自動化臺式硬幣包裝機的設計創新與研制擇析

摘 要：隨著我國經濟的迅猛發展，硬幣的投放量和流通量不斷增加。硬幣的流通出現了許多社會問題：硬幣的供應量不足，如在超市，火車站等單位經常發生無法找零的問題；在公交公司，地鐵等單位又存在散幣太多不好清理，整點等問題。中轉單位銀行的硬幣整點工作量又不斷增加。市場上急需要一種快捷方便的硬幣包裝機器。

關鍵詞：自動化；硬幣包裝機；設計創新；研制

1 概述

縱觀國內外硬幣包裝處理技術及其設備研究的發展趨勢，在朝著多樣、自動和小型智能化方向發展，硬幣包裝機構實用性的研究與開發應以“簡單實用、操作方便、安全可靠、成本低廉”為原則。隨著輔幣的硬幣化的推行和硬幣投放量的增加，有更多的銀行儲蓄所、超市商場、公交部門等面臨硬幣處理和規范化硬幣回籠的實際問題。同時，隨著近年來基礎技術研究的進步，此方面的設備和技術也面臨著更新換代。可以說，開發出適合我國國情的、性能先進、功能完善、符合我國使用標準和使用規范習慣的自動化臺式硬幣包裝機來滿足廣大用戶的需求，是有著重大的現實意義的，產品也肯定有著廣闊的應用前景和良好的經濟前景。

2 系統的結構及工作原理

自動化臺式硬幣包裝機的應用，相比較現有的硬幣包裝技術，采用了轉盤機構，傳送帶機構，彈簧壓緊機構，滾軸送紙機構等實現了硬幣的自動整理包裝，并且產品中壓緊裝置模仿車床中頂尖工作原理，使硬幣在壓緊狀態下能夠保持旋轉，同時送紙機構把紙送到旋轉的硬幣表面上，然后完成一系列動作，最終實現硬幣的計數，堆疊，包裝等一系列動作。

2.1 用總體運動系統

如圖1所示，硬幣通過轉盤的轉動而落到皮帶上，再由皮帶傳送到集幣筒中，壓好壓緊裝置，把紙送到集幣筒中，硬幣旋轉而把其自身包好。

2.2 控制要求

控制轉盤電機正反轉，并且自動循環，并且在一定時間（設定值）后立即停止。

控制傳送帶電機在轉盤電機啟動前一秒啟動，防止硬幣卡在傳送帶上。并且在轉盤停止后的一定時間（設定值）停止。

控制滾筒電機在轉盤電機停止后的一定時間（設定值）開始啟動，啟動一定時間（設定值）后停止。

2.3 PLC控制程序

（1）控制傳送帶電機啟動以及停止

按下開始按鈕，傳送帶電機啟動，由計時器T70控制轉動時間（初設值25秒）。

（2）控制轉盤電機正反轉以及停止

由計時器T63（初設值1秒）觸發中間繼電器M1。通過中間繼電器，控制電機的正反轉，通過調節T66調節正轉時間（初設值5秒），調節T65調節反轉時間（初設值1秒）。由計時器T64（初設值20秒）或者計數器C0（初設值50）控制轉盤電機總轉動時間。

計數器C0對傳感器輸入信號計數，計數值即錢幣數目50。當計數器計數到達50后，控制轉盤電機停止轉動，觸發計時器T67（初設值6秒）計時，由T67控制滾筒電機開始轉動，由計時器T68（初設值15秒）控制滾筒電機停止轉動。

3 系統的優化設計與創新

3.1 系統的優化設計

3.1.1 總體設計

自動化臺式硬幣包裝機能否實現既定的功能關鍵在于各電機同時轉動時各機構能否協調穩定的工作，因此只有設計好各電機的結構尺寸才能合理、協調地實現其功能。

（1）轉盤電機和傳送帶電機：P=14w，N=110r/min，電機軸直徑R=7mm，可計算該電機的扭矩與扭力。

T=9549P/N=9549×0.014÷110=1.215N·M

F=T/R=1.215÷0.007=173.62N

（2）堆幣筒電機：P=8w，N=150r/min，電機軸直徑R=7mm，可計算該電機扭矩與扭力。

T=9549P/N=9549×0.008÷150=0.509N·M

F=T/R=0.509÷0.007=72.71N

（3）送紙電機：P=10w，N=30r/min，電機軸直徑R=6mm，可計算該電機扭矩與扭力。

T=9549P/N=9549×0.01÷30=3.183N·M

F=T/R=3.183÷0.006=530.5N

（4）同步帶：型號：HTD5M，齒型：T型齒，節距=5.00mm，帶寬=30mm，齒高=2.06mm，帶厚=3.8mm，周長=595mm，齒數=119齒，拉伸強度≥160N/mm，參考力：130N/mm（伸長率≤4%），硬度：75±5。

（5）同步輪：材質：鋁合金，齒型：HTD5M，齒距：5mm，內孔徑：12mm，齒面外徑：39mm，檔邊外徑：44mm。

（6）軸承及軸承座：我們選用標準件：KFL08、KFL000、KFL001。

螺釘：M4，L=15mm，20mm若干；M6，L=15mm，20mm若干，M3，L=15mm自攻螺釘若干。

（7）彈簧：線徑d分別為0.8mm和1.5mm，展開長度L約為80mm和40mm各一根。

（8）亞克力板箱體：拉伸強度65MPa，彎曲強度110MPa，介電和電絕緣性能良好。

3.1.2 強度與剛度校核

自動化臺式硬幣包裝機對滑箱板與箱體板的強度設計沒有特別要求，必然滿足使用條件。對于軸，由于其功率大概14W，徑向剪切應力也在許用應力范圍之內，對于導桿，其承載了整個滑箱以及大部分軸的重量。為此結合此作品的結構及設計要求對導桿件進行了校核。

3.1.3 壓緊裝置壓緊力計算與校核

對壓緊機構進行分析，顯然，筒中硬幣在壓緊前提下能夠轉動的條件為壓緊固定圓筒中的彈簧彈力小于堆幣筒電機輸出的力，首先計算堆幣筒電機的輸出扭矩與扭力。

T=9549P/N=9549×0.014÷110=1.215N·M

F=T/R=1.215÷0.007=173.62N

現計算彈簧下壓的彈力：

由胡克定律可知：F=kΔx

其中：F為彈力，k是勁度系數，△x是彈簧形變量壓緊裝置中所選用彈簧的部分參數如下：

上彈簧：線徑d=1.5mm外徑Do=14mm有效圈數Nc=6

下彈簧：線徑d=1.0mm外徑Do=13mm有效圈數Nc=13

兩段彈簧所用材料均為碳素鋼，由以上數據可計算彈簧的勁度系數：

K=G·d4/（8NC·Dm3）

其中：G=線材的剛性模數，單位N/mm^2（即切變模量）：碳素彈簧鋼絲（如65Mn）以及常用彈簧鋼絲79000；不銹鋼絲71000，硅青銅線G=41000（其他詳見機械設計手冊（第五版）第三卷P11-10）。

d=線徑

Do=外徑

Dm=中徑=Do-d

N=總圈數

Nc=有效圈數=N-2

代入數據可計算得：

K1=（7900×1.5×1.5×1.5×1.5）÷（8×6×12.5×12.5×12.5）=4.27N/mm

K2=7900÷（8×11×12.2×12.2×12.2）=0.501N/mm

上下彈簧壓縮量分別為Δx1=10mm，Δx2=40mm，可計算上下兩段彈簧總壓緊力：

F壓=F1+F2=k1Δx1+k2Δx2=4.2710+0.50140=62.74N<72.71N

因此滿足機構轉動條件。

3.2系統的創新點

本系統采用了轉盤、傳送帶機構、彈簧壓緊機構、送紙機構及亞克力板箱體等組裝而成，產品長430mm，寬230mm，高364mm，硬幣通過轉盤的轉動而落到皮帶上，再由皮帶傳送到集幣筒中，壓好壓緊裝置，把紙送到集幣筒中，硬幣旋轉而把其自身包好。其結構簡單，操作方便，安全可靠，成本低廉。

（1）使硬幣整理包裝自動化，節省了大量的人力、物力、財力。

（2）一箱多用，把硬幣的計數、堆疊、包裝三個部分巧妙的集結在一臺機器中，提高硬幣包裝的效率。

（3）該產品中壓緊裝置模仿車床中頂尖工作原理，是硬幣在壓緊狀態下能夠保持旋轉。壓緊機構由圓筒、壓緊軸、彈簧、軸承座、圓形底座等部分組成。由雙彈簧結構組成的壓緊裝置，上部分彈簧控制壓緊，下部分彈簧用于復位。用一個小軸承座兩根軸連接，使壓緊裝置可同時實現壓緊與旋轉的功能。

（4）巧妙利用上下兩段彈簧實現自動鎖緊和松開功能。

（5）外箱透明，方便攜帶。用鉸鏈連接分瓣式堆幣圓筒，方便硬幣的拾取，節省了產品內部空間。

4 研制方案

為了方便地實現設計思想，即讓硬幣的計數、整理、包裝準確而有效，機構巧妙簡單，彰顯機械魅力，作者用到了旋轉轉盤、帶輪皮帶、彈簧推桿、軸承座、螺紋螺母等構件。根據實際需求及美觀，提出了以下兩個方案：

方案一：（圖3）此方案采用了轉盤旋轉甩幣，再通過皮帶把硬幣帶到漏斗中，使硬幣在集幣筒中堆好，隨后凸輪壓緊機構把堆好的硬幣壓緊，使硬幣旋轉起來，送紙機構把紙送到旋轉的硬幣上使紙卷在硬幣上完成包裝。

方案二：（圖4）考慮到凸輪的加工成本與壓緊效果的欠缺，所以我們把壓緊裝置由凸輪壓緊裝置改為了利用上下兩段彈簧實現自動鎖緊和松開功能；為了減小箱體的體積，我們把由原來的移開下硬幣旋轉支撐軸，使包好的硬幣落下取出，改為把集幣筒做成兩瓣式的方法，不僅節省了空間，還為錢幣的取出提供了便利。

本系統目的在于解決現有包裝硬幣技術中人工計數和包裝的缺點。提供一種能實現硬幣計數，堆疊，包裝等一系列動作的機器。該機器具有結構簡單，使用方便，成本低的特點。

本系統為了實現以上目的而提供的技術方案包括轉盤、傳送帶機構、彈簧壓緊機構、送紙機構及亞克力板箱體等組裝而成，產品長430mm，寬230mm，高364mm，硬幣通過轉盤的轉動而落到皮帶上，再由皮帶傳送到集幣筒中，壓好壓緊裝置，把紙送到集幣筒中，硬幣旋轉而把其自身包好。

所述的自動化臺式硬幣包裝機能實現硬幣的計數，堆疊，包裝等一系列動作，具備以下幾個功能和特點：

（1）能準確的實現硬幣的計數功能；（2）能快速的完成硬幣的包裝功能；（3）具有結構簡單，操作方便，安全可靠，成本低廉的特點。

5 技術路線（圖5）

6 結束語

傳統的硬幣包裝機開發了手工計數、包裝一體的技術，在此基礎上針對現有的硬幣包裝機存在的問題進行結構設計及功能優化，研制出能準確的實現硬幣的計數功能，能快速的完成硬幣的包裝功能，具有結構簡單，操作方便，安全可靠，成本低廉的特點的自動化臺式硬幣包裝機，方案科學可行，技術路線可操作性強，具有較大的參考價值。

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作者簡介：盧宏（1990-），男，漢族，江西宜春人，九江學院助教，學士，研究方向為數控技術與應用。