錢幣分離、清點、整理一體機設計方案總結及新型方案的提出

摘 要：錢幣分離、清點、整理一體機可解決相應社會問題，符合當今發展趨勢。通過分析現有設計并結合參加機械設計創新大賽經歷，提出一種較為新穎且實用性強的方案。該方案采用振動圓柱收集筒與底部開槽的方式分離，并結合單片機等控制系統實現清點與整理功能。最后，對該方案做出總結與延伸，并對包裝功能提出有關意見。

關鍵詞：錢幣分離；錢幣清點；錢幣整理；機電一體化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.255

1 背景分析

超市、公交站等多場合匯集大量錢幣，對錢幣清點、整理、包裝需大量人力。而點幣員常處被監視狀態，且常工作至手指抽筋，過大的精神壓力與工作強度使該崗位大量空缺。第七屆全國大學生機械設計創新大賽便提出對錢幣分類、清點、整理機器進行設計的要求。設計一臺一體化多功能錢幣處理機不僅符合工業4.0自動化發展趨勢，也響應中國制造2025創新驅動的方針。

2 現有設計方案的討論

（1）錢幣分離系統。此處針對1元、5角、新1角的分離。從分離原理，分幾何分離與受力分離；從錢幣狀態，分橫向分離與縱向分離；從分離結果，分“留大棄小”型分離與“留小棄大”型分離。

幾何分離中，縱向分離有：①收集板制成瓦楞形，錢幣放入后只可豎立，底部開槽振動分離；②錢幣逐個豎直在斜軌中滾動，底部開槽或軌道壁開槽分離。橫向分離有：③開口圓分離，有圓柱分層套筒斜坡型與平面分層攪拌型；④錢幣逐個橫向在斜軌上移動，底部開槽分離。受力分離中，縱向分離有：⑤錢幣逐個豎直在軌道中移動，依重心位置不同，通過軌道壁高變化，使重心高者落下分離。橫向分離有：⑥不同尺寸錢幣在特定軌道拐角碰撞受力作用點不同，運動方向不同分離。

幾何分離均為分層分揀，重復機構多。此處可設轉換系統，如先分離1元，調節開口大小，再分5角、1角亂幣。①中大于槽的錢幣雖無法掉出，但會堵住槽口，需振動解決。②中需電機驅動軌道，控制錢幣移動速度，靠斜坡重力加速，易因速度過大而沖過分離區。③中無法知何時分離完畢，且平面分離難以取出錢幣，而圓筒分離，錢幣不易進入槽口，應改成多邊形套筒分離。受力分離可一次性將三種錢幣逐個分離出，但結構復雜，精度要求高。⑤中仍需控速，以免沖過分離區。⑥中軌道易因磨損而降低精度。

總體上，需解決“堆幣”、“卡幣”、“控量”、“單獨化”、“控速”五個問題。在入口設滾輪傳送帶裝置，傳送帶滾輪間留小間隙，僅可一個錢幣通過，以此解決“堆幣”及“控量”問題。通過攪拌或振動，解決“卡幣”問題。“單獨化”可使入口寬度縮至僅一個錢幣通過大小，錢幣用離心甩入或傳送帶直線送入。“控速”只需使電機帶動軌道底部，軌道底部再將動力傳給錢幣，但較耗能。另外，重復分離單元，使同時工作，可提高效率；振動頻率與噪音需通過計算及實驗相權衡。

（2）清點系統與整理系統。若已實現單獨化，則可直接用紅外線光電計數；否則，需另設單獨化裝置，幣量小可直接用擋板窄道結構。或是采用透明材料，用特殊刻度表錢幣數。整理系統有蝸輪蝸桿機構，帶動轉盤，實現放入收集筒、放幣、壓蓋、取出收集筒流水線操作，但需多個機械手。而其他方案均對錢幣放入狀態要求較高。

3 新型設想——搖擺魔術盒模型

本設計方案由機械傳動系統、機械支撐系統以及單片機、PLC控制系統組成。采用分步分離，先得1元，并清點整理；再分離5角、1角，依次清點整理。由于功能實現過程類似，此處僅對1元錢幣的分離、清點、整理過程進行介紹。

分離、清點部分：通過人機交互界面，選擇1元分離。此時，電機及連桿傳動機構將分離箱沿弧形槽移至相應工位，箱體呈傾斜狀。箱中擋塊由電機及齒輪齒條機構實現移動，使一元分離腔容積增大。由實驗設計漏斗容量，規定一次分離錢幣數最多放滿一漏斗。倒入待分離錢幣，控制電機轉動，并結合凸輪機構使分離箱在不同階段進行頻率及振幅不同的振動。振動中，分離腔容積逐漸減小。由于腔內含分離筒，其與擋塊對應側可正好組成一元柱形孔洞，通過容積減少及振動可使亂幣整齊斜向放置。振動結束，分離筒底塊移開，使5角、1角從底部落至收集室。由于各槽上下裝有低頻透射式渦流傳感器，可計算出錢幣數。當各槽錢幣數不變時，屏幕上顯示總1元錢幣數。分離箱、擋塊另一側組成1角、5角柱形孔洞，分離1角、5角時，只需側到另一邊即可。

整理部分：分離箱移至相應工位，通過絲桿螺母機構，使收集小車與分離箱底塊配合移動，將錢幣定量地移至對應收集槽。由于小車孔洞深度一定，結合分離槽錢幣數，單片機可計算并判定小車孔洞是否已滿及分離槽是否為空，從而執行不同動作。當小車全部裝滿或分離箱已空時，小車移出至外軌，其孔內錢幣落至外軌孔洞內，使小車清空，準備下次收集。因5角、1角直徑、厚度接近，此處將兩者清點、整理合一。通過小車頂部與分離箱底部間隙大小，補償兩者厚度差異，以免干涉。收集完畢，外軌可整體移出，從而將錢幣取出。或事先在外軌孔洞放收集筒，后整體壓蓋，內設彈簧彈出。

控制系統：單片機實現連接傳感器，計各槽錢幣數；顯示屏顯示；控制振動電機；計算小車、外軌錢幣數；控制指示燈及蜂鳴器等功能。PLC實現啟動、停止、急停等開關量控制；單片機通斷電；電機起保停等功能。為保證各步精度，各動作相應位置設限位開關，以配合控制系統控制。

4 方案總結

方案實現控量、分離、計數、收集的方式新穎，且機電一體化，結構精簡，可靠性、準確性高，經濟效益好。在延伸擴展上，可依相同原理對不同大小的幣種進行分離，如舊1角、外幣、游戲幣等，也可在直徑上分離假幣。同時，可與自動售貨機及公交投幣系統等相結合。又可依場合擴大分離箱，使可分離錢幣數增加。而方案未實現包裝功能，此處建議參照山楂片、藥片包裝機器設計，或仿照礦泉水流水線包裝。

參考文獻：

[1]孫恒，陳作模，葛文杰等. 機械原理[M].北京：高等教育出版社，2013.

[2]廖常初等.可編程序控制器應用技術[M].重慶：重慶大學出版社，2007.

作者簡介：陳飛翔（1996-），男，浙江溫州人，本科在讀，研究方向：機械自動化。