基于螺旋振動上料的硬幣清分機設計

鄧成

硬幣作為常用的貨幣，以其流通壽命長、制作成本低廉、節(jié)約自然資源、堅固耐用、不易磨損等優(yōu)點被廣泛利用于超市、公交車、小商鋪、銀行等場所。自2016年開始，“一元硬幣化工程”已逐步在全國推廣。

但是隨著硬幣的大量流通，硬幣許多問題也暴露出來。公交車、超市等硬幣使用較頻繁的場所，硬幣的回收、清點工程十分繁瑣。相關企業(yè)也并沒有專門用來分類、清算硬幣的設備，因此這項工作需要消耗大量人力、物力與時間，造成了極大的浪費。目前，市面上存在較多的是為銀行研制的硬幣清分系統(tǒng)，準確度高，但是價格昂貴。同時也存在簡易的硬幣分揀裝置，但整體功能較少，且無法保證分揀的準確率。所以，市場急需一種價格低廉、使用可靠的集硬幣篩選、計數(shù)為一體的自動裝置。

因此，研究與開發(fā)符合我國使用標準的自動硬幣巧分機，以滿足需求，改善硬幣的流通市場，推動硬幣的發(fā)展與使用進程，具有重要的實際意義。針對硬幣清分機，本文首先設計了將硬幣有序排列的振動上料模塊，接下來設計了由硬幣直徑將硬幣分離的軌道分離模塊，最后設計了清點硬幣的質量計數(shù)模塊，整體各個功能模塊如圖1。

圖1 整體系統(tǒng)模型圖

1 基于螺旋振動上料機的硬幣清分機整體設計

1.1 螺旋振動上料模塊

（1）螺旋振動上料機簡介。目前有許多可以整齊排列硬幣的裝置，成型的高級硬幣清分機、硬幣包裝機結構極為復雜，難以大量制造。如瑞典的SCANCOIN AB公司，成功研制了針對不同貨幣體制下的清分系統(tǒng)，誤判率低至0.5%。但其價格昂貴且進行技術壟斷，同時針對材質相近甚至一致的偽幣，其檢測顯得無能為力。如今人們的研究方向主要有離心篩網式電動硬幣區(qū)分器、重力式硬幣清分機等類型。離心篩網式電動硬幣區(qū)分器大多通過對不同面額硬幣的直徑和厚度進行尺寸分析，利用其直徑和厚度的數(shù)值差，將分揀機的主體結構設計為上兩層帶有圓孔的離心篩和底層為無孔的離心篩，并通過三層式錐筒結構進行分揀。重力式硬幣清分機利用硬幣自身的重力，不需耗能。但體積大，且難以一次分揀大量硬幣，誤差較大，只能用于中等數(shù)量的硬幣清分?；谒幤穫鬏斠约肮さ仄毡槭褂玫恼駝由狭涎b置，我們將振動上料機用于硬幣有序排列，并依靠振動將硬幣沿螺旋軌道向上運送。

電磁式螺旋振動上料機具有將大量硬幣從底部向上有序運送的作用，其優(yōu)點在于不易卡幣、體積較小、運輸效率高的特點。其中電磁振動上料機直線料槽往復式和圓盤料斗扭動式兩類。直槽式振動上料機多用于粉末狀物質上料，而螺旋式振動上料機主要用于有形狀的物體的運輸，由于硬幣是有形狀的固體，因此使用電磁螺旋式振動上料機。電磁式螺旋振動上料機由振動底座、槽體部分、螺旋上升軌道組成，如圖2。

圖2 螺旋振動上料模塊示意圖

（2）螺旋振動上料模塊底座。電磁式螺旋振動上料機使用的振動底座由電磁鐵構成，用于提供振動，使振動上料機能夠正常工作。電磁式螺旋振動上料機相比于其他常用的機械式振動上料器、電機式振動上料器有許多優(yōu)點。其中機械式振動上料器是采用連桿、偏心輪或凸輪傳動，使給料器做往復運動，使上料器做往復振動，實現(xiàn)物質的運輸。此裝置的動力消耗高、機械體積大、機動性差，在運輸大型物料時較為方便。電機式振動上料器使用振動電機提供振動，電機易損壞、槽體易因振動而破損，造成維修費用較高。相反，電磁式振動上料器更為精密，振動振幅小、頻率更高，壽命更長，能夠使物料穩(wěn)定連續(xù)傳動。同時相比于其他多種上料器體積更小，便于安放。

（3）螺旋振動上料模塊槽體。本裝置槽體使用鋁合金制作，因為鋁合金具有密度輕、強度高、易于加工、耐久性高且成本低的特點，使用鋁合金能夠有效提高裝置的壽命并降低裝置的價格。

（4）螺旋上升軌道。螺旋給料斗結構形式有許多種，其中圓柱形內螺旋滑道料斗、圓柱形外螺旋滑道料斗、圓柱形內外組合螺旋滑道料斗、截圓錐形內螺旋滑道料斗較為常用，本次我們選擇了圓柱形內螺旋滑道料斗。在軌道上截取一小段并分析振動狀況。無滑動時的受力分析如圖3。

物料發(fā)生的跳躍條件為Fn=0，此時硬幣與料槽表面分離發(fā)生跳躍，產生相對運動。由方程可得，F(xiàn)n為零的條件為：

因此需要滿足：

由于鋁合金之間的摩擦系數(shù)在0.1～0.4之間取值，因此料槽振動升角α+β應在6°～20°之間。經過計算此時料道螺旋升角在1°～3°范圍內取值。

1.2 滑軌分離模塊

圖3 螺旋軌道物體受力示意圖

（1）軌道材料的選擇。軌道的選擇需要考慮以下問題，如：軌道的材料不能太重，否則裝置笨重難以攜帶；導軌的材料硬度不能過大，否則導軌難以切割，制作麻煩；導軌的材料硬度不能過小，否則導軌難以承受住硬幣的質量；導軌表面的摩擦系數(shù)不能過大，否則硬幣在導軌上因受到很大的摩擦力難以滑下，導致出現(xiàn)卡幣現(xiàn)象；導軌的材料應該為生活中的常見品，且價格便宜。綜合考慮以上因素，我們選擇質量輕、可塑性強、價格適中的鋁合金作為導軌材料。

（2）軌道傾斜角的設計。硬幣在軌道中滑動會受到摩擦力作用。如果摩擦力過大，硬幣會在導軌上難以滑下，這不僅會使計數(shù)不準確，而且會出現(xiàn)卡幣現(xiàn)象，導致清分計數(shù)工作難以進行。所以，我們需要使重力的下滑分量大于摩擦力。

若重力加速度為g，硬幣質量為m，軌道傾斜角為θ，則有：

因為硬幣的材質主體為鋼芯，鋁與鋼表面的摩擦系數(shù)為0.3，故我們可以算出：。

實驗時為了方便計算，取θ=30°，圖4為簡化的物理模型。

圖4 硬幣滑落受力示意圖

圖5 硬幣分選軌道示意圖

（3）軌道尺寸的設計（圖5）。

表1 幾種硬幣的重要參數(shù)

a.運輸區(qū)：第一段軌道為實心軌道，目的是使從振動上料機出來的硬幣能平穩(wěn)地進入分離區(qū)。

b.分離區(qū)：第二段導軌第一層為一元錢硬幣分離區(qū)，孔的直徑略微小于一元錢。圖6為軌道平面簡圖。

圖6 滑軌平面示意圖

第二層軌道為五角錢分離區(qū)。孔的直徑略微小于五角錢。同樣保證五角硬幣可以落入計數(shù)區(qū)，而一分硬幣進入下一分離區(qū)，即第三層軌道。如圖7所示。

圖7 滑軌平面示意圖

第三層軌道為空軌道，用于收集一分硬幣，由于重力作用，硬幣落入清分盤。

1.3 質量計數(shù)板塊

在清分盤底部位置安裝質量傳感器，對滑出直滑道的硬幣計數(shù)，當硬幣落入收集桶之后，質量傳感器可以測量實時的總質量，再根據單個硬幣的質量，從而推算出硬幣數(shù)量，分別在一元、五角、一角硬幣清分盤處安裝三個質量傳感器，分別統(tǒng)計出幣數(shù)量，并顯示在顯示屏上。

為了提升裝置的自動化程度，我們設計了反饋調節(jié)機制如圖8。3min沒有硬幣通過，則停止通電并計數(shù)。反饋是將輸出信號(電流或電壓)的一部分或全部,再一次傳入輸入端與輸入的信號相比較,并用比較所得的有效輸入信號控制輸出,這是反饋過程.具有使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定的優(yōu)點。

圖8 本裝置運轉控制流程圖

質量計數(shù)可以間接將硬幣的數(shù)量顯示，此方法誤差小，原理簡單，方便安裝，且加入自動化設計，設計其三分鐘沒有硬幣通過，則停止運轉電機并計數(shù)，清分完畢，使裝置更加方便。

2 結語

2.1 設計方面

（1）我們采用新穎的振動上料模式，電磁振動上料機是一種可以完成物質傳輸?shù)难b置，電磁振動上料盤的原理是利用脈沖電磁鐵使料斗垂直方向振動，由于彈簧片的傾斜，使料斗繞其垂直軸做扭擺振動。在振動下上料機可以高效、穩(wěn)定地進行上料工作，將待測硬幣整齊的排好送至出幣口，誤差較小、精度較高，極大地降低了軌道堵塞引起操作不可持續(xù)的可能性。其中螺旋式上料機使用螺旋上升的軌道上料，更穩(wěn)定。這使得螺旋式上料機效率比直軌道上料機工作頻率低、噪聲更小，因此本硬幣清分機選擇螺旋式上料機作為上料裝置。

（2）軌道的設計利用了硬幣直徑大小不同這一特性?；壱还卜譃槿龑?。如圖所示，第一層為一元軌道，長度為20cm。第二段滑軌長為15cm，寬為6.5cm。第三段滑軌長為10cm，寬為5cm。導軌材料為鋁，可通過手工或機器割制而成。其強度較大，摩擦力較小的特點，保證了硬幣可以在軌道上順利通過。

（3）在清分盤的底部安裝質量傳感器，對不同種類的硬幣計數(shù)。優(yōu)點主要在于傳感器靈敏度高，可以準確計算不同種類硬幣的個數(shù)。

2.2 實用方面

本裝置操作簡單，只需將硬幣裝入清分機中，開啟電源即可完成對硬幣的清分、計數(shù)操作。裝置工作效率高，能在短時間內完成大量硬幣的清分工作，同時不易卡幣，減少了不必要的人力與物力浪費。滑軌可根據硬幣半徑自行制作。裝置輕便，制作、拆卸方法簡單，便于運輸和攜帶，具有很強的操作性。系統(tǒng)所用電功率小，耗電量少。軌道材料為鋁，強度較大，能承受住硬幣質量，且價格便宜，整體裝置經濟適用性強。