董祥龍 李中會(huì)

（東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

引言

眾所周知，硬幣是一個(gè)國(guó)家金融系統(tǒng)中不可缺少的一環(huán)，它規(guī)格統(tǒng)一、易于識(shí)別、不易磨損，可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的流通。因此，在世界各國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。我國(guó)迄今為止已經(jīng)發(fā)行了4套182枚硬幣，并都參與流通。然而隨著時(shí)代的發(fā)展，小硬幣卻也產(chǎn)生了大問(wèn)題。多則新聞報(bào)道了銀行面對(duì)大量混雜的硬幣一籌莫展：一來(lái)硬幣質(zhì)量較大，難以儲(chǔ)存；二來(lái)分揀需要大量的人力，耗時(shí)費(fèi)力。近年來(lái)，隨著假幣的日漸猖獗，硬幣問(wèn)題越演越烈。報(bào)道顯示，昆明公交僅去年一年就收到73萬(wàn)元假硬幣，給集團(tuán)帶來(lái)巨大損失[2]。由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)一臺(tái)具有鑒偽功能的硬幣分揀機(jī)意義重大。

1 硬幣分揀機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)部分方案

結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：首先實(shí)現(xiàn)預(yù)定的總體尺寸要求；其次能夠?qū)崿F(xiàn)硬幣的分離、分揀、傳輸和儲(chǔ)存；第三具有一定的強(qiáng)度能夠支撐其整個(gè)機(jī)器；最后還應(yīng)保證各電子元器件安裝到位。因此在以上要求下設(shè)計(jì)了如下五個(gè)主要結(jié)構(gòu)單元：硬幣分離單元、硬幣處理單元、硬幣輸送單元、硬幣包裝單元和假幣剔除單元。硬幣分離單元利用離心力的原理將成堆放入的硬幣分散開(kāi)，并送入硬幣筒中形成一個(gè)縱向序列；硬幣處理單元?jiǎng)t通過(guò)結(jié)構(gòu)的尺寸控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目前主流的四種大小硬幣（小1角、5角、大1角和1元）的分揀；硬幣輸送單元?jiǎng)t利用硬幣自身的重力產(chǎn)生動(dòng)力來(lái)將硬幣送入制定的收幣筒內(nèi)；硬幣包裝單元暫時(shí)儲(chǔ)存硬幣輸送單元送過(guò)來(lái)的硬幣，在儲(chǔ)存滿了之后通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)送到操作者的手中進(jìn)行包裝；假幣剔除單元利用電渦流傳感器對(duì)硬幣進(jìn)行真?zhèn)闻袛?，在出現(xiàn)假幣時(shí)，電磁鐵吸合，打開(kāi)假幣剔除單元的入口，此時(shí)假幣將沿著軌道滑入假幣容器中，實(shí)現(xiàn)分離。

1.2 硬幣分離單元

硬幣分離單元包含進(jìn)幣盤、進(jìn)幣盤下和分幣盤三個(gè)主要零件。如圖1所示，進(jìn)幣盤為倒圓臺(tái)型設(shè)計(jì)，傾角按照經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果取30°，設(shè)計(jì)容量為一次容納500枚硬幣，經(jīng)過(guò)計(jì)算取高度為40mm。此造型既能夠容納硬幣，也保證了硬幣能在自身重力的作用下沿盤壁下滑至分幣盤上。分幣盤在電機(jī)的作用下高速旋轉(zhuǎn)，其上的硬幣在與盤面之間的摩擦力的作用下做離心運(yùn)動(dòng)，最終運(yùn)動(dòng)到分幣盤的圓周附近，在左右兩側(cè)的開(kāi)口處滑入硬幣筒中。在重力的作用下下落并形成一個(gè)縱向的硬幣序列，以供硬幣處理單元利用。

圖1 硬幣分離單元

1.3 硬幣處理單元

硬幣處理單元包含了上蓋板、分揀盤和分揀盤下三個(gè)主要零件。如圖2所示，上一單元的硬幣形成的硬幣序列在分揀盤的作用下一一從硬幣筒中滑出，并沿著分揀盤下做圓周運(yùn)動(dòng)，此時(shí)將經(jīng)過(guò)由小到大的四個(gè)孔，硬幣經(jīng)過(guò)時(shí)將會(huì)依次落下小1角、5角、大1角和1元。上蓋板的作用是防止硬幣在高速移動(dòng)時(shí)偏離預(yù)定軌道，分揀盤在電機(jī)的作用下旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生動(dòng)力，分揀盤下則提供了四種類型的孔和硬幣運(yùn)行表面。為提高分揀的效率，在保證尺寸盡可能小的情況下，將分揀過(guò)程設(shè)計(jì)為兩個(gè)硬幣入口，一次旋轉(zhuǎn)帶出兩枚硬幣，每180°完成一次分揀，因此僅有一對(duì)缺口的分揀盤旋轉(zhuǎn)一周將分出4枚硬幣。分揀盤設(shè)計(jì)有6對(duì)缺口，每轉(zhuǎn)將分出24枚硬幣。大大增加了分揀效率。

圖2 硬幣處理單元

1.4 硬幣輸送單元

硬幣輸送單元包括接幣盤和軌道兩種主要零件。如圖3所示，其中接幣盤包括3種共10個(gè)，分別為真幣接幣盤左4個(gè)、真幣接幣盤右4個(gè)和假幣接幣盤2個(gè)；軌道同樣為3種共10個(gè)，分別為軌道左4個(gè)、軌道右4個(gè)和假幣軌道2個(gè)。硬幣從分揀盤下中掉落后經(jīng)由接幣盤掉到軌道上，再沿著軌道進(jìn)入下一單元。此處不僅利用虛擬裝配調(diào)整軌道的角度和尺寸，還從制造加工性出發(fā)來(lái)設(shè)計(jì)本單元。其中接幣盤外形為圓柱型，而軌道則采用了平面設(shè)計(jì)，3種軌道都由3mm的鋼板制成，加工工藝性更加優(yōu)越。

圖3 硬幣輸送單元

1.5 硬幣包裝單元

本單元是將硬幣導(dǎo)向機(jī)構(gòu)輸送過(guò)來(lái)的硬幣收集，并在數(shù)量達(dá)到時(shí)轉(zhuǎn)出送達(dá)操作者手中。利用硬幣自身的重力實(shí)現(xiàn)落幣和收集，在硬幣容器滿了之后通過(guò)電機(jī)控制機(jī)構(gòu)底部的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，將硬幣送到操作者的手中。經(jīng)研究國(guó)內(nèi)外的一些含有包裝機(jī)構(gòu)的大型硬幣處理設(shè)備后，得到如下結(jié)論：此類機(jī)器一般價(jià)格昂貴并且體積龐大[3][4]。因此設(shè)計(jì)出如圖4所示的包裝流程。此過(guò)程方便簡(jiǎn)單，既有效地利用了操作者的人力成本，也大大縮減了結(jié)構(gòu)尺寸，使得在桌面型設(shè)備中實(shí)現(xiàn)了包裝。方法如下：首先特別制作一種一端開(kāi)口、一端封閉的紙筒，開(kāi)口端多出一部分可以將其套在硬幣容器上。然后將它們一起放入包裝出幣機(jī)構(gòu)中，在硬幣收集達(dá)到一定數(shù)量之后，將硬幣容器取出，將開(kāi)口一端以人力擰緊，并實(shí)現(xiàn)封閉，最后將含有硬幣的紙筒倒出即可得到包裝成卷的硬幣卷。

圖4 包裝流程圖

2 基于電渦流傳感器的鑒偽原理和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

分別選用直徑20mm和直徑8mm的電渦流傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為7種材質(zhì)、4種大小的硬幣以及3種偽幣。對(duì)每個(gè)硬幣測(cè)出12個(gè)數(shù)據(jù)，并用折線圖表示出來(lái)如圖5和圖6所示。圖5所示的為直徑8mm的傳感器探頭與基礎(chǔ)面距離為固定2.6mm時(shí)得到的數(shù)據(jù)。可以看出，所有數(shù)據(jù)大致可以分為四個(gè)區(qū)域：其中舊版小1角、舊版5角和偽幣3反饋值完全相同，無(wú)法分辨；大1角單獨(dú)列出；偽幣1和偽幣2互相交叉且與其他折線明顯分離；剩下的硬幣都互有交叉。圖6所示的為直徑20mm的傳感器探頭測(cè)得的數(shù)據(jù)，結(jié)果從上到下共有6個(gè)區(qū)域。其中新版1元和舊版1元發(fā)生了重合，但因其都是1元，并不影響結(jié)果；偽幣1和偽幣2互相重合，但因都是偽幣，也不會(huì)影響結(jié)果；最下面舊版小1角、舊版5角與偽幣3又發(fā)生了重合。

由此得到結(jié)論：偽幣1與2可以通過(guò)傳感器容易的辨別，但偽幣3由于材質(zhì)的特性與舊版小1角以及舊版5角相似而無(wú)法分辨。所以電渦流傳感器可以用來(lái)進(jìn)行大部分偽幣的鑒別，但也有一定的局限性，在材質(zhì)相似的情況下容易產(chǎn)生誤判。但根據(jù)實(shí)際情況，偽幣主要出現(xiàn)在1元上，因此將鑒偽單元單獨(dú)放在1元的出口處時(shí)，將可以大大提高鑒偽分辨率。

圖5 測(cè)試結(jié)果一

圖6 測(cè)試結(jié)果二

3 結(jié)論

本文從結(jié)構(gòu)上提出了一種小型桌面式硬幣鑒偽分揀機(jī)模型，從原理和結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)硬幣的分離、分揀、鑒偽和包裝。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電渦流傳感器鑒偽是可行的，并通過(guò)改進(jìn)安裝位置提高了鑒偽分辨率。

[1]郭星，商云男.ST800A型硬幣清分機(jī)造型設(shè)計(jì)研究[J].包轉(zhuǎn)工程,2007,28(8):164～166.

[2]李文忠.昆明公交去年收到73萬(wàn)元假硬幣一年損失百萬(wàn)元[N].都市時(shí)報(bào)，2010-01-20.

[3]肖麗英.YB50全自動(dòng)硬幣計(jì)數(shù)、包卷機(jī)的研制[J].包轉(zhuǎn)工程,2003,24(3):28～29.

[4]邵成科.硬幣鑒偽方法與自動(dòng)包裝設(shè)備的技術(shù)方案設(shè)計(jì)[D].華北電力大學(xué)碩士論文,2005,2.

[5]趙丁選.光機(jī)電一體化設(shè)計(jì)使用手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003:67～69.