點鈔機進鈔機構動態分析和仿真研究

劉明等

摘 要： 點鈔機的卡鈔現象是影響點鈔速度的主要因素，這種類似現象也存在于傳真機、自動取款機、沖印機等介質傳送系統中。為解決該問題，以HT?9000A型點鈔機的紙幣進給機構為研究對象，仿真分析點鈔機紙幣在進鈔機構中的動態行為，利用多體系統動力學仿真軟件RecurDyn，根據建立的點鈔機紙幣傳送機構的幾何模型，分析在此過程中紙幣與捻鈔輪之間的接觸力，對不同進鈔角度的紙幣運動速度以及運動軌跡進行運動仿真。結果表明選擇11.5°～12.5°范圍內的進鈔角度能使紙幣按照理想軌跡運動，同時能使紙幣的進鈔速度穩定，從而降低了卡鈔現象發生的概率。

關鍵詞： 點鈔機； 進鈔機構； 運動仿真； RecurDyn

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）08?0124?04

Dynamic analysis and simulation research on speed and stability of banknote feeding mechanism in cash?counting machine

LIU Ming， ZHAO Zuo?xi， SUN Dao?zong， LIU Xiong， SHI Lei， JIN Jun?dong

（1. South China Agricultural University， Guangzhou 510642， China； 2. Guangzhou Kangyi Electronics Co.， Ltd.， Guangzhou 510235， China）

Abstract： The blocking phenomenon of cash?counting machine is the main factor to affect the counting speed. The similar phenomenon also exists in the automatic teller machine， fax machine， printing machine and other media delivery systems. In order to solve this problem， taking the paper money feeding mechanism of HT?9000A type currency?counting machine as the research object， the dynamic behavior of the paper money feeding mechanism is simulated and analyzed. By using multi?body system dynamics simulation software RecurDyn， based on the geometric model of currency?counting machines transmission mechanism， the contact force between paper money and money entwisting wheel is analyzed. The results show that the money feeding angle range of 11.5°～12.5° can make the notes move in the ideal trajectory， make the machine keep stable note feeding speed， and make the occurrence probability of the blocking phenomenon reduced.

Keywords： cash?counting machine； banknote feeding mechanism； motion simulation； RecurDyn

0 引 言

隨著社會、經濟的快速發展，紙幣大量流通，假幣泛濫給國家經濟社會帶來了很大的危害[1?3]，市場需求能更大量的點鈔和更準確的驗鈔的點鈔機出現[4?8]。進鈔機構是影響點鈔機走鈔平順性及鑒偽能力關鍵部件之一。因此，有必要對點鈔機走鈔機構進行研究分析，目前，通過制造樣機進行試驗的方式設計周期長、成本高[8]。通過軟件建立虛擬樣機的設計方法可以縮短設計周期、降低成本[9?10]。本文以廣州康藝HT?9000A型點鈔機的進鈔機構進行點鈔機進鈔機構動態分析和仿真研究。得到在不同的進鈔角度下，紙幣在傳送過程中的速度變化及紙幣前端的運動軌跡。通過對仿真結果進行分析得到最合適的進鈔角度范圍，供設計參考。

1 進鈔機構進鈔介紹

目前，我國市面上生產的點鈔機的進鈔機構大多采用上分鈔式進鈔機構[11]，故本文以康藝JBYD?HT?9000系列點鈔機為研究對象，其具體的機械結構及裝配框架如圖1（a）所示。點鈔機走鈔機構具體的機構主要包括入鈔部分，走鈔部分和接鈔部分。入鈔部分主要由滑鈔板、送鈔舌、阻力橡皮、落鈔板、調節螺絲、捻鈔膠圈等組成。走鈔部分主要由出鈔膠輪、出鈔對轉輪組成。接鈔部分主要由接鈔爪輪、托鈔板、擋鈔板等組成。這種點鈔機的走鈔軌跡具體如圖1（b）所示。

本文實驗平臺、仿真及研究是針對進鈔臺走鈔滾輪，利用Pro/E對其進行三維制圖，具體如圖2所示。圖中黑色部分為進鈔橡膠捻輪，圖右下角齒輪為傳動齒輪。

以進鈔臺后可調螺絲與進鈔臺平面間的直線為基準，其與進鈔臺平面之間的夾角即為進鈔角度，如圖2所示，紙幣前端的理想運動軌跡應為：紙幣前端沿著進鈔臺滑鈔板進入走鈔通道，沿著進鈔臺底座上平面邊界點與第一對送鈔滾輪組接觸點連線方向進入第一對送鈔滾輪組，后經高速傳送經過第二對送鈔滾輪組。最后經過接鈔葉輪到擋超板，紙幣前端如果偏離了理想運動軌跡就容易與送鈔滾輪組發生碰撞，造成紙幣前端與后端速度不一致，紙幣發生折彎導致卡鈔現象。故點鈔機紙幣傳送機構的設計顯得尤為重要。而紙幣傳送機構中進鈔機構的進鈔角度的選擇對紙幣的運動軌跡有很大的影響。

2 重要參數的試驗測算

為了能夠精準地仿真分析，主要對送紙機構各部件（紙張、捻鈔輪、管輪組）進行物性分析以及對各部件參數進行實驗測量。

2.1 紙幣撓性分析

紙張在機械負荷作用下具有一般力學拉伸、壓縮、扭轉、彎曲、彈性等性質。有必要首先研究紙張撓曲特性。得出紙幣撓性參數。以供仿真的精確。對于紙張的撓性分析分別從搭建實物實驗和放到RecurDyn仿真軟件里兩個方面進行分析，具體如圖3所示。圖中在一水平桌面上將新版100元紙幣置于紙盒上方1 mm處釋放，形成自由落體和彎曲后，測量紙張邊緣距離桌面的高度以及紙張邊緣距離紙盒中心的橫向距離分別是41 mm和82 mm。在RecurDyn軟件的機構分析仿真中，試驗中假設紙張在剛體下可變形，紙張的尺寸為新版100元人民幣，長為165 mm，寬為77 mm，厚為0.1 mm。在仿真軟件中設定鈔票用紙的物性參數，大小支撐物上方1 mm 處的模型，得到自由落下后，鈔票所產生的撓曲圖形，仿真結果是測量紙張邊緣距離桌面的高度以及紙張邊緣距離紙盒中心的橫向距離分別是40.52 mm和82.31 mm。

通過對比仿真與實驗結果表明，改紙幣的模型的建立是合理的。

2.2 捻鈔輪轉動慣量的計算與實驗驗證

為準確地仿真，本文利用三維制圖軟件SolidWorks對捻鈔輪各部件進行實體建模測算出轉動慣量，按照其實際位置關系進行裝配，并通過扭擺法實驗測量捻鈔輪的轉動慣量以此來驗證軟件計算的正確性。

2.2.1 用SolidWorks計算捻鈔輪的轉動慣量

轉動慣量又稱慣性力矩，是剛體轉動時慣性的量度，其量值取決于物體的形狀、質量分布及轉軸的位置。質量分布均勻、外形簡單的零件可以用公式計算出其轉動慣量，而外形尺寸比較復雜、形狀不規則、由多個零部件組成的旋轉體，如本文中的捻鈔輪，無法通過計算公式來算其轉動慣量，就可以用SolidWorks來對其三維建模，并設定其每個零部件的質量參數從而計算捻鈔輪的轉動慣量。

在SolidWorks中建模完成后，打開SolidWorks選擇工具欄中的“質量特性”命令，應逐一設定零件的密度、質量、體積、表面積、重心及轉動力矩等數據信息。結果顯示三維建模后捻鈔輪轉動慣量為48.857 kg·mm2，如圖4所示。

2.2.2 扭擺法驗證捻鈔輪的轉動慣量

根據虎克定律，可知若要測量任何一種物體的轉動慣量，測出擺動周期T，就可算出其轉動慣量I，因此本文采用扭擺法來測得捻鈔輪的擺動周期，進而測算出其轉動慣量。實驗如圖5所示，將物體在水平面內轉過一角度后，在彈簧的恢復力矩作用下，物體就開始繞垂直軸作往返扭轉運動。

本實驗通過帶有光電門的轉動慣量測試儀來記錄扭擺彈簧做簡諧運動的周期，多次實驗求平均值，每次實驗記錄5組數據，最后取平均數算得簡諧運動周期。在金屬載物盤上放置所研究的捻鈔輪，測量扭擺彈簧做簡諧運動的周期，所得實驗數據如表1所示。

根據原理公式計算出捻鈔輪的轉動慣量： [I=KT24π2-I0]=47.4 kg·mm2。

通過對比發現通過軟件計算所得出的捻鈔輪轉動慣量值與實驗所得相差3%，所以本文得到的轉動慣量真實可靠，可以為接下來的軟件仿真提供數據支持。

2.3 滾輪間壓力測定

如圖6所示，將壓力傳感器置于送鈔滾輪組之間，用兩條信號線分別連接壓力傳感器的兩個引腳，把萬用表調節到電阻測量檔位，兩根表筆分別與兩根信號線相連，讀取并保存萬用表數據，根據萬用表讀取的數據查壓力電阻變化曲線得到對應的壓力值。

3 仿真建模與分析

根據第2節中建立的點鈔機紙幣傳送機構簡化模型，在仿真軟件中建立點鈔機紙幣傳送機構三維模型。之后依次建立紙幣模型、驅動輪模型從動輪模型、進鈔臺模型及添加運動、添加部件之間的約束副。在建立模型時分別對各部分的物性參數進行設置，根據之前實驗測定的紙幣撓性、捻鈔輪轉動慣量、滾輪軸間壓力及存在可查的物性參數進行設定，最后進行運動、運動副的設定。這樣整個仿真分析模型就可以得到正確建立，如圖7所示。

點鈔機作為一種紙幣鑒偽、清點裝置，其鑒偽的準確率及清點速度的快慢是評價其性能優劣的兩個重要指標。紙幣在走鈔通道運動過程中應盡量靠近磁頭通過。否則，紙幣在運動過程中如果與其發生碰撞則容易發生卡鈔現象，影響清點速度。而進鈔角度正是影響過鈔是否平順和卡鈔的重要因素，因此，本文基于康藝JBYD?HT?9000型點鈔機利用仿真軟件分析進鈔角度對于紙幣運動軌跡的影響，紙幣理想的運動軌跡為：紙幣沿著進鈔臺導軌進入走鈔通道，沿送鈔滾輪組接觸點方向進入送鈔滾輪組。如圖8（a）所示，以驅動輪中心轉軸點向右平移14.08 mm，向下平移50 mm為原點建立平面直角坐標系，在此坐標系中繪制紙幣前端點在走鈔通道中的理想運動曲線如圖8（b）所示。

在仿真軟件中設定捻鈔輪的角速度為30 rad/s，滾輪對中主動輪的角速度為40 rad/s，滾輪對之間的正壓力設為15 N。設定4種不同的進鈔角度，10.5°，11.5°，12.5°，13.5°，后進行仿真求解，得到紙幣的運動速度如圖9所示。運動軌跡如圖10所示。

4 結 論

通過以上仿真結果分析，可以得到如下結論：

（1） 隨著進鈔角度的增大，紙幣前端的運動軌跡與理想運動軌跡更加接近，有利用點鈔機的清點、鑒偽過程。

圖10 紙幣仿真運動軌跡

（2） 隨著進鈔角度的增大，紙幣的進鈔速度加快，可以加快點鈔速度。同時隨著進鈔角度增大，紙幣在進鈔階段速度抖動增大，影響進鈔的平順性。

（3） 綜合以上兩點考慮，選擇11.5°～12.5°范圍內的進鈔角度能使紙幣按照理想軌跡運動，同時能使紙幣的進鈔速度穩定。

注：本文通訊作者為趙祚喜。

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