紙幣熨疊機落鈔順鈔機構(gòu)設(shè)計與仿真*

王會中，朱留憲，伍曉亮，李海鵬

(1.四川省高溫合金切削工藝技術(shù)工程實驗室，四川 德陽 618000；2.西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031；3.四川工程職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，四川 德陽 618000)

0 引 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步，紙幣在國際和國內(nèi)市場的快速、大量流通，對紙幣鈔票的整理工作提出了更多、更高要求。對于流通中產(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、效率低以及衛(wèi)生狀況差等狀況，遠遠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)、科技公司以及學者進行了大量研究工作。東北大學范先虎利用MATLAB軟件分析了粘連紙幣進鈔階段摩擦系數(shù)、壓力對進鈔的影響，同時運用RecurDyn對多種進鈔工況進行了仿真分析[1]。鮑照運用RecurDyn建立了送紙機構(gòu)力學模型，理論分析了機構(gòu)材料、尺寸對卡紙的影響，并通過扭矩實驗進行了驗證[2]。龔新玉設(shè)計了一種紙幣零鈔整鈔輸送機構(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提出了一種對齊無序片式產(chǎn)品的裝置[5]。梁金生設(shè)計了一種雙凸輪五桿取紙機構(gòu)，通過運動仿真實現(xiàn)了高速、無紙間摩擦取紙[6]。

綜上所述，對于大量散亂零鈔的整理研究，大多集中于送鈔機構(gòu)的設(shè)計、仿真及優(yōu)化工作，仍存在著傳動機構(gòu)復(fù)雜、零鈔對齊整理機理不明確、難以推廣應(yīng)用等難題。為此，通過對落鈔順鈔機理進行研究，設(shè)計了一種紙幣熨疊機落鈔順鈔機構(gòu)，并進行仿真和試驗驗證，達到了落鈔順鈔機構(gòu)依靠紙幣自身慣性作為動力實現(xiàn)大量零鈔整理時的順鈔、疊鈔功能。

1 紙幣熨疊機

1.1 工作原理

紙幣熨疊機主要由零鈔(紙幣)網(wǎng)帶負壓輸送裝置、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。紙幣熨疊機工作時輸送網(wǎng)帶置于負壓箱并循環(huán)移動，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)帶局部解除負壓，使用正壓風力將輸送網(wǎng)帶上局部解除負壓吸附的零鈔與未解除負壓吸附的零鈔分離而實現(xiàn)零鈔在網(wǎng)帶上陣列輸送；利用正壓風力將對折零鈔翻展鋪開而被負壓整體吸附于網(wǎng)帶；利用蒸汽對折角零鈔從上位和下位分別蒸熨使折角展開；利用軟質(zhì)顆粒或糙面帶滾壓已經(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構(gòu)作用下而順著長度方向進入接鈔輪；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

1.2 落鈔順鈔機構(gòu)

落鈔順鈔機構(gòu)是紙幣熨疊機紙幣零鈔整理的重要機構(gòu)，其功能是將輸送帶上零鈔方向隨機分布的紙幣調(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、跌落進入斜面空間，如圖2所示。

圖2 落鈔順鈔機構(gòu)

進一步在位姿調(diào)整單元作用下，紙幣位姿調(diào)整為沿長度方向滑落進入接鈔輪。設(shè)計時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，由于采用無動力落鈔，設(shè)計時采用較大的斜面傾角(75°)和傾斜導(dǎo)條斜度(68°)，依靠零鈔重力進行落鈔；落鈔順鈔裝置設(shè)計的技術(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為鈔票對角線長度。

落鈔順鈔機構(gòu)工作原理是：當零鈔紙幣長度方向與重力方向呈α為銳角時，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)動滑下，α變?yōu)楦〉匿J角。當零鈔紙幣與重力方向呈β為90°左右時，碰撞一次后變?yōu)殇J角，當零鈔紙幣與重力方向呈γ為鈍角時，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 落鈔順鈔動力學仿真

2.1 有限元模型

為了驗證落鈔順鈔機構(gòu)設(shè)計的合理性，采用有限元方法，基于LS-DYNA對落鈔順鈔進行動力學仿真。在SolidWorks中建立落鈔順鈔機構(gòu)三維模型，為了與實際物理樣機相一致，零鈔散亂隨機分布。將建立的三維模型導(dǎo)入Hypermesh中進行網(wǎng)格劃分，建立有限元動力學模型。為了保證計算精度的準確性，對落鈔順鈔機構(gòu)、紙幣零鈔進行了六面體網(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)點總數(shù)為27 910。因落鈔順鈔機構(gòu)在動力學仿真中變形較小，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

按照落鈔順鈔機構(gòu)設(shè)計要求，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。落鈔順鈔機構(gòu)底部施加SPC固定約束，約束X、Y、Z三個方向的平動和旋轉(zhuǎn)自由度；對散亂零鈔施加重力加速度9.8 m/s2，實現(xiàn)無動力落鈔，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構(gòu)接觸方式為自動面面接觸(ATUOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE)；賦予零鈔殼單元算法，剪切因子設(shè)置為1，積分點數(shù)量設(shè)置為3，賦予落鈔順鈔機構(gòu)實體單元算法，單元類型采用常應(yīng)力實體單元；時間步長因子為0.9，求解時間為2 s。

2.3 結(jié)果分析

計算求解完成后，將結(jié)果文件d3plot導(dǎo)入LS-PREPOST軟件進行后處理操作。由計算結(jié)果可看出，圖為三張零鈔紙幣初始時刻位姿，由于重力作用，零鈔紙幣進行自由落體運動，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動方向，如圖所示。隨著跌落過程的進行，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 紙幣運動軌跡

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

依據(jù)紙幣熨疊機工作原理以及順鈔落鈔機構(gòu)仿真結(jié)果分析，制造了一臺紙幣熨疊機物理樣機，樣機和落鈔順鈔機構(gòu)如圖7、8所示。由試驗可看出，散亂零鈔經(jīng)輥壓、整形，由傳送帶輸送至落鈔順鈔機構(gòu)，進行重力自由落鈔，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)試驗驗證，落鈔順鈔機構(gòu)效果好，如圖9所示，實現(xiàn)了落鈔順鈔功能，滿足了設(shè)計要求。

圖7 紙幣熨疊機樣機 圖8 落鈔順鈔機構(gòu)樣機

圖9 紙幣跌落試驗

4 結(jié) 語

設(shè)計了零鈔紙幣熨疊機落鈔順鈔機構(gòu)，基于LS-DYNA軟件對落鈔順鈔進行了動力學仿真，并制作了物理樣機進行了紙幣零鈔落鈔順鈔試驗。結(jié)果表明，落鈔順鈔動力學仿真與試驗結(jié)果一致，設(shè)計的落鈔順鈔機構(gòu)實現(xiàn)了落鈔順鈔功能，滿足了設(shè)計要求。解決了大量散亂零鈔整理時的順鈔、疊鈔問題。促進了紙幣熨疊機的推廣應(yīng)用，同時為相關(guān)功能的機構(gòu)設(shè)計提供了思路和方法。