錢幣分離、清點、整理一體機設(shè)計方案總結(jié)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(yīng)社會問題，符合當(dāng)今發(fā)展趨勢。通過分析現(xiàn)有設(shè)計并結(jié)合參加機械設(shè)計創(chuàng)新大賽經(jīng)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(jié)合單片機等控制系統(tǒng)實現(xiàn)清點與整理功能。最后，對該方案做出總結(jié)與延伸，并對包裝功能提出有關(guān)意見。

關(guān)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(jiān)視狀態(tài)，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(xué)生機械設(shè)計創(chuàng)新大賽便提出對錢幣分類、清點、整理機器進行設(shè)計的要求。設(shè)計一臺一體化多功能錢幣處理機不僅符合工業(yè)4.0自動化發(fā)展趨勢，也響應(yīng)中國制造2025創(chuàng)新驅(qū)動的方針。

2 現(xiàn)有設(shè)計方案的討論

（1）錢幣分離系統(tǒng)。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(tài)，分橫向分離與縱向分離；從分離結(jié)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(fù)機構(gòu)多。此處可設(shè)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，如先分離1元，調(diào)節(jié)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(qū)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(qū)。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(yīng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高。⑤中仍需控速，以免沖過分離區(qū)。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(shè)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(fù)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(quán)衡。

（2）清點系統(tǒng)與整理系統(tǒng)。若已實現(xiàn)單獨化，則可直接用紅外線光電計數(shù)；否則，需另設(shè)單獨化裝置，幣量小可直接用擋板窄道結(jié)構(gòu)。或是采用透明材料，用特殊刻度表錢幣數(shù)。整理系統(tǒng)有蝸輪蝸桿機構(gòu)，帶動轉(zhuǎn)盤，實現(xiàn)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(tài)要求較高。

3 新型設(shè)想——搖擺魔術(shù)盒模型

本設(shè)計方案由機械傳動系統(tǒng)、機械支撐系統(tǒng)以及單片機、PLC控制系統(tǒng)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(xiàn)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(gòu)將分離箱沿弧形槽移至相應(yīng)工位，箱體呈傾斜狀。箱中擋塊由電機及齒輪齒條機構(gòu)實現(xiàn)移動，使一元分離腔容積增大。由實驗設(shè)計漏斗容量，規(guī)定一次分離錢幣數(shù)最多放滿一漏斗。倒入待分離錢幣，控制電機轉(zhuǎn)動，并結(jié)合凸輪機構(gòu)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(nèi)含分離筒，其與擋塊對應(yīng)側(cè)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(jié)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(shù)。當(dāng)各槽錢幣數(shù)不變時，屏幕上顯示總1元錢幣數(shù)。分離箱、擋塊另一側(cè)組成1角、5角柱形孔洞，分離1角、5角時，只需側(cè)到另一邊即可。

整理部分：分離箱移至相應(yīng)工位，通過絲桿螺母機構(gòu)，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(yīng)收集槽。由于小車孔洞深度一定，結(jié)合分離槽錢幣數(shù)，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(zhí)行不同動作。當(dāng)小車全部裝滿或分離箱已空時，小車移出至外軌，其孔內(nèi)錢幣落至外軌孔洞內(nèi)，使小車清空，準(zhǔn)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(nèi)設(shè)彈簧彈出。

控制系統(tǒng)：單片機實現(xiàn)連接傳感器，計各槽錢幣數(shù)；顯示屏顯示；控制振動電機；計算小車、外軌錢幣數(shù)；控制指示燈及蜂鳴器等功能。PLC實現(xiàn)啟動、停止、急停等開關(guān)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(yīng)位置設(shè)限位開關(guān)，以配合控制系統(tǒng)控制。

4 方案總結(jié)

方案實現(xiàn)控量、分離、計數(shù)、收集的方式新穎，且機電一體化，結(jié)構(gòu)精簡，可靠性、準(zhǔn)確性高，經(jīng)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(tǒng)等相結(jié)合。又可依場合擴大分離箱，使可分離錢幣數(shù)增加。而方案未實現(xiàn)包裝功能，此處建議參照山楂片、藥片包裝機器設(shè)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(yīng)用技術(shù)[M].重慶：重慶大學(xué)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。