一种基于Solidworks的新型硬币鉴伪分拣机设计

2010-07-17董祥龙李中会

中国新技术新产品 2010年11期

董祥龙李中会

（东华大学机械工程学院，上海 201620）

引言

众所周知，硬币是一个国家金融系统中不可缺少的一环，它规格统一、易于识别、不易磨损，可以进行长时间的流通。因此，在世界各国得到了广泛的应用[1]。我国迄今为止已经发行了4套182枚硬币，并都参与流通。然而随着时代的发展，小硬币却也产生了大问题。多则新闻报道了银行面对大量混杂的硬币一筹莫展：一来硬币质量较大，难以储存；二来分拣需要大量的人力，耗时费力。近年来，随着假币的日渐猖獗，硬币问题越演越烈。报道显示，昆明公交仅去年一年就收到73万元假硬币，给集团带来巨大损失[2]。由此可见，设计一台具有鉴伪功能的硬币分拣机意义重大。

1 硬币分拣机的机械结构设计

1.1 机械结构部分方案

结构部分的设计应满足：首先实现预定的总体尺寸要求；其次能够实现硬币的分离、分拣、传输和储存；第三具有一定的强度能够支撑其整个机器；最后还应保证各电子元器件安装到位。因此在以上要求下设计了如下五个主要结构单元：硬币分离单元、硬币处理单元、硬币输送单元、硬币包装单元和假币剔除单元。硬币分离单元利用离心力的原理将成堆放入的硬币分散开，并送入硬币筒中形成一个纵向序列；硬币处理单元则通过结构的尺寸控制来实现对目前主流的四种大小硬币（小1角、5角、大1角和1元）的分拣；硬币输送单元则利用硬币自身的重力产生动力来将硬币送入制定的收币筒内；硬币包装单元暂时储存硬币输送单元送过来的硬币，在储存满了之后通过转动送到操作者的手中进行包装；假币剔除单元利用电涡流传感器对硬币进行真伪判断，在出现假币时，电磁铁吸合，打开假币剔除单元的入口，此时假币将沿着轨道滑入假币容器中，实现分离。

1.2 硬币分离单元

硬币分离单元包含进币盘、进币盘下和分币盘三个主要零件。如图1所示，进币盘为倒圆台型设计，倾角按照经验和实验结果取30°，设计容量为一次容纳500枚硬币，经过计算取高度为40mm。此造型既能够容纳硬币，也保证了硬币能在自身重力的作用下沿盘壁下滑至分币盘上。分币盘在电机的作用下高速旋转，其上的硬币在与盘面之间的摩擦力的作用下做离心运动，最终运动到分币盘的圆周附近，在左右两侧的开口处滑入硬币筒中。在重力的作用下下落并形成一个纵向的硬币序列，以供硬币处理单元利用。

图1 硬币分离单元

1.3 硬币处理单元

硬币处理单元包含了上盖板、分拣盘和分拣盘下三个主要零件。如图2所示，上一单元的硬币形成的硬币序列在分拣盘的作用下一一从硬币筒中滑出，并沿着分拣盘下做圆周运动，此时将经过由小到大的四个孔，硬币经过时将会依次落下小1角、5角、大1角和1元。上盖板的作用是防止硬币在高速移动时偏离预定轨道，分拣盘在电机的作用下旋转而产生动力，分拣盘下则提供了四种类型的孔和硬币运行表面。为提高分拣的效率，在保证尺寸尽可能小的情况下，将分拣过程设计为两个硬币入口，一次旋转带出两枚硬币，每180°完成一次分拣，因此仅有一对缺口的分拣盘旋转一周将分出4枚硬币。分拣盘设计有6对缺口，每转将分出24枚硬币。大大增加了分拣效率。

图2 硬币处理单元

1.4 硬币输送单元

硬币输送单元包括接币盘和轨道两种主要零件。如图3所示，其中接币盘包括3种共10个，分别为真币接币盘左4个、真币接币盘右4个和假币接币盘2个；轨道同样为3种共10个，分别为轨道左4个、轨道右4个和假币轨道2个。硬币从分拣盘下中掉落后经由接币盘掉到轨道上，再沿着轨道进入下一单元。此处不仅利用虚拟装配调整轨道的角度和尺寸，还从制造加工性出发来设计本单元。其中接币盘外形为圆柱型，而轨道则采用了平面设计，3种轨道都由3mm的钢板制成，加工工艺性更加优越。

图3 硬币输送单元

1.5 硬币包装单元

本单元是将硬币导向机构输送过来的硬币收集，并在数量达到时转出送达操作者手中。利用硬币自身的重力实现落币和收集，在硬币容器满了之后通过电机控制机构底部的转盘转动，将硬币送到操作者的手中。经研究国内外的一些含有包装机构的大型硬币处理设备后，得到如下结论：此类机器一般价格昂贵并且体积庞大[3][4]。因此设计出如图4所示的包装流程。此过程方便简单，既有效地利用了操作者的人力成本，也大大缩减了结构尺寸，使得在桌面型设备中实现了包装。方法如下：首先特别制作一种一端开口、一端封闭的纸筒，开口端多出一部分可以将其套在硬币容器上。然后将它们一起放入包装出币机构中，在硬币收集达到一定数量之后，将硬币容器取出，将开口一端以人力拧紧，并实现封闭，最后将含有硬币的纸筒倒出即可得到包装成卷的硬币卷。

图4 包装流程图

2 基于电涡流传感器的鉴伪原理和实验验证

分别选用直径20mm和直径8mm的电涡流传感器进行实验验证。实验对象为7种材质、4种大小的硬币以及3种伪币。对每个硬币测出12个数据，并用折线图表示出来如图5和图6所示。图5所示的为直径8mm的传感器探头与基础面距离为固定2.6mm时得到的数据。可以看出，所有数据大致可以分为四个区域：其中旧版小1角、旧版5角和伪币3反馈值完全相同，无法分辨；大1角单独列出；伪币1和伪币2互相交叉且与其他折线明显分离；剩下的硬币都互有交叉。图6所示的为直径20mm的传感器探头测得的数据，结果从上到下共有6个区域。其中新版1元和旧版1元发生了重合，但因其都是1元，并不影响结果；伪币1和伪币2互相重合，但因都是伪币，也不会影响结果；最下面旧版小1角、旧版5角与伪币3又发生了重合。

由此得到结论：伪币1与2可以通过传感器容易的辨别，但伪币3由于材质的特性与旧版小1角以及旧版5角相似而无法分辨。所以电涡流传感器可以用来进行大部分伪币的鉴别，但也有一定的局限性，在材质相似的情况下容易产生误判。但根据实际情况，伪币主要出现在1元上，因此将鉴伪单元单独放在1元的出口处时，将可以大大提高鉴伪分辨率。