基于慧魚模型的紙幣清分機設計

周 熠 ，趙 瀟 ，潘夢晗 ，張華麗

（1.湖北文理學院 機械與汽車工程學院，湖北 襄陽 441002；2.汽車零部件制造裝備數字化湖北省協同創新中心，湖北 襄陽 441002）

根據市場調查發現，因為公交公司每天需要清分大量的紙幣，且紙幣面額不等，先要人工對不同面額的紙幣進行清分打包，再通過點鈔機點鈔，工作煩瑣，效率低，浪費了大量的財力和物力。公交公司每天需清分的紙幣一般有5角、1元、5元、10元、20元等面值，以1元、5元紙幣居多，人工整理起來費時費力[3-4]。雖然紙幣面值不同，但紙幣清分功能實現的方法一樣，因此，該設計以面值1元、5元的紙幣為例，設計了1元、5元的出鈔口，如果有其余面值的紙幣，則從拒鈔口出鈔。同時，為了使該產品能被廣泛應用，我們將鈔票的進鈔口設計成了可調節軌道，以便第二次進行其余面值紙幣的清分工作[5-6]。

德國慧魚創意組合模型（fischertechnik）1964年誕生于德國，是技術含量很高的工程技術類智趣拼裝模型，是展示科學原理和技術過程的理想教具，也是體現世界最先進教育理念的學具，為創新教育和創新實驗提供了最佳的載體[7]。慧魚創意組合模型涵蓋了機械、電子、控制、氣動、汽車技術、能源技術和機器人技術等領域和高新學科，利用工業標準的基本構件（機械元件/電氣元件/氣動元件），輔以傳感器、控制器、執行器和軟件的配合，運用設計構思和實驗分析，可以實現任何技術過程的還原，更可以實現工業生產和大型機械設備操作的模擬，從而為實驗教學、科研創新和生產流水線可行性論證提供了可能。

1 整體設計方案

本裝置紙幣由進鈔口進入，全程有電機提供動力，Robopro控制板控制電機，通過齒輪機構相互嚙合，帶動滾輪旋轉，由于滾輪與紙幣的摩擦使紙幣前進。在驗鈔部位，傳感器將紙幣信息傳遞到分鈔部位，由Robopro電板將收到的信號作用電機，使其作出相應工作，進行分鈔，然后將分好的紙幣整理取出，至此整個工作結束。紙幣清分機整體結構設計如圖1所示。

1.1 機械部分

紙幣清分機的機械部分主要是由進鈔臺、進鈔捻輪、導鈔滾輪組、側板、接鈔葉輪、齒輪機構、凸輪、分鈔板、杠桿機構、測厚輥軸、過鈔板和擋鈔板等組成，它主要具備進鈔、導鈔、檢鈔、分鈔、接鈔的功能[8-9]。

1.2 傳感器部分

傳感器部分運用紅外傳感器、霍爾元件檢測紙幣的尺寸和厚度，同時，使用限位開關保證導鈔板松開、鎖緊動作的可靠、有序執行，從而進行分鈔工作[10-11]。

1.3 驅動部分

驅動部分使用直流電機做驅動，以完成進鈔、分鈔、檢鈔、接鈔機構的動作[12-13]。

1.4 控制部分

使用慧魚專用ROBO控制板、檢測模塊和Robopro編程軟件對動作進行控制，確保動作準確、有序，實現清分計數功能。

2 機械系統設計方案

2.1 進鈔機構

紙幣捻鈔機構如圖2所示。進鈔口放入紙鈔，在進鈔過程中，電機帶動A齒輪運轉，再通過一個中間齒輪B使A與B兩者嚙合轉動。由齒輪B帶動齒輪C，而齒輪C又與齒輪D嚙合，并且齒輪A、齒輪C、齒輪D三者都連接在套有滾輪的直桿上，形成一個能夠相互帶動、相互擠壓的機構（齒輪A上滾輪與板塊結合使用，使紙鈔分成單張并且帶動紙鈔前行；齒輪C和齒輪D上的滾輪相互配合，形成一個抽鈔的結構）。滾輪兩邊微向下空隙處還有擋板阻擋紙幣擺動，齒輪相互傳動繼而帶動滾輪轉動，紙幣在兩滾輪之間隨滾輪轉動而向前進。

圖1 整體設計圖

圖2 紙幣捻鈔機構

2.2 導鈔機構

紙幣由前一組滾輪滾動傳入下一組滾輪，紙幣在整個過程中就在滾輪之間傳遞。當不同的紙幣通過時，過鈔板寬度可以調節，使紙幣順利通過。紙幣的傳遞就是通過這種形式進行的，如此形成導鈔部分，具體導鈔情況如圖3所示。

2.3 驗鈔機構

在紙幣進入分鈔口之前，傳感器檢驗紙幣，使用紅外傳感器、霍爾元件檢測紙幣尺寸和厚度信息。檢測模塊將信號傳遞到主控制器，主控制器分析處理檢測信息后，發出分鈔信號，讓控制分鈔部分的導板動作進行分鈔。霍爾驗鈔部分如圖4所示。

圖3 導鈔示意圖

圖4 霍爾驗鈔部分

2.4 分鈔機構

方案一：采用限位開關和電機組合控制1個能夠轉動板面而進行分鈔的裝置，通過接收檢鈔部分得到的信號確定限位開關的開和關，將板面轉動到不同位置，由上一組滾輪將紙幣傳入可轉動的平板上，平板將紙幣向3個獨立的滑道過度。此處分為上（1號）、中（2號）、下（3號）滑道，紙幣為1元時從上（1號）滑道通過，5元時由中（2號）滑道通過，其他的由下（3號）滑道通過。分鈔部分方案一如圖5所示。

方案二：分鈔部分由2套分鈔機構組合使用構成。分鈔機構1和分鈔機構2分別可進行2種面額錢幣的分選，2組機構配合使用即可實現3種面額錢幣的分選。分鈔機構1由上下的驅動電機（6）、齒輪組（1）（渦輪、齒輪、齒條）、上下壓鈔輪（2，3）、限位開關（8）、過鈔驅動輪（5）、過鈔驅動電機（7）、過鈔板1和過鈔板2組成。分鈔機構同理機構1，具體實物搭建如圖6所示。

圖5 方案一分鈔部分

圖6 方案二分鈔部分

2.5 接鈔部分

接鈔輪、擋鈔板、齒輪組合構成接鈔機構。接鈔部位裝有紙幣計數模塊，可快速計算通過的紙幣數量。為了可以輸入參數，控制設備的啟動、運行、停止等動作，我們在接鈔部分還設計了按鈕站。同時，在接鈔部分裝有顯示器模塊，它可以顯示走鈔速度、各分鈔口出幣數、錢幣參數和故障報警等內容。

3 程序控制設計方案

程序設計流程如圖7所示。

圖7 程序控制流程圖

4 主要功能及工作原理

4.1 分鈔功能

分鈔功能可對不同面值的紙幣同時計數，并且可以將混在一起的紙幣，按照1，2，3這3個不同的出鈔口分鈔。

4.2 點算功能

點算功能下只計鈔票張數。因為我們簡易清分機針對的是公交公司，所以，主要在1出鈔口、2出鈔口，計算1元和5元鈔票的張數。

4.3 面額識別功能

使用紅外傳感器檢測不同紙幣的尺寸，判別出紙幣的面值，將紙幣分到出鈔口1、出鈔口2和出鈔口3。其中，出鈔口1和出鈔口2主要是出1元、5元的鈔票，出鈔口3為其他幣值鈔票。

4.4 測厚功能

利用霍爾元件為紙幣測厚，從而將問題紙幣分到拒鈔口（出鈔口3）。拒鈔口主要是出粘貼膠帶、折角、連張的這類紙幣。

4.5 快速清分功能

快速清分功能1 s可完成10張鈔票的清分計數。

4.6 可調功能

捻鈔輪間隙可調，通過調節捻鈔輪間的距離，使紙幣順利通過。過鈔板間距離可調，當不同的紙幣通過時，過鈔板間的槽可以調節，使其平穩導鈔。走鈔的速度可調，在分鈔時，限位開關要有反應時間，所以，此時走鈔速度需要調整。

4.7 導正功能

紙幣進鈔口帶有螺旋狀的橡皮輪，它可擺正進入的紙幣，輔助順利導鈔。

4.8 外部顯示功能

外部裝有顯示器，方便了解清分和計數信息。

5 結束語

本文所設計的清分機將機械、電氣、自動控制融為一體，產品設計簡單實用，操作方便，實用性強，能很好地解決公交公司紙幣清分問題，能節省大量的人力、財力。由于我們以慧魚教學工具模塊為基礎設計搭建作品，綜合應用了典型的機械、電氣、自控等方面的知識，距離實際使用還有一定的差距。但是，該模型的設計方案和理念對實際應用有很好的指導作用。

［1］肖曉萍.“慧魚”教具在大學生創新教育中的探索性研究［J］.高教研究，2006，79（2）：36-37.

［2］辛穎，薛偉.基于“慧魚模型”的機器人課程實驗教學改革探索［J］.現代教育技術，2009（7）：138-140.

［3］阮正鑫，羅鴻，吳桐.簡便型公交車零錢自動分類裝置［J］.南方農機，2016（08）.

［4］杜銘，宮芳.紙幣清分機關鍵技術問題研究［J］.中國科技信息，2008（03）.

［5］李芳春.微型紙幣清分機的優化改造［J］.機械工程師，2011（11）：138.

［6］劉連浩，羅安，王加陽，等.智能型點鈔機的研制［J］.機電一體化，2003（01）：11-13.

［7］萬佑紅.機器人教育與大學生創新能力培養的探索［J］.電氣電子教學學報，2005，27（4）：6-8.

［8］張曉紅，李福全，朱小平.機械設計基礎［M］.武漢：華中師范大學出版社，2007.

［9］歐陽松林.“金通”現金清分機的研制［J］.電腦與信息技術，2000（02）：45-47.

［10］呂建起，王志坤，侯曉峰，等.對一種基于顏色識別紙幣清分機的研究［J］.農產品加工，2017（16）：30.

［11］于濱紅，劉洪志.紙幣清分機系統介紹［J］.機械工程師，2009（06）：136-137.

［12］許洪基，陶燕光，雷光.齒輪手冊［M］.北京：機械工業出版社，2000.

［13］朱孝錄.齒輪傳動設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2004.