基于Pro/E的新型硬幣包卷機的機械結構設計

魏 鼎，荊學東，康思聞

（1.陜西科技大學 機電工程學院，西安 710021；2.上海應用技術學院 機械工程學院，上海 201418）

0 引言

銀行、公交等具有大量硬幣處理業(yè)務的金融機構和企業(yè)需要專用的硬幣清分機和包裝機，以有效的處理回籠的硬幣，并使之重新進入流通領域，從而調節(jié)硬幣的供求[1]。然而，目前硬幣的自動包裝設備與市場要求尚有較大差距。其一是現(xiàn)有產品體積大且價格較高，主要面向銀行的貨幣庫處理中心或造幣廠[2,3]，不便于其他用戶使用；其二是由于市場現(xiàn)有硬幣包裝機結構復雜，包卷過程繁瑣，導致包裝機成本較高[2,4]。為解決這些問題，需要設計具有新型機械結構的硬幣包卷機。

1 硬幣包卷機工作原理及機械子系統(tǒng)

硬幣包卷機的主要功能是實現(xiàn)散裝硬幣的自動清分、計數、檢偽以及包卷功能，其中的包卷系統(tǒng)由控制子系統(tǒng)和機械子系統(tǒng)組成。機械子系統(tǒng)可分為6個功能單元，如圖1所示。

本文設計的硬幣包卷機的工作原理是：1）散裝硬幣堆積在加速轉盤中，轉盤高速旋轉，硬幣在離心力作用下緊貼轉盤邊沿做圓周運動；2）硬幣通過轉盤下部的缺口進入滑道，同步帶緊壓硬幣上表面在滑道上高速滑行，在此過程中，完成對硬幣的檢偽、剔除偽幣以及分類計數任務；3）硬幣在滑道末端落入堆碼桶，堆積成50枚一組的圓柱狀成組；4）上下卡爪相向運動夾緊硬幣成組，之后移送單元旋轉30°使硬幣成組轉移到包卷位置；5）三輥子包卷機構相向運動，輥子與硬幣成組圓周面接觸并保持一定夾緊力；6）供紙單元電機啟動，搓紙輪搓入預先裝入的標準規(guī)格包卷紙，同時三輥子包卷機構開始旋轉，把包卷紙卷繞在硬幣成組表面，當包卷紙邊沿通過折邊機構時，包卷紙在折邊機構的限位作用下受迫變形，從而實現(xiàn)折邊；7）包卷完成后，卡爪反向運動松開硬幣成卷，移動到堆碼位置等待下一輪夾持移送過程；三輥子機構反向運動，松開成組。硬幣成卷自由落下，進入收集器。包裝機工作流程如圖2所示。

圖2 包裝機工作流程圖

2 方案設計

本文針對現(xiàn)有的硬幣包裝機的不足提出了新型設計方案，具體體現(xiàn)在以下三個方面：

1）傳統(tǒng)硬幣包裝機大多采用豎直落幣方式，即從堆碼位置豎直向下將硬幣組移送到包卷位置，該方法使整機豎直方向尺寸過大，不便于連續(xù)向機器中投放硬幣。本文采用圓周軌跡硬幣成組移送單元（如圖3和圖7所示），使整體機械系統(tǒng)（如圖6所示）呈現(xiàn)上下兩層結構，即硬幣加速單元和硬幣排列單元處于上層，硬幣堆碼和包卷單元處于下層，減小了整機體積。

圖3 三輥子包卷機構及移幣機構軌跡示意圖（俯視）

2）傳統(tǒng)的卡爪頭與折邊器分離式設計，需要為折邊器配置專門傳動機構，而且增加包卷步驟，降低了包卷效率。本文采用一種新型硬幣組移送卡爪（如圖4所示），在該卡爪頭部側邊安裝有可伸縮折邊鉤，該折邊鉤通過三輥子包卷機構對夾動作迫使折邊鉤的工作面向硬幣邊緣運動，包卷完成后，三輥子包卷機構張開，折邊鉤在彈簧作用下恢復到初始位置，由此可省去專門的折邊機構。

圖4 移幣卡爪頭結構圖

3）傳統(tǒng)硬幣包裝機使用連續(xù)供紙方式，需要專門配備切紙機構，導致設備體積過大。本文采用打印機進紙方法，使用預制規(guī)格包卷紙、紙盒連續(xù)供紙、搓紙輪搓紙、單張進紙方式，包卷紙在省去了切紙環(huán)節(jié)提高了包卷速度（如圖5所示）。

圖5 進紙機構裝配圖

3 三維模型建立

首先在Pro/E零件建模環(huán)境下建立機械子系統(tǒng)的各功能單元的零件模型，然后通過執(zhí)行“元件”、“裝配”命令，添加約束關系完成供紙組件、三輥子組件、夾持移幣組件、加速排列組件的建立，再將其通過同樣的方式裝入總裝配模型中，圖6是實驗機虛擬裝配模型（為方便觀察，機架部分已隱藏）。使用Pro/E三維建模軟件建立的三維模型可以方便的生成二維工程圖，為制作物理樣機做好準備[5]。

圖6 實驗機裝配模型

4 組件干涉檢查和運動仿真

利用虛擬模型進行干涉檢查可以有效的檢查出復雜裝配體在零件設計時出現(xiàn)的尺寸錯誤，方便的修改模型的形狀和定位孔位置尺寸，從而快速完善模型，加速樣機設計。

通過Pro/E組件模塊下“分析”菜單的“模型”按鈕下的“全局干涉”窗口，對裝配體進行干涉分析。先對前述子組件進行分別檢查，再對總裝配體進行干涉檢查。在排查干涉過程中，發(fā)現(xiàn)的開槽螺母與螺柱件的干涉屬于正常現(xiàn)象，不需修改；個別零件間確有干涉，經過修改后，再次做干涉檢查，結果顯示“沒有干涉零件”。

在三維建模過程中運動分析是模擬所設計產品的機構運行情況，為設計評估提供依據。本文采用Pro/E機構運動學分析仿真模塊，對機構添加伺服電動機、定義測量項目，獲取機構動態(tài)影像，和分析圖線[6]。

以上下卡爪為例說明仿真過程。利用Pro/E仿真可以直觀的觀察上、下卡爪的運動狀態(tài)，并得到位移圖；從而確定上、下卡爪能否夾持住硬幣成組，張開后會不會與皮帶輪干涉。在本例中將伺服電機添加到梯形絲杠齒輪軸上，設置相應的運動方向、速度、運動時間和顯示幀數。分析機構的運動過程，然后定義測量項目，測量上下卡爪的位移圖（如圖8所示）。該曲線表示，上下卡爪首先在硬幣堆碼位置等待，然后上下相向運動夾緊硬幣，待移送機構把硬幣組移送到包卷位置并完成包卷（此過程上下卡爪不動），然后上下卡爪松開；從位移圖中可知，現(xiàn)行方案滿足設計要求。

圖7 移幣機構裝配體

圖8 移幣機構裝配體運動仿真曲線

其他機構的運動學仿真，包括三輥子包卷機構、硬幣夾持單元、硬幣加速單元，也可以按照此方法得出預定的位移圖線；仿真結果表明，它們都實現(xiàn)了預定功能。

5 結論

本文根據硬幣包裝機市場需求和已有硬幣包卷機的不足，設計了一種新型硬幣包卷機系統(tǒng)。設計中特別對進紙機構、移幣機構和折邊機構做了改進，整合了折邊機構和移幣機構，縮小了整機體積，減少了包卷步驟，從而提高了包卷效率。按照實驗參數最高處理硬幣速度可以達到1500枚/分鐘。

[1] 中國人民銀行上海分行貨幣金銀處課題組.芻議人民幣硬幣流通規(guī)律及問題[J].上海金融,2005,(2):55-57.

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[3] 鐘偉,張建國,李金山,陳金源.基于PLC控制的全自動硬幣包裝線系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化,2011,33(11):148-149.

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[5] 吳懷超.ProE和AutoCAD聯(lián)合設計二維工程圖的方法研究[J].煤炭技術,2010,29(8):10-11.

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