丁鳳娟,洪騰蛟,陳康迪，高帥帥，孟凡盛，陳 豐

(1. 安徽科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 鳳陽 233100；2. 安徽科技學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 鳳陽 233100)

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第五套人民幣硬幣分揀機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造

丁鳳娟1,洪騰蛟1,陳康迪2，高帥帥1，孟凡盛1，陳 豐1*

(1. 安徽科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 鳳陽 233100；2. 安徽科技學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 鳳陽 233100)

快速、高效、低成本地對(duì)硬幣進(jìn)行清理、分揀和計(jì)數(shù)，已成為了業(yè)界高度關(guān)注的問題。本文以第五套人民幣發(fā)行的硬幣為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一款高效硬幣分揀機(jī)，并使用自主研發(fā)的3D打印機(jī)進(jìn)行樣機(jī)制造。通過多次硬幣清選實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，其分揀、計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確率均達(dá)到了99%以上，為硬幣分揀機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)提供了研究方向。

硬幣；分揀；計(jì)數(shù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著國內(nèi)外金融市場(chǎng)的快速發(fā)展，貨幣結(jié)算呈現(xiàn)出了大額貨幣電算化，小額貨幣硬幣化的便捷式結(jié)算發(fā)展趨勢(shì)[1]。作為貨幣流通的金屬硬幣具有規(guī)格統(tǒng)一，使用方便，流通壽命長，范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[2]，除此之外，還有很高的藝術(shù)欣賞和收藏保值功能，深受人們的喜愛。但是銀行、零售企業(yè)以及公交系統(tǒng)的大量硬幣堆積給分揀、計(jì)數(shù)工作帶來了巨大難題[3]，需耗費(fèi)大量人力資源進(jìn)行清分，且出錯(cuò)率較高。我國目前只有少數(shù)銀行網(wǎng)點(diǎn)配備了少量?jī)r(jià)格昂貴的進(jìn)口硬幣處理機(jī)器，無法滿足大量硬幣的分揀和計(jì)數(shù)工作[4-5]，這樣也為后期的錢款入賬和資金回籠帶來了極大的不便，影響工作效率，同時(shí)也造成了資源浪費(fèi)。

目前，市場(chǎng)上的硬幣分揀機(jī)大多采用物理技術(shù)和性能指標(biāo)兩大類指標(biāo)進(jìn)行清分，原理雖然相同，但是各國硬幣的種類和規(guī)格均有差異，因此硬幣分揀機(jī)的研制需要根據(jù)各國的硬幣體系，進(jìn)行有針對(duì)性的研究[6]。本文以我國第五套人民幣中發(fā)行的硬幣為研究對(duì)象，運(yùn)用多層篩選原理，設(shè)計(jì)研制了一種錐筒式硬幣分檢機(jī)[7]，并使用自主研發(fā)的3D打印機(jī)進(jìn)行樣機(jī)制造。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其分揀、計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確率均達(dá)到了99%以上，實(shí)現(xiàn)了高效、快捷、準(zhǔn)確分揀與計(jì)數(shù)，細(xì)化與補(bǔ)充了硬幣分揀機(jī)的型號(hào)與系列，也為硬幣分揀機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)提供了研究方向。

1 硬幣分揀機(jī)原理簡(jiǎn)述

本文研制的硬幣分揀機(jī)利用止通規(guī)原理，針對(duì)不同面額硬幣的直徑和厚度的差異性進(jìn)行逐層分揀與逐層計(jì)數(shù)。第五套人民幣中發(fā)行的硬幣有：一元、五角、一角三種，使用得力牌0～130 mm游標(biāo)卡尺對(duì)多枚不同面額硬幣的直徑和厚度進(jìn)行反復(fù)測(cè)量計(jì)算，取平均值。測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 第五套人民幣中發(fā)行的硬幣直徑和厚度參數(shù)

通過對(duì)不同面額硬幣的直徑和厚度進(jìn)行尺寸分析，利用其直徑和厚度的數(shù)值差，將分揀機(jī)的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為上兩層具有止通效果的帶有圓孔的離心篩和底層為無孔的離心篩，三層式錐筒結(jié)構(gòu)。第一層離心篩圓孔直徑為22 mm，五角和一角硬幣可以通過，落入第二層離心篩，一元硬幣受離心力作用從出口甩出，通過滑道進(jìn)入一元硬幣儲(chǔ)存盒；第二層離心篩圓孔直徑為20 mm，一角硬幣可以通過，落入第三層離心篩，五角硬幣受離心力作用從出口甩出，通過滑道進(jìn)入五角硬幣儲(chǔ)存盒；一角硬幣進(jìn)入第三層離心篩后受離心力作用從出口甩出，通過滑道進(jìn)入一角硬幣儲(chǔ)存盒；每層的出口處均安裝一個(gè)可以調(diào)節(jié)角度的撥片，用以控制硬幣甩出時(shí)的角度，順利進(jìn)入滑道，防止硬幣飛出滑道或在滑道內(nèi)疊加，影響分揀與計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性；并在每個(gè)滑道末端安裝紅外對(duì)管計(jì)數(shù)器，對(duì)經(jīng)過的硬幣進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而完成硬幣的分揀與計(jì)數(shù)工作。

2 硬幣分揀機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該硬幣分揀機(jī)分為三層式結(jié)構(gòu)，第一層分揀一元硬幣；第二層分揀五角硬幣；第三層分揀一角硬幣。三層離心篩均安裝于中心軸上，中心軸由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生震動(dòng)與離心力，為硬幣的清分提供動(dòng)力；電氣部分采用5-24 V電源模塊供電,STM32單片機(jī)控制，設(shè)置無極變速開關(guān)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，用以控制離心篩的旋轉(zhuǎn)速度和離心力的大小。并在控制程序中寫入延時(shí)反轉(zhuǎn)功能，當(dāng)電機(jī)卡滯超過3秒鐘未能正轉(zhuǎn)時(shí)即啟動(dòng)反轉(zhuǎn)360°功能，防止電機(jī)長時(shí)間卡滯產(chǎn)生高溫，燒壞線圈；分揀機(jī)底部設(shè)置高強(qiáng)度不銹鋼三角支架作為支撐，同時(shí)也避免產(chǎn)生共振現(xiàn)象，損壞設(shè)備。投幣口設(shè)置在分揀機(jī)的頂部，便于投幣操作，并將每層的硬幣出口高度設(shè)計(jì)為3 mm，大于任意單枚硬幣厚度，小于任意兩枚硬幣疊加厚度，既保證硬幣能夠高效通過出口，又防止出現(xiàn)疊幣和卡幣現(xiàn)象，確保分揀和計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性。

為了避免傳統(tǒng)硬幣分揀機(jī)的直筒機(jī)身無法有效防止硬幣在高速旋轉(zhuǎn)過程中緊貼筒壁站立，堵住出口的情況出現(xiàn)，本文將分揀機(jī)筒身設(shè)計(jì)成向內(nèi)傾斜的錐筒狀，迫使硬幣無法站立，順利通過出幣口甩出，完成清選和計(jì)數(shù)工作。考慮到離心篩分布有孔洞，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱，在載有大量硬幣并高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)有變形塌陷的風(fēng)險(xiǎn)，在每層離心篩底部均勻分布3顆結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、可提供任意方向滾動(dòng)移栽的萬向球軸承作為支撐[8],以確保離心篩能夠安全、平穩(wěn)的工作。為防止漏幣、混幣現(xiàn)象發(fā)生，影響分揀和計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性，將滑道設(shè)計(jì)成兩層結(jié)構(gòu)，底層滑道寬度只能容小額硬幣通過。并在底層滑道中開有落幣孔連接下一級(jí)離心篩，誤出的小額硬幣在調(diào)節(jié)撥片的作用下進(jìn)入底層滑道中，通過落幣孔進(jìn)入下一級(jí)離心篩，自動(dòng)進(jìn)行二次篩選，避免了出現(xiàn)混幣時(shí)，需要多次停機(jī)、投幣等重復(fù)操作。該硬幣分揀機(jī)將離心篩篩選與滑道過濾多層篩選巧妙結(jié)合，有效解決了漏幣、混幣、分揀不盡，需要多次重復(fù)投幣篩選等問題。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參見圖1，其中a為整機(jī)圖，b為支撐結(jié)構(gòu)，c為過濾孔。

a.硬幣分揀機(jī)整機(jī)圖

b.離心篩支撐結(jié)構(gòu)

c.滑道過濾孔

3 樣機(jī)制造

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性，本文使用自主研制的多頭FDM型3D打印機(jī)[9]，進(jìn)行硬幣分揀機(jī)樣機(jī)的錐筒、滑道及離心篩等零部件的打印工作，耗材選用可生物降解無污染的PLA材料[10],打印參數(shù)按照舒友等人研究的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定[11]。樣機(jī)按照1 ∶5比例縮小版進(jìn)行生產(chǎn)制造，樣機(jī)預(yù)計(jì)產(chǎn)能為每分鐘分揀和計(jì)數(shù)200枚左右的硬幣?？紤]到萬向球軸承和離心篩裝配時(shí)的工藝合理性，將錐筒分段打印，便于萬向球軸承和離心篩的安裝與調(diào)試。零部件打印完成后，清洗并去除支撐材料，按照工藝卡片的要求將各零部件裝配完成。為保證三層離心篩的同心度，應(yīng)將三層離心篩同時(shí)安裝于中心軸上進(jìn)行修邊操作，確保離心篩在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生偏心和干涉現(xiàn)象。最后將編寫好的控制程序?qū)敕謷C(jī)控制器中進(jìn)行程序調(diào)試，通過反復(fù)修改程序和實(shí)物試驗(yàn)，最終達(dá)到優(yōu)化狀態(tài)。零部件及整機(jī)實(shí)物見圖2。

a.零部件圖

b.整機(jī)實(shí)物圖

圖2 零部件及整機(jī)實(shí)物圖

Fig.2 Some components and physical map

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

選取50 枚一元硬幣、50 枚五角硬幣、50 枚一角硬幣投入分揀機(jī)中進(jìn)行試驗(yàn)，隨著電機(jī)的啟動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)與離心力，大多數(shù)五角和一角硬幣隨著第一層離心篩的振動(dòng)落入第二層離心篩中，少數(shù)五角和一角硬幣在離心力作用下隨一元硬幣從第一層的硬幣出口甩出，進(jìn)入滑道中，由滑道過濾孔落入到第二層離心篩中進(jìn)行二次篩選，一元硬幣經(jīng)由滑道通過計(jì)數(shù)器進(jìn)入一元硬幣儲(chǔ)存盒中，完成一元硬幣的分揀與計(jì)數(shù)工作；落入第二層離心篩中的一角硬幣在離心篩的振動(dòng)作用下落入第三層離心篩中，少數(shù)一角硬幣由五角硬幣出口甩出，經(jīng)由滑道過濾孔落入到第三層離心篩中。進(jìn)入第三層離心篩的一角硬幣由出幣口經(jīng)過數(shù)器落入一角儲(chǔ)存盒中。五角硬幣則通過第二層滑道經(jīng)由計(jì)數(shù)器落入五角硬幣儲(chǔ)存盒中，完成了五角硬幣和一角硬幣的分揀與計(jì)數(shù)工作。

通過反復(fù)試驗(yàn)(共進(jìn)行了100次試驗(yàn))與觀察，試驗(yàn)過程中，沒有出現(xiàn)疊幣、卡幣、共振、硬幣站立堵住出幣口以及設(shè)備損壞等現(xiàn)象，其中出現(xiàn)了一次混幣現(xiàn)象，有一枚一角硬幣混入到五角硬幣儲(chǔ)存盒中，其分揀與計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確率高達(dá)99%。通過顯示器可讀出一元硬幣、五角硬幣和一角硬幣的數(shù)量以及總金額數(shù)。參見圖3。

圖3 硬幣數(shù)量及總金額

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)研制的硬幣分揀機(jī)，其錐筒結(jié)構(gòu)可有效避免硬幣站立堵住出幣口，離心篩篩選與滑道過濾多層篩選巧妙結(jié)合，解決了漏幣、混幣、分揀不盡等問題。結(jié)構(gòu)合理簡(jiǎn)潔、分揀效率高、計(jì)數(shù)準(zhǔn)確，達(dá)到了硬幣分揀與計(jì)數(shù)的目的，為硬幣分揀機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)提供了新的研究方向。

[1]郭星, 陳亦仁, 商云男,等. WBH1314型紙袋式硬幣清分包裝一體機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)[J]. 包裝工程, 2013(3):63-67.

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(責(zé)任編輯：李孟良)

Architecture Design and Manufacturing of Coin Sorters Aim at 5th Edition of RMB

DING Feng-juan1,HONG Teng-jiao1,CHEN Kang-di2,GAO Shuai-shuai1,MENG Fan-sheng1,CHEN Feng1*

(1. College of Mechanical Engineering, Anhui Science and Technology University, Fengyang 233100, China;2. College of Resources and Environment, Anhui Science and Technology University, Fengyang 233100, China)

The problem of sorting and counting the coins with high efficiency and low-cost attracted high attention of business. The objective of present article is the 5th edition of RMB, in which designed a high efficiency coin sorter printed by the self-developed 3D printer. We had went thought the experiment many times in order to sort and count the coins and concluded that the accuracy of sorting and counting approached over 99% by the coin sorter, which provided up a research direction of coin sorters.

Coin; Sort; Count; Physical design

2016-05-23

安徽省教育廳省級(jí)自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2013A080)；安徽科技學(xué)院自然科學(xué)研究項(xiàng)目(ZRC2014414)；安徽科技學(xué)院穩(wěn)定人才啟動(dòng)基金(LS0995)。

丁鳳娟(1988-)，女，安徽省合肥市人，在讀碩士研究生，主要從事機(jī)械技術(shù)研究。*通訊作者：陳豐，教授，E-mail:fengchen_12@126.com。

TH122

A

1673-8772(2016)05-0071-04