大學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)踐：硬幣分離裝置

劉寧

摘 要：截至目前，相關(guān)硬幣分離裝置已經(jīng)能夠很好解決硬幣分離困難，現(xiàn)在基本具備了噪聲小、傳動(dòng)穩(wěn)定、性能可靠等特點(diǎn)，大多采用電渦流法，但是仍然不夠全面，不夠系統(tǒng)。針對(duì)這一現(xiàn)象，通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)踐，設(shè)計(jì)一款硬幣分離裝置精細(xì)化實(shí)現(xiàn)分離、防偽、辨別、計(jì)數(shù)、打包等一體化功能。

關(guān)鍵詞：機(jī)械 硬幣 分離 創(chuàng)新

College Students Mechanical Design Innovation Practice Coin Separation Device

Liu Ning

Abstract：Up to now， related coin separation devices have been able to solve the difficulty of coin separation very well. Now they basically have the characteristics of low noise， stable transmission and reliable performance. Most of them adopt eddy current method， but they are still not comprehensive and systematic enough. In view of this phenomenon， the article through mechanical design innovation practice， designed a coin separation device refined to achieve separation， anti-counterfeiting， discrimination， counting， packaging and other integrated functions.

Key words：mechanical， coin， separation， innovate

1 基本工作原理與設(shè)計(jì)思路

硬幣分離機(jī)主要利用各種規(guī)格的硬幣物理尺寸的差異設(shè)計(jì)出不同大小的特定分離孔來(lái)進(jìn)行分離。由上往下分別為：上端蓋，擋板，回轉(zhuǎn)板，上箱體，法蘭盤，分離盤，導(dǎo)流槽及收集容器。

硬幣進(jìn)入投入口后由擋板轉(zhuǎn)動(dòng)緩沖，分離至四周通過(guò)擋板與機(jī)體殼之間5mm的縫隙平緩滑入至回轉(zhuǎn)板上，隨著回轉(zhuǎn)板回轉(zhuǎn)的離心力與硬幣之間的相互碰撞，進(jìn)入回轉(zhuǎn)板與上箱體的5mm的縫隙，實(shí)現(xiàn)硬幣橫向進(jìn)入。

上箱體四周設(shè)有四個(gè)傾斜導(dǎo)軌，每個(gè)導(dǎo)軌分出兩個(gè)并列軌道連接至下方法蘭盤，以分開(kāi)疊放一起的硬幣。硬幣在下滑過(guò)程中后由橫置變?yōu)樨Q直，落入下方法蘭盤的硬幣運(yùn)輸槽中。

下落后進(jìn)入法蘭盤運(yùn)輸槽，其中上箱體下部擋板與法蘭盤留有1.5mm間隙，在法蘭盤旋轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)法蘭盤上方進(jìn)行橫掃，使未成功插入法蘭盤運(yùn)輸槽中的硬幣進(jìn)入法蘭盤中間四個(gè)圓形收容口，經(jīng)軌道落入專門收集容器中，以便進(jìn)行再次分離。

法蘭盤下方為1mm間隙的分離盤，軌道正好對(duì)正法蘭盤運(yùn)輸槽，硬幣在運(yùn)輸槽帶動(dòng)下首先落在分離盤板上。各孔徑大小比對(duì)應(yīng)的硬幣直徑略大，滑軌留有足夠運(yùn)動(dòng)軌道，以保證各種硬幣充分分離。

相同的硬幣由從四個(gè)不同導(dǎo)流區(qū)域經(jīng)由導(dǎo)流槽匯入同一個(gè)收集容器。其中未分離硬幣經(jīng)由此處中間環(huán)形孔繼續(xù)滑落，進(jìn)入下方特定收集容器，等待再次進(jìn)行硬幣分離任務(wù)。

該裝置既可以滿足小型商店及自動(dòng)售貨機(jī)的使用要求，又可以滿足超市、銀行等地的大規(guī)模需求。

2 具體零件結(jié)構(gòu)展示及功能分析

2.1 上端蓋

上端蓋由頂部漏斗和底部殼體組成，直徑分別為280mm，324mm，中部為硬幣掉落孔，內(nèi)部設(shè)計(jì)與擋板和回轉(zhuǎn)盤相互配合，實(shí)現(xiàn)了漏斗，緩沖，導(dǎo)流的功能。特別是底部為回轉(zhuǎn)環(huán)形槽設(shè)計(jì)，在回轉(zhuǎn)盤運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，通過(guò)孔上方與擋板與擋板之間僅有的5mm距離，限制硬幣一次性通過(guò)的數(shù)量，防止在回轉(zhuǎn)盤造成堆積，可對(duì)硬幣進(jìn)行緩和導(dǎo)流，使硬幣順序進(jìn)入下方。

2.2 擋板

擋板為上方帶有弧度，底部有支撐肋板的盤狀，整體直徑為90mm，中間孔采用螺紋與主軸鏈接，在硬幣落下時(shí)起到緩沖作用。

通過(guò)其弧度及旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用使落下的大量硬幣減速并分散開(kāi)后由預(yù)留空隙滑落到下方回轉(zhuǎn)盤上，避免堆積。

2.3 回轉(zhuǎn)盤

回轉(zhuǎn)盤頂部帶有傾斜弧度，而且設(shè)有八條凹槽，起到分割導(dǎo)流的作用，下方為內(nèi)齒輪和支撐座。工作過(guò)程中通過(guò)主軸帶動(dòng)減速器與底部?jī)?nèi)齒嚙合，產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)與擋板相反方向旋轉(zhuǎn)。運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中硬幣通過(guò)離心力和與硬幣之間的相互碰撞，在頂部凹槽帶動(dòng)下橫置滑入回轉(zhuǎn)盤與箱體間隙，進(jìn)入上箱體傾斜軌道。

2.4 上箱體

上箱體的設(shè)計(jì)頂部開(kāi)口較寬，底部為兩條狹窄的通道，分別對(duì)應(yīng)法蘭盤外側(cè)的兩圈深槽。上箱體四周設(shè)有四個(gè)傾斜導(dǎo)軌，每個(gè)導(dǎo)軌分出兩個(gè)并列軌道連接至下方法蘭盤，以分開(kāi)疊放一起的硬幣，兩軌道之間有隔板分開(kāi)，使硬幣進(jìn)入不同軌道，避免混亂，保證每個(gè)軌道進(jìn)入一枚硬幣。

硬幣在下滑過(guò)程中后由橫置變?yōu)樨Q直，落入下方法蘭盤的硬幣運(yùn)輸槽中。從回轉(zhuǎn)盤滑落進(jìn)入軌道的硬幣，在下落過(guò)程隨機(jī)進(jìn)入下方狹窄通道，調(diào)整為豎直姿態(tài)，隨下方法蘭盤的轉(zhuǎn)動(dòng)掉入其深槽中。狹窄通道的設(shè)計(jì)為每次只允許一枚硬幣掉落，避免硬幣掉落進(jìn)法蘭盤時(shí)發(fā)生堆積、卡頓現(xiàn)象。

其中上箱體下部擋板與法蘭盤留有1.5mm間隙，并有特制的擋板在法蘭盤旋轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)其上方進(jìn)行橫掃，使未成功插入到硬幣運(yùn)輸槽中的硬幣進(jìn)入法蘭盤中間四個(gè)圓形收容口，經(jīng)軌道落入專門收集容器中，以便進(jìn)行再次分離。

2.5 法蘭盤

法蘭盤主要作用是帶著從上箱體的滑軌中滑落出的硬幣轉(zhuǎn)動(dòng)，并使其逐個(gè)經(jīng)過(guò)下方分離盤上四種大小的硬幣分離孔，達(dá)到硬幣分離的目的。該盤的總體直徑276mm，由外向里分別為兩圈插入硬幣的深槽，使硬幣未能成功插入深槽時(shí)可以掉落到下方容器的漏幣孔和主軸保護(hù)套。運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中上方與帶滑軌的上箱體連接，通過(guò)旋轉(zhuǎn)將導(dǎo)軌中的硬幣裝入外側(cè)運(yùn)幣槽中，下方與硬幣分離盤連接，使硬幣隨著轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過(guò)不同大小的分離口，完成分離。

其中用來(lái)插入硬幣的兩圈深槽分布在直徑為140mm到276mm的圓環(huán)之間，長(zhǎng)30mm、寬4.76mm、深30mm。其中4.76mm為上方最大開(kāi)口寬度，槽內(nèi)尺寸為4mm，用來(lái)限制硬幣下落數(shù)目，使其最多同時(shí)插入兩枚硬幣。由于在圓環(huán)中挖槽時(shí)越往外寬度越大，而過(guò)大和不協(xié)調(diào)的寬度容易造成在法蘭盤轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中硬幣的脫落、變位。因此在設(shè)計(jì)時(shí)采用多個(gè)截面相互配合，確保深槽的寬度由內(nèi)向外寬度保持不變，使硬幣在插入深槽后不因產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)、變位而影響與分離盤的結(jié)合。

運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，因?yàn)橛矌艔纳戏叫D(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)盤上進(jìn)入到上箱體滑軌時(shí)具有一定的方向性，并不是完全豎直的，而是順著上方回轉(zhuǎn)板的旋轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生一定的傾斜。此時(shí)若是下方法蘭盤轉(zhuǎn)向與硬幣傾斜方向一致，則容易產(chǎn)生硬幣插入深槽失敗的情況。針對(duì)這一情況，將法蘭盤與下方分離盤的裝配距離定為1.5mm，并且通過(guò)傳動(dòng)齒輪和減速器的配合，既達(dá)到減速的目的，又實(shí)現(xiàn)了該盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向與滑軌底部硬幣的傾斜方向相反。這樣在該盤運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，深槽的槽壁首先接觸到露出滑軌底部一小部分的硬幣，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)將傾斜的硬幣擺正，使其掉落到的深槽中。然后隨著法蘭盤轉(zhuǎn)動(dòng)依次經(jīng)過(guò)由小到大的分離孔，在對(duì)應(yīng)的孔中掉落，進(jìn)入下方收集容器。

仍未能順利插入深槽的硬幣，將由與上箱體相連的擋板阻擋，最后滾動(dòng)到法蘭盤中部區(qū)域的漏幣掉落孔中進(jìn)入下方專門的收集容器。漏幣掉落孔直徑為40mm，共有5個(gè)，圍繞主軸保護(hù)套均勻分布，運(yùn)轉(zhuǎn)中可以確保漏幣充分掉落。最中央部分是直徑為36mm，高度為50mm的主軸保護(hù)套，用來(lái)防止未成功插入深槽的影響主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.6 硬幣分離盤

硬幣分離盤主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種類硬幣的分離功能，該盤總體直徑324mm，在其外側(cè)有與上方法蘭盤深槽對(duì)應(yīng)的兩條環(huán)狀槽，槽內(nèi)按不同種類的硬幣由小到大的順序分布著對(duì)應(yīng)的分離口。分離口的寬度比對(duì)應(yīng)硬幣的直徑略大，有效防止其他非對(duì)應(yīng)硬幣的錯(cuò)誤分離。

分離盤軌道正對(duì)上方法蘭盤的兩圈運(yùn)幣槽，硬幣在運(yùn)幣槽帶動(dòng)下首先落在分離盤板上，而后在環(huán)形槽上方滑動(dòng)，依次經(jīng)過(guò)與1角、5角、老式一角和1元硬幣，各分離口寬度均比對(duì)應(yīng)類別的硬幣直徑略大，環(huán)形槽留有足夠運(yùn)動(dòng)距離，以保證各種硬幣在符合條件的分離口上充分掉落。

由于要分離的各種尺寸的硬幣直徑相差不大，且上方運(yùn)幣槽的寬度為4mm，略大于硬幣厚度，使硬幣在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中易發(fā)生傾斜變位，因此可能出現(xiàn)直徑較大的硬幣在未到達(dá)正確的分離口之前與較小分離口之間的卡位現(xiàn)象，造成硬幣的脫落和錯(cuò)誤分離。為避免此類問(wèn)題的發(fā)生，除了進(jìn)一步精確法蘭盤運(yùn)幣槽和分離口寬度外，將分離盤與法蘭盤的裝配間隙定為1mm，這就使得硬幣在未到達(dá)正確的分離口之前只有一小部分與分離口的壁相接觸，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中上方大部分保留在運(yùn)幣槽中，在運(yùn)幣槽的推力作用下順利通過(guò)各口徑的分離口。同時(shí)為使硬幣下落后進(jìn)入槽內(nèi)，更好的在分離軌道上滑行，各分離口之間的交界處設(shè)計(jì)為兩邊高中間低的倒三角形，使硬幣能夠順利通過(guò)。

分離盤中間區(qū)域圍繞主軸均勻分布四個(gè)扇形通口，使未分離硬幣通過(guò)法蘭盤經(jīng)由此處掉落至下方。而且盤上各個(gè)位置開(kāi)有倒角，確保硬幣滑動(dòng)順利。

2.7 導(dǎo)流槽

導(dǎo)流槽主要功能是將從上方硬幣分離盤的四個(gè)分離區(qū)域中分離出來(lái)的同種硬幣匯集到一起，按裝配后與上方分離盤上各種硬幣分離口的角度對(duì)應(yīng)關(guān)系劃分為四塊導(dǎo)流區(qū)域，每塊導(dǎo)流區(qū)域有各自設(shè)有對(duì)應(yīng)四種硬幣的導(dǎo)流口。為使上方運(yùn)幣盤內(nèi)的硬幣在通過(guò)硬幣分離口過(guò)程中順利滑動(dòng)，各導(dǎo)流口之間的隔板在對(duì)應(yīng)位置挖有供硬幣通過(guò)的凹槽。中間區(qū)域?yàn)楣┥戏轿闯晒Ψ蛛x的硬幣掉落的圓形漏幣口。

導(dǎo)流槽底部接四個(gè)環(huán)狀的收集容器，由于市場(chǎng)上流通的硬幣主要以1元居多，結(jié)合底部環(huán)形存儲(chǔ)容器由內(nèi)向外半徑不同而造成存儲(chǔ)容量不同。因此不同硬幣的導(dǎo)流口內(nèi)的擋板依靠其傾斜角度將硬幣按流通占有率的大小導(dǎo)入不同的環(huán)形容器當(dāng)中，其中1元硬幣通過(guò)四個(gè)導(dǎo)流區(qū)域的匯集到最外面的環(huán)形儲(chǔ)存容器中，由外向里依次為1元，5角，1角和老式1角。

2.8 盛裝盒與下底盤

硬幣收集裝置由四個(gè)90度的扇形盛裝盒組成，扇形圓心位置留有放置發(fā)動(dòng)機(jī)和主軸的空間，四個(gè)盛裝盒拼湊成一個(gè)圓形的盛放裝置，每個(gè)盛裝盒之間用銷子連接。盛裝盒安裝在下方的旋轉(zhuǎn)盤上，最底部為下底盤，中間有一突起的臺(tái)柱，旋轉(zhuǎn)盤通過(guò)中心的軸承與下底盤臺(tái)柱連接。四個(gè)盛放盤可通過(guò)在下箱體開(kāi)口處人為撥動(dòng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，有選擇的將不同的盛裝盒抽出進(jìn)行硬幣的清理。每個(gè)扇形盛裝盒分為五個(gè)盛裝區(qū)域，分別與上方導(dǎo)流槽上不同硬幣的出口對(duì)應(yīng)，由外到里盛放的硬幣為1元、5角、1角、老式1角以及在上箱體與法蘭盤連接處未能成功插入運(yùn)幣槽的漏幣。

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