高效硬币自动分类装置的设计

冯大鹏，何新超，于江豪

(湖北理工学院 机电工程学院，湖北 黄石 435003)



高效硬币自动分类装置的设计

冯大鹏，何新超，于江豪

(湖北理工学院 机电工程学院，湖北 黄石 435003)

目前城市公交公司、金融机构等硬币流通量大，钱币分类主要依赖于人工，成本高且效率低下。设计了一款硬币自动分类装置，可对混杂在一起的人民币第5版各种硬币进行分类、整理、分离和计数。该装置利用硬币直径尺寸的不同，分3个步骤分离硬币。第1步利用滚筒分离出直径最大的1元硬币；第2步利用梯形漏斗使5角和1角硬币层叠；第3步利用有6个通孔的旋转圆盘和有12个通孔的固定圆盘分离出5角和1角的硬币。通过测试，该装置分币效果相当于5名人工的效果。该装置分币准确、实用、效率高，可推广使用。

硬币分类；计数；准确；高效

0 引言

随着无人售票、自动售货机的推广，硬币流通量大大增加，特别是公交公司、金融机构等每天要对大量硬币进行分类，目前国内仍普遍采用人工处理的方式,工作量大。硬币以其成本低、耐磨、易回收等无可替代的优势将占领小面额货币市场是大势所趋。随着硬币的使用频率逐渐增加，硬币分离以及统计成为一个亟待解决的社会难题[1-3]。本文设计了一款集硬币分离、清点于一体的机械装置。

1 装置介绍

该装置由上滚筒、梯形过渡装置、硬币的层叠装置、主动板、固定板、分离滑梯、接收装置和计数装置8部分组成，整体机械装置如图1所示[4-5]。

1.1 上滚筒

该滚筒高650 mm，底面直径200 mm，一端底面封闭，一端底面全开，滚筒上开有15条、共255个直径为22 mm的圆孔，圆孔直径小于1元硬币，滚筒内侧设螺旋式硬币导向线。上滚筒如图2所示。

1.2 梯形过渡装置

过渡装置上部为收集槽，收集槽的俯视图是正六边形，边长为236 mm，中间部分是一个凸台，6个收集孔出口为梯形口。梯形口的设计可以保证大量硬币在下落过程中不会在出口处发生卡币现象。梯形过渡装置如图3所示。

1.3 硬币的层叠装置

这一装置有2个部分，分别为漏斗和圆柱空心管。漏斗上表面直径为100 mm，下表面直径为26 mm，高度交错设置为50 mm和60 mm；圆柱空心管设计直径为22 mm、高130 mm。圆柱管中间处卡套上一个固定板，以保证同轴度。硬币层叠装置如图4所示。

1.4 分离板

分离板由旋转圆盘和固定盘2部分组成。旋转圆盘为一直径210 mm、厚1 mm的圆形亚克力板，其上均分开6个直径22 mm的通孔，圆柱空心管和旋转圆盘之间有1 mm间隙；固定盘为正六边形，厚度为5 mm，其上均分开有5角与1角尺寸孔各6个，交叉分布共12个通孔。分离板如图5所示。

1.5 分离滑梯

分离滑梯长度为85 mm，斜角为45°，共12条，6个向内收集1角硬币，6个向外收集5角硬币，粘贴在固定板底部。当分离板的硬币掉落下来时，便顺着滑梯向下滑动，每个滑梯的侧边开有小槽口，安装光电管。硬币经过光电传感器时，使计数装置的数值改变，然后落入接收装置中。

2 系统工作原理

该装置主要分为3层，在上面的第1层为圆形滚筒装置。将要分离的硬币从硬币入口倒入到滚筒内部，封闭入口，开通电机带动圆筒转动，硬币沿着圆筒内部导向线的走向在圆筒内部转动，经过筒壁上的圆孔时，1元不能掉落只能延导向线从无底板一侧滑出，1元硬币得以分离，并通过光电传感器计数。5角硬币和1角硬币经过筒壁上的圆孔时，就会落入下面的收集槽内。

第2层为梯形过渡装置和硬币层叠装置。当硬币从梯形口落下时，会掉入圆形漏斗中，漏斗排列高矮有序，上下分布，以保证分离的完全性。同时圆形漏斗的内壁弧有一个缓冲作用，可使硬币在下落过程中不致速度过快。圆柱管的设计进行了精确的试验和计算，这个高度的设计可以保证分流的效率和精确度，避免了硬币在叠加过程中发生侧偏、打滑、垂直币等现象，使硬币在圆柱管中层叠，有利于接下来5角和1角硬币的分离。

第3层为分离层，分离过程中，硬币在圆柱空心管与旋转圆盘的交界处，在电机的作用下，这两者间1 mm的间隙可以保证圆柱空心管中的硬币每次只能有1枚掉入到主动板的通孔中，下一枚硬币只能等到下一个通孔旋转过来时再掉入。随着电机的转动，旋转圆盘中的硬币随圆盘开始旋转，依次通过固定板1角和5角的通孔，并在尺寸相匹配的孔中落下，进入到下一装置。这样的设计使旋转圆盘转1圈可以同时分离6枚硬币，且互不影响，也不会出现空转1周的现象，提高了效率。该层的最下部为双向的12个滑道，6个向内收集1角硬币，6个向外收集5角硬币。各光电传感器检测计数。

3 装置特点

该装置将混合的硬币进行逐次分离，先将1元的硬币从圆形滚筒内部经过转动和导向之后从另一侧分离。1角和5角的混合硬币经过分流和收集之后，流经转动的薄形圆片，在圆片的转动下将1角和5角硬币从最下层的分流孔内分流。

在整体的构造上，采用最常见的形状以及易于加工的板材来进行主要部件的设计制作，解决了金属材料笨重以及维护难的问题。装置自动化程度高，聚检测、分离、计数于一体，精确实用。

3.1 结构设计

在整体结构上，主要利用了钱币的直径差来进行分离，引入了大扭矩的伺服电机来驱动薄板，实现硬币的快速分流，理论上薄板转动1周，将会有36枚硬币被分离。中间收集装置的设计主要是要保证圆柱的上下有较高的同轴度。

板材选取上，选择易于加工且强度较好的亚克力板材。亚克力板材透明度高，内部结构清晰明了。电机的转轴为金属，滚筒和滑道为PVC塑料。

3.2 电机的选择

电机选用了42步进电机，该电机静力矩为0.55 N·m，步矩角为1.8°，该电机的大力矩保证了转动薄板在受到硬币的压力时能够平稳起转。通过多次实验，观察硬币的下落情况，设定转速为10 r/min，转速还可以根据不同应用场合的实际情况进行调节。

3.3 单次硬币的流入量

在上滚筒上开有8 cm×8 cm的方形孔，硬币从该处投放到滚通内部，通过滚筒的转动，进行硬币分离。根据实际长度进行测试，1角和5角硬币单次最大分离量可以达72枚，1元硬币数量不受限制，基本可保证高效分离。

3.4 计数装置

计数装置是2组光电传感器，只有在硬币遮挡到光电管时，光电管会返回一个高电平。在程序的处理下，数码管显示当前的硬币数目，并且光电管不断返回有效数值，使得数码管不断更新硬币数目。

计数完成后，可通过复位键使得数码管显示清零，重新开始下一轮的计数。光电管能够高效、准确地检测硬币的遮挡。本装置数码管的最大显示为999枚硬币。

3.5 理论计算

现设上滚筒的转速为V1/(r/min)；假定滚筒内硬币下落数量是均匀的，数量为Q枚/r；电机转速为V2/(r/min)；转动薄板的转速为V3/(r/min)；分离板上均匀分布n组1角和5角的孔，即5角孔的数量为n个。

由于电机通过光轴与转动薄板连接，转速V2=V3,则可得到理论计算式：

N总数=QV1；

由前面可知本装置电机转速设为10 r/min，另设转动时间为60 s，则6组硬币孔计数:N=360枚。

理论计算可知1角和5角共可分离360枚，1元的硬币由滚筒一侧落出，对1角和5角下落没有绝对地影响。按各类硬币同概率出现，1元硬币可分离180枚，该装置分离速度为540枚/min。

4 效率及市场分析

4.1 实际测试

从随机测试结果看，该装置效率远高于人工效率，一台装置的效率基本相当于5个人工的效率。时长1 min的分币效率测试结果见表1。

表1 分币效率测试结果 枚

分币装置人工12345合计≈5407212113610178508

4.2 市场前景分析

随着小面额纸币流通逐渐减少，硬币的使用频率将逐渐增加，硬币分离以及统计成为一个亟待解决的社会难题。大部分硬币接收机没法识别硬币的面值，这就造成了后期计数、分类、包装等困难；硬币手工清分成本高，利润低，一般不复点且误差大，极大地浪费了人力资源，费时费力。

我国第5版人民币的发行，辅币(1元，5角，1角)的硬币化已经成为一种趋势，硬币的投放量还将会大幅度增加。因此硬币分拣自动化将会成为迫切的社会需求，硬币分拣机将会成为国内金融市场的一个必备的金融机器，应用前景广泛。

5 结论

日常生活中，硬币是纸币使用的重要补充，硬币流通过程中带来的硬币分类整理人工化操作费时费力。笔者设计了一款高效硬币自动分类装置，其制作方便、造价低、效率高、运行稳定，有较高的推广应用价值。

[1] 黄敏,朱晓林,等.硬币自动分类器的研制[J].机电产品开发与创新，2013(6):43-45．

[2] 赵慧民.一种基于多向量分析的硬币鉴别分类的实现技术研究[J].安防科技,2007(2):8-11.

[3] 张钰唯.硬币自动分配器[J].科学启蒙,2010(2):18.

[4] 郭星,陈亦仁,商云男,等.WBH1314型纸袋式硬币清分包装一体机的设计研发[J].包装工程,2013(3):63-67.

[5] 魏鼎,荆学东，康思闻.基于Pro/E的新型硬币包卷机的机械结构设计[J].制造业自动化,2013,35(4):93-95.

(责任编辑 吴鸿霞)

Design of an Efficient Automatic Coins Classification Device

FengDapeng,HeXinchao,YuJianghao

(School of Mechanical and Electronic Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

The amount of coins in circulation is great at the city public transport company and the financial institutions.Classification of the coins mainly relies on manual operation which has disadvantages of high labor cost and low efficiency.An automatic classification device is designed which can categorize the fifth edition coins and realize the functions such as sorting,separation and counting.According to the difference in the diameter size of the coins,the coins are chosen and separated in three steps as follows:firstly,one-yuan coins with the largest diameter are separated by separation barrel,second,fifty-cent and ten-cent coins are stacked using trapezoidal funnel,finally,at last,fifty-cent and ten-cent coins are separated using a rotating disk with six holes and a fixed disk with twelve holes.The test has shown that the effect of the device is equivalent to that of five workers'.The design is accurate,practical,highly efficient and it can be put into wide application.Key words：coin sorting;count;accurate;highly efficiency

2016-08-15

湖北理工学院大学生科技创新项目支持(项目编号：14cx03)；湖北省2015年大学生创新创业项目支持(项目编号：201510920022)。

冯大鹏，副教授，硕士，研究方向：机械电子工程。

10.3969/j.issn.2095-4565.2016.05.003

TH-39

A

2095-4565(2016)05-0008-04