自动化台式硬币包装机的设计创新与研制择析

卢宏+都学飞+林伟明+刘对+况菁

摘 要：随着我国经济的迅猛发展，硬币的投放量和流通量不断增加。硬币的流通出现了许多社会问题：硬币的供应量不足，如在超市，火车站等单位经常发生无法找零的问题；在公交公司，地铁等单位又存在散币太多不好清理，整点等问题。中转单位银行的硬币整点工作量又不断增加。市场上急需要一种快捷方便的硬币包装机器。

关键词：自动化；硬币包装机；设计创新；研制

1 概述

纵观国内外硬币包装处理技术及其设备研究的发展趋势，在朝着多样、自动和小型智能化方向发展，硬币包装机构实用性的研究与开发应以“简单实用、操作方便、安全可靠、成本低廉”为原则。随着辅币的硬币化的推行和硬币投放量的增加，有更多的银行储蓄所、超市商场、公交部门等面临硬币处理和规范化硬币回笼的实际问题。同时，随着近年来基础技术研究的进步，此方面的设备和技术也面临着更新换代。可以说，开发出适合我国国情的、性能先进、功能完善、符合我国使用标准和使用规范习惯的自动化台式硬币包装机来满足广大用户的需求，是有着重大的现实意义的，产品也肯定有着广阔的应用前景和良好的经济前景。

2 系统的结构及工作原理

自动化台式硬币包装机的应用，相比较现有的硬币包装技术，采用了转盘机构，传送带机构，弹簧压紧机构，滚轴送纸机构等实现了硬币的自动整理包装，并且产品中压紧装置模仿车床中顶尖工作原理，使硬币在压紧状态下能够保持旋转，同时送纸机构把纸送到旋转的硬币表面上，然后完成一系列动作，最终实现硬币的计数，堆叠，包装等一系列动作。

2.1 用总体运动系统

如图1所示，硬币通过转盘的转动而落到皮带上，再由皮带传送到集币筒中，压好压紧装置，把纸送到集币筒中，硬币旋转而把其自身包好。

2.2 控制要求

控制转盘电机正反转，并且自动循环，并且在一定时间（设定值）后立即停止。

控制传送带电机在转盘电机启动前一秒启动，防止硬币卡在传送带上。并且在转盘停止后的一定时间（设定值）停止。

控制滚筒电机在转盘电机停止后的一定时间（设定值）开始启动，启动一定时间（设定值）后停止。

2.3 PLC控制程序

（1）控制传送带电机启动以及停止

按下开始按钮，传送带电机启动，由计时器T70控制转动时间（初设值25秒）。

（2）控制转盘电机正反转以及停止

由计时器T63（初设值1秒）触发中间继电器M1。通过中间继电器，控制电机的正反转，通过调节T66调节正转时间（初设值5秒），调节T65调节反转时间（初设值1秒）。由计时器T64（初设值20秒）或者计数器C0（初设值50）控制转盘电机总转动时间。

计数器C0对传感器输入信号计数，计数值即钱币数目50。当计数器计数到达50后，控制转盘电机停止转动，触发计时器T67（初设值6秒）计时，由T67控制滚筒电机开始转动，由计时器T68（初设值15秒）控制滚筒电机停止转动。

3 系统的优化设计与创新

3.1 系统的优化设计

3.1.1 总体设计

自动化台式硬币包装机能否实现既定的功能关键在于各电机同时转动时各机构能否协调稳定的工作，因此只有设计好各电机的结构尺寸才能合理、协调地实现其功能。

（1）转盘电机和传送带电机：P=14w，N=110r/min，电机轴直径R=7mm，可计算该电机的扭矩与扭力。

T=9549P/N=9549×0.014÷110=1.215N·M

F=T/R=1.215÷0.007=173.62N

（2）堆币筒电机：P=8w，N=150r/min，电机轴直径R=7mm，可计算该电机扭矩与扭力。

T=9549P/N=9549×0.008÷150=0.509N·M

F=T/R=0.509÷0.007=72.71N

（3）送纸电机：P=10w，N=30r/min，电机轴直径R=6mm，可计算该电机扭矩与扭力。

T=9549P/N=9549×0.01÷30=3.183N·M

F=T/R=3.183÷0.006=530.5N

（4）同步带：型号：HTD5M，齿型：T型齿，节距=5.00mm，带宽=30mm，齿高=2.06mm，带厚=3.8mm，周长=595mm，齿数=119齿，拉伸强度≥160N/mm，参考力：130N/mm（伸长率≤4%），硬度：75±5。

（5）同步轮：材质：铝合金，齿型：HTD5M，齿距：5mm，内孔径：12mm，齿面外径：39mm，档边外径：44mm。

（6）轴承及轴承座：我们选用标准件：KFL08、KFL000、KFL001。

螺钉：M4，L=15mm，20mm若干；M6，L=15mm，20mm若干，M3，L=15mm自攻螺钉若干。

（7）弹簧：线径d分别为0.8mm和1.5mm，展开长度L约为80mm和40mm各一根。

（8）亚克力板箱体：拉伸强度65MPa，弯曲强度110MPa，介电和电绝缘性能良好。

3.1.2 强度与刚度校核

自动化台式硬币包装机对滑箱板与箱体板的强度设计没有特别要求，必然满足使用条件。对于轴，由于其功率大概14W，径向剪切应力也在许用应力范围之内，对于导杆，其承载了整个滑箱以及大部分轴的重量。为此结合此作品的结构及设计要求对导杆件进行了校核。

3.1.3 压紧装置压紧力计算与校核

对压紧机构进行分析，显然，筒中硬币在压紧前提下能够转动的条件为压紧固定圆筒中的弹簧弹力小于堆币筒电机输出的力，首先计算堆币筒电机的输出扭矩与扭力。

T=9549P/N=9549×0.014÷110=1.215N·M

F=T/R=1.215÷0.007=173.62N

现计算弹簧下压的弹力：

由胡克定律可知：F=kΔx

其中：F为弹力，k是劲度系数，△x是弹簧形变量压紧装置中所选用弹簧的部分参数如下：

上弹簧：线径d=1.5mm外径Do=14mm有效圈数Nc=6

下弹簧：线径d=1.0mm外径Do=13mm有效圈数Nc=13

两段弹簧所用材料均为碳素钢，由以上数据可计算弹簧的劲度系数：

K=G·d4/（8NC·Dm3）

其中：G=线材的刚性模数，单位N/mm^2（即切变模量）：碳素弹簧钢丝（如65Mn）以及常用弹簧钢丝79000；不锈钢丝71000，硅青铜线G=41000（其他详见机械设计手册（第五版）第三卷P11-10）。

d=线径

Do=外径

Dm=中径=Do-d

N=总圈数

Nc=有效圈数=N-2

代入数据可计算得：

K1=（7900×1.5×1.5×1.5×1.5）÷（8×6×12.5×12.5×12.5）=4.27N/mm

K2=7900÷（8×11×12.2×12.2×12.2）=0.501N/mm

上下弹簧压缩量分别为Δx1=10mm，Δx2=40mm，可计算上下两段弹簧总压紧力：

F压=F1+F2=k1Δx1+k2Δx2=4.2710+0.50140=62.74N<72.71N

因此满足机构转动条件。

3.2系统的创新点

本系统采用了转盘、传送带机构、弹簧压紧机构、送纸机构及亚克力板箱体等组装而成，产品长430mm，宽230mm，高364mm，硬币通过转盘的转动而落到皮带上，再由皮带传送到集币筒中，压好压紧装置，把纸送到集币筒中，硬币旋转而把其自身包好。其结构简单，操作方便，安全可靠，成本低廉。

（1）使硬币整理包装自动化，节省了大量的人力、物力、财力。

（2）一箱多用，把硬币的计数、堆叠、包装三个部分巧妙的集结在一台机器中，提高硬币包装的效率。

（3）该产品中压紧装置模仿车床中顶尖工作原理，是硬币在压紧状态下能够保持旋转。压紧机构由圆筒、压紧轴、弹簧、轴承座、圆形底座等部分组成。由双弹簧结构组成的压紧装置，上部分弹簧控制压紧，下部分弹簧用于复位。用一个小轴承座两根轴连接，使压紧装置可同时实现压紧与旋转的功能。

（4）巧妙利用上下两段弹簧实现自动锁紧和松开功能。

（5）外箱透明，方便携带。用铰链连接分瓣式堆币圆筒，方便硬币的拾取，节省了产品内部空间。

4 研制方案

为了方便地实现设计思想，即让硬币的计数、整理、包装准确而有效，机构巧妙简单，彰显机械魅力，作者用到了旋转转盘、带轮皮带、弹簧推杆、轴承座、螺纹螺母等构件。根据实际需求及美观，提出了以下两个方案：

方案一：（图3）此方案采用了转盘旋转甩币，再通过皮带把硬币带到漏斗中，使硬币在集币筒中堆好，随后凸轮压紧机构把堆好的硬币压紧，使硬币旋转起来，送纸机构把纸送到旋转的硬币上使纸卷在硬币上完成包装。

方案二：（图4）考虑到凸轮的加工成本与压紧效果的欠缺，所以我们把压紧装置由凸轮压紧装置改为了利用上下两段弹簧实现自动锁紧和松开功能；为了减小箱体的体积，我们把由原来的移开下硬币旋转支撑轴，使包好的硬币落下取出，改为把集币筒做成两瓣式的方法，不仅节省了空间，还为钱币的取出提供了便利。

本系统目的在于解决现有包装硬币技术中人工计数和包装的缺点。提供一种能实现硬币计数，堆叠，包装等一系列动作的机器。该机器具有结构简单，使用方便，成本低的特点。

本系统为了实现以上目的而提供的技术方案包括转盘、传送带机构、弹簧压紧机构、送纸机构及亚克力板箱体等组装而成，产品长430mm，宽230mm，高364mm，硬币通过转盘的转动而落到皮带上，再由皮带传送到集币筒中，压好压紧装置，把纸送到集币筒中，硬币旋转而把其自身包好。

所述的自动化台式硬币包装机能实现硬币的计数，堆叠，包装等一系列动作，具备以下几个功能和特点：

（1）能准确的实现硬币的计数功能；（2）能快速的完成硬币的包装功能；（3）具有结构简单，操作方便，安全可靠，成本低廉的特点。

5 技术路线（图5）

6 结束语

传统的硬币包装机开发了手工计数、包装一体的技术，在此基础上针对现有的硬币包装机存在的问题进行结构设计及功能优化，研制出能准确的实现硬币的计数功能，能快速的完成硬币的包装功能，具有结构简单，操作方便，安全可靠，成本低廉的特点的自动化台式硬币包装机，方案科学可行，技术路线可操作性强，具有较大的参考价值。

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作者简介：卢宏（1990-），男，汉族，江西宜春人，九江学院助教，学士，研究方向为数控技术与应用。