基于熱熔膠固封的新型硬幣包裝機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究

薛銳勇， 周鵬程， 馮武衛(wèi)

（浙江海洋大學(xué) 機(jī)械工程系，浙江 舟山 316000）

0 引言

硬幣在世界范圍內(nèi)屬于常用的流通貨幣，通常為圓形，使用金屬制成，具有堅(jiān)固耐磨、制作精美、規(guī)格整齊、便于識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)，廣泛被用于公交和金融機(jī)構(gòu)中[1-2]。但是硬幣使用后，是需要分檢包裝的，如果僅僅依靠人工進(jìn)行硬幣的清點(diǎn)、包裝，已經(jīng)難以滿(mǎn)足貨幣高速流通的現(xiàn)代社會(huì)[3]。

當(dāng)今硬幣清分包裝機(jī)構(gòu)多采用紙筒與布袋的包裝方式。布袋的好處是容易打包、不受包裝強(qiáng)度的影響，但是有著無(wú)法最大化利用包裝的缺點(diǎn)[4]。紙筒包裝的好處是包裝速度快，缺點(diǎn)是包裝材料再利用麻煩，環(huán)保性較差，包裝強(qiáng)度有著不確定的因素。紙筒硬幣包裝機(jī)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，便于進(jìn)行大規(guī)模包裝作業(yè)，但是卻存在設(shè)備成本高昂的缺點(diǎn)難以進(jìn)行大規(guī)模的推廣[5]。本文提出并設(shè)計(jì)了一種基于熱熔膠固封的新型硬幣包裝設(shè)備，其具有方便、高效、操作簡(jiǎn)單、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)備具有可行性。

1 設(shè)備設(shè)計(jì) 硬幣包裝機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)備系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，主要由硬幣進(jìn)幣機(jī)構(gòu)、硬幣包裝機(jī)構(gòu)、硬幣收集機(jī)構(gòu)、電路模塊構(gòu)成，并采用單片機(jī)進(jìn)行各個(gè)單元的控制。本設(shè)備系統(tǒng)采用了熱熔膠對(duì)硬幣外壁進(jìn)行噴涂，為了保證打包效果，采用了多角度噴射的設(shè)計(jì)，能夠有效固定硬幣。在打包過(guò)程中需要實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)打包功能，設(shè)計(jì)了一種計(jì)數(shù)控制系統(tǒng)，采用激光對(duì)射計(jì)數(shù)，并利用單片機(jī)編程控制，在整個(gè)過(guò)程中需要實(shí)現(xiàn)整體自動(dòng)化控制。為了控制其自動(dòng)進(jìn)幣機(jī)，對(duì)進(jìn)幣的模塊采用了電動(dòng)機(jī)振動(dòng)將硬幣抖動(dòng)上料的方式。為了整個(gè)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)，采用了反饋控制，提高了控制過(guò)程的精準(zhǔn)性。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案要求，本設(shè)備系統(tǒng)機(jī)構(gòu)部分應(yīng)滿(mǎn)足：1）應(yīng)實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)尺寸的要求；2）能夠使實(shí)現(xiàn)對(duì)硬幣的清點(diǎn)包裝；3）應(yīng)該滿(mǎn)足一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；4）保證單片機(jī)可以對(duì)整體進(jìn)行有效的控制。所以將本設(shè)備分成硬幣進(jìn)幣機(jī)構(gòu)、硬幣包裝機(jī)構(gòu)、硬幣收集機(jī)構(gòu)、電路模塊這4個(gè)部分。硬幣進(jìn)幣機(jī)構(gòu)利用激光計(jì)數(shù)器進(jìn)行硬幣個(gè)數(shù)的記錄，當(dāng)硬幣數(shù)量達(dá)到單片機(jī)預(yù)設(shè)數(shù)量時(shí)，再進(jìn)入硬幣包裝機(jī)構(gòu)；硬幣包裝機(jī)構(gòu)主要利用熱熔膠將整理好的硬幣進(jìn)行固封；硬幣的收集機(jī)構(gòu)通過(guò)推桿電動(dòng)機(jī)將已經(jīng)包裝好的硬幣堆推入硬幣整理盒，電路模塊通過(guò)傳達(dá)單片機(jī)的命令使得整個(gè)設(shè)備可以正常工作。

1.3 硬幣進(jìn)幣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

因?yàn)樵谶M(jìn)幣時(shí)多個(gè)硬幣堆疊，容易造成計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)產(chǎn)生誤差，也容易發(fā)生卡幣現(xiàn)象，所以需要設(shè)計(jì)一種機(jī)構(gòu)在硬幣進(jìn)幣時(shí)就解決堆疊問(wèn)題。本設(shè)備系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)提出了2種解決堆疊問(wèn)題的方案：

圖2 推桿式防堆疊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3 振動(dòng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)幣設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

方案一（見(jiàn)圖2）采用了推桿式的設(shè)計(jì)來(lái)解決堆疊問(wèn)題，該裝置采用推桿，在推桿的頭部安置一個(gè)離進(jìn)幣臺(tái)高度大于1個(gè)硬幣小于2個(gè)硬幣厚度的推幣板，推桿來(lái)回推動(dòng)推幣板來(lái)達(dá)成防堆疊效果。該方案的缺點(diǎn)是：第一，無(wú)法確定硬幣進(jìn)幣時(shí)下落范圍，從而使得防堆疊誤差大；第二，進(jìn)幣臺(tái)與之后裝置之間連接處設(shè)計(jì)較為困難，無(wú)法全面考慮各種情況。

方案二（見(jiàn)圖3）在進(jìn)幣臺(tái)下方設(shè)計(jì)安裝了一個(gè)微型振動(dòng)電動(dòng)機(jī)，在進(jìn)幣臺(tái)中央安裝一個(gè)離臺(tái)底面高度大于1個(gè)硬幣小于2個(gè)硬幣的擋幣板，進(jìn)幣臺(tái)安裝略?xún)A斜，傾斜方向沿進(jìn)幣臺(tái)出口方向向下，傾斜角度為硬幣恰好處于最大靜摩擦力的角度。該方案的原理是:在硬幣處于最大靜摩擦力的時(shí)候，給硬幣施加輕微振動(dòng)，硬幣將自然沿傾斜方向下滑，在經(jīng)過(guò)擋幣板時(shí)，堆疊的硬幣將被分開(kāi)，從而達(dá)到防堆疊的效果。而且該方案會(huì)使硬幣計(jì)數(shù)的效果顯著地提高并降低誤差。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，方案二的可行性較高，效果較好，故采用方案二作為硬幣防堆疊設(shè)計(jì)方案。

1.4 硬幣包裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.4.1 包裝過(guò)程設(shè)計(jì)

封裝的材料選擇使用了熱熔膠，它相比于傳統(tǒng)的材料具有粘合度高冷卻后硬度較強(qiáng)、密封性好、粘合工藝簡(jiǎn)單、回收再利用方便等優(yōu)點(diǎn)。硬幣包裝過(guò)程的方案構(gòu)思有2種，具體如下：

方案一（圖4）采用了鏈傳動(dòng)帶動(dòng)多個(gè)載幣臺(tái)進(jìn)行不停止運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)，硬幣下落后，停留在載幣臺(tái)上，在鏈傳動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，通過(guò)固定安裝在載幣臺(tái)兩邊的熱熔膠槍將熱熔膠噴涂在硬幣壁面上，從而完成打包動(dòng)作。在鏈傳動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)帶動(dòng)載幣臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)載幣臺(tái)處于正下方時(shí)，硬幣由于重力原因自然下落到硬幣收集盒，從而完成整個(gè)包裝過(guò)程。但是由于該方法存在硬幣計(jì)數(shù)難、整個(gè)過(guò)程無(wú)法精確控制、硬幣下落位置難以確定等因素，故而不采用本方案。

方案二（圖5）采用推桿電動(dòng)機(jī)作為硬幣包裝過(guò)程的主體，選擇了激光對(duì)射傳感器作為硬幣計(jì)數(shù)器。推幣機(jī)構(gòu)（將硬幣推至硬幣收集盒）則設(shè)計(jì)了一個(gè)彈片裝置。其具體運(yùn)行原理如下：推桿電動(dòng)機(jī)在最大行程的位置處，有呈正三角分布的3個(gè)熱熔膠槍。硬幣下落至推桿電動(dòng)機(jī)上的載幣臺(tái)，當(dāng)累計(jì)到預(yù)設(shè)個(gè)數(shù)時(shí)，系統(tǒng)打開(kāi)推桿電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)，推桿向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)熱熔膠槍開(kāi)始噴膠包裝硬幣，當(dāng)全部硬幣噴涂完畢時(shí)，停止涂膠。在推桿電動(dòng)機(jī)推桿行程偏下方有一個(gè)小彈片。當(dāng)硬幣隨推桿下來(lái)時(shí)，彈片將包裝好的硬幣彈入硬幣收集盒。之后，推桿上升回至初始位置。完成整個(gè)包裝過(guò)程。

綜合上述2種方案優(yōu)缺點(diǎn)，本研究選擇方案二作為硬幣包裝方案。

1.4.2 熱熔膠槍自動(dòng)進(jìn)膠設(shè)計(jì)

如圖6所示，本設(shè)備設(shè)計(jì)的熱熔膠槍自動(dòng)進(jìn)膠選取了一個(gè)五相四線(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源，在電動(dòng)機(jī)齒輪同一軸線(xiàn)上還有一個(gè)隨動(dòng)軸承。整個(gè)設(shè)計(jì)原理如下：隨動(dòng)軸承與電動(dòng)機(jī)齒輪和膠棒之間形成過(guò)盈配合，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，由于配合原因，會(huì)帶動(dòng)膠棒向前運(yùn)動(dòng)，因?yàn)橛兄S動(dòng)軸承的存在，所以不會(huì)發(fā)生膠棒運(yùn)動(dòng)軌道偏離，或者膠棒受反作用力而遠(yuǎn)離運(yùn)動(dòng)軌道的情況。選取步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的好處是可以精確地控制進(jìn)膠量，減少材料的浪費(fèi)，同時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩很大，可以很好地帶動(dòng)膠棒完成進(jìn)膠運(yùn)動(dòng)。

1.4 ．3 硬幣收集機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖7所示，通過(guò)在推桿電動(dòng)機(jī)上加入一個(gè)簡(jiǎn)易隨動(dòng)（隨推桿電動(dòng)機(jī)）推桿，在推桿電動(dòng)機(jī)行程末設(shè)計(jì)一個(gè)撞針，來(lái)共同構(gòu)成本方案的簡(jiǎn)易推幣裝置。其運(yùn)行原理如下：隨動(dòng)推桿隨推桿電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，推桿在向下運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，隨動(dòng)推桿碰到撞針的下端，撞針發(fā)生位置改變，撞針上端碰到硬幣將硬幣推下推桿電動(dòng)機(jī)。推桿電動(dòng)機(jī)向上運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，隨動(dòng)推桿將撞針推回原位。

圖4 鏈傳動(dòng)包裝方案簡(jiǎn)圖

圖5 推桿電動(dòng)機(jī)包裝方案簡(jiǎn)圖

圖6 進(jìn)料機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.4.4 控制模塊設(shè)計(jì)

控制模塊采用單片機(jī)控制，電路編程語(yǔ)音采用C語(yǔ)言，本裝置的控制程序，可以通過(guò)改變程序參數(shù)來(lái)改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、單次包裝數(shù)量，以及推桿電動(dòng)機(jī)控制，從而實(shí)現(xiàn)高效的自動(dòng)化效果。控制系統(tǒng)流程圖如圖8所示。

圖7 硬幣收集機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖8 控制系統(tǒng)流程圖

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)屬于開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，通過(guò)電脈沖信號(hào)控制其中相繞組電流從而滿(mǎn)足定角轉(zhuǎn)動(dòng)的一種機(jī)電元件，相比于其它的電動(dòng)機(jī)便于開(kāi)環(huán)精確控制并且無(wú)積累誤差等。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的方法有很多，其控制功能強(qiáng)，靈活性好，單片機(jī)是常見(jiàn)的一種控制器，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)既有傳統(tǒng)的控制方式，也采用PLC進(jìn)行控制，目前成為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要控制裝置，而且步進(jìn)電動(dòng)機(jī)體積小、重量輕、成本低，從模擬控制轉(zhuǎn)變?yōu)橐詥纹瑱C(jī)為核心的數(shù)字控制，是最新一代電動(dòng)機(jī)的控制方式。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)必需滿(mǎn)足以下功能：實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)動(dòng)角的有效控制。同時(shí)滿(mǎn)足簡(jiǎn)單的操作界面。這就依靠于硬件部分和軟件部分構(gòu)成的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)必須與其他電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)一樣的模塊。硬件部分分為電源、單片機(jī)、顯示器、驅(qū)動(dòng)和輸入設(shè)備等部分。軟件部分則需要實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入部分，以及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)動(dòng)角的控制。1）單片機(jī)在編寫(xiě)控制程序完成之后，通電單片機(jī)運(yùn)行該程序，借助I/O輸出口發(fā)送波形脈沖，從而控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作。在此過(guò)程中，控制系統(tǒng)界面上，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)顯示出來(lái)。控制系統(tǒng)運(yùn)行的一系列過(guò)程中完成了對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)操控，滿(mǎn)足這樣的條件需要單片機(jī)上裝有接收模塊，并根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)整理參數(shù)。2）單片機(jī)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)編程之前要對(duì)單片機(jī)的每個(gè)接口進(jìn)行定義，同時(shí)確定電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)函數(shù)定義。再進(jìn)行顯示屏的編碼定義，之后設(shè)置初始化函數(shù)預(yù)設(shè)定義。具體步驟：a.針對(duì)液晶顯示器的左半屏的數(shù)據(jù)進(jìn)行寫(xiě)入，然后再進(jìn)行右半屏。b.編寫(xiě)主函數(shù)須先將已經(jīng)確定的漢字編碼地址發(fā)送到之后要顯示的地址上，再將主函數(shù)進(jìn)行循環(huán)。c.通過(guò)查詢(xún)便可以確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度。

2 整機(jī)模型及實(shí)驗(yàn)

工作原理如圖9所示，硬幣進(jìn)入進(jìn)幣臺(tái)后，振動(dòng)電動(dòng)機(jī)1開(kāi)始工作，硬幣將沿預(yù)設(shè)軌道下滑，在通過(guò)軌道2時(shí)，激光傳感器3將開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)40個(gè)時(shí)（可編程控制，此處以40為例），振動(dòng)電動(dòng)機(jī)關(guān)閉，3 s后推桿電動(dòng)機(jī)5開(kāi)始下降，同時(shí)包裝裝置4開(kāi)始工作，將硬幣包裝。在下落到推幣機(jī)構(gòu)6上方時(shí)，推桿電動(dòng)機(jī)將暫停工作7 s，等待包裝材料冷卻，之后推桿電動(dòng)機(jī)繼續(xù)下落，推幣機(jī)構(gòu)6將會(huì)把包裝好的硬幣推入硬幣收集裝置。

本系統(tǒng)首先利用SolidWorks建立3D模型圖，如圖10所示，采用五相四線(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、11 mm膠棒、激光計(jì)數(shù)器、單片機(jī)、振動(dòng)電動(dòng)機(jī)、運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、推桿電動(dòng)機(jī)、歐標(biāo)2020鋁型材、2020角鋁，以及3/5 mm亞克力板部分3D打印零件制作實(shí)物模型，實(shí)物圖見(jiàn)圖11。

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)的硬幣包裝設(shè)備實(shí)現(xiàn)了高效包裝過(guò)程，針對(duì)不同硬幣大小及數(shù)量，可以事先在控制系統(tǒng)中進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，以期達(dá)到柔性、可變的要求，拓展了本系統(tǒng)應(yīng)用的范圍。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)硬幣包裝機(jī)構(gòu)的分析和研究，自主設(shè)計(jì)了一種基于熱熔膠固封的新型硬幣包裝系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)物設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該包裝系統(tǒng)具有成本低、功能豐富、操作方便以及與周?chē)h(huán)境相協(xié)調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)備可應(yīng)用于公交公司、銀行、商場(chǎng)等有著大量硬幣流通的場(chǎng)合，目前該類(lèi)企業(yè)硬幣清點(diǎn)包裝工作大多采用人工方式，耗時(shí)，耗力，所以本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和研究對(duì)提高硬幣包裝的效率有很大意義，應(yīng)用前景非常廣闊。

圖9 工作原理

圖10 設(shè)備3D模型圖

圖11 硬幣包裝系統(tǒng)實(shí)物圖