎn)接近90°，硬幣在這一過程中從分理盒上的漏幣孔中掉落至接幣盤中，實(shí)現(xiàn)紙幣與硬幣的分離。

表1 現(xiàn)行流通紙硬幣規(guī)格和材質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

面值類別尺寸/mm材質(zhì) 100元紙幣長(zhǎng)155、寬77鈔票專用棉紙 50元紙幣長(zhǎng)150、寬70鈔票專用棉紙 20元紙幣長(zhǎng)145、寬70鈔票專用棉紙 10元紙幣長(zhǎng)140、寬70鈔票專用棉紙 5元紙幣長(zhǎng)135、寬63鈔票專用棉紙 1元紙幣長(zhǎng)130、寬63鈔票專用棉紙 1元硬幣直徑25鋼芯鍍鎳 5角硬幣直徑20.5鋼芯鍍銅 1角硬幣直徑19不銹鋼

2.2 紙幣的整理

當(dāng)硬幣從分理盒中分離后，分理盒正向旋轉(zhuǎn)接近至90°位置時(shí)觸發(fā)位置傳感器使電機(jī)換向，分理盒反向旋轉(zhuǎn)接近180°，在這個(gè)過程中由于分理盒持續(xù)左右往復(fù)振動(dòng)，通過伸入分理盒底部的撥幣棒完成對(duì)零散紙幣的撥動(dòng)，同時(shí)利用分理盒四壁的平面，完成對(duì)紙幣的整理作業(yè)。

在完成以上兩步功能后，再次利用電機(jī)使分理盒回到水平位置，一次分類整理作業(yè)結(jié)束。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 功能創(chuàng)新

裝置能同時(shí)實(shí)現(xiàn)紙、硬幣的分類和紙幣的整理兩個(gè)功能。整套裝置采用偏心凸輪機(jī)構(gòu)與蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)組合聯(lián)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)功能，機(jī)構(gòu)組合新穎，結(jié)構(gòu)緊湊。整套機(jī)構(gòu)采用一個(gè)電機(jī)控制，并利用位置傳感器實(shí)現(xiàn)電機(jī)換向，操作簡(jiǎn)單，能有效提高點(diǎn)鈔人員清分的效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.2 運(yùn)動(dòng)軌跡分析

偏心凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)分理盒進(jìn)行左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)[10-12]，并通過壓縮彈簧復(fù)位，如圖2所示。通過模擬試驗(yàn)，分理盒左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)的位移為100 mm。

圖2 偏心凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

偏心凸輪A在電機(jī)的帶動(dòng)下進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，分理盒與凸輪通過高副連接，分理盒可以滑動(dòng)，凸輪在從最低點(diǎn)到最高點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的過程中壓縮彈簧，使分理盒向右滑動(dòng)。在凸輪由最高點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)的過程中，分理盒通過彈簧的彈性勢(shì)能，使分理盒向左滑動(dòng)復(fù)位。

機(jī)構(gòu)的自由度=3－L－H=3×2－2×2－1=1，滿足自由度要求。

蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)如圖3所示，蝸桿在電機(jī)的帶動(dòng)下與渦輪

進(jìn)行嚙合，驅(qū)動(dòng)蝸輪使分理盒翻轉(zhuǎn)。通過模擬分理盒振動(dòng)與翻轉(zhuǎn)合成運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)得出，必須使振動(dòng)頻率高而翻轉(zhuǎn)速度低，這樣才能使紙幣與硬幣充分地分離。為此選擇傳動(dòng)比為1∶8的蝸輪蝸桿，傳動(dòng)比較大，能保證分理盒在快速振動(dòng)的同時(shí)不至于翻轉(zhuǎn)過快，能充分使紙硬幣分理及定位整理紙幣，保證運(yùn)動(dòng)的可靠性。

圖3 蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)

4 結(jié)論

該紙硬幣清分機(jī)根據(jù)目前市場(chǎng)錢幣整理分類短板設(shè)計(jì)，以方便公交公司、銀行、商貿(mào)企業(yè)的結(jié)算中心進(jìn)行紙硬幣初級(jí)分類整理使用，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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TH693.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.052

2095－6835（2019）24－0119－02

謝顏琳（1998—），女，湖北松滋人，湖北文理學(xué)院2016級(jí)在讀本科生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。

〔編輯：張思楠〕