新型多功能硬币整理机设计开发

梁烘嘉，鲍家定，杨孟杰，宁立旅，陈民广

（桂林电子科技大学机电工程学院，广西 桂林541004）

0 引言

众所周知，硬币在社会生活中扮演着举足轻重的角色，它的身影遍布了中国的每一座城市乃至世界的许多角落。目前，像公交系统、银行、商场这些场合都有大量的硬币在流通，然而对硬币币进行分类，清点和整理，耗费了大量的人力物力。近年来，虽然有许多钱币分离机的产生，但它们的功能往往比较单一，往往只能实现简单的分离，而且存在较大的误差。现存的硬币分拣机器有几种类别：1）大型的流水线式：靠光感识别硬币、仪器设备制造成本高、机型庞大不适合普及；2）小型分选机，生产成本低经济性较好、但是筛选效率很低，还是很依赖人力。考虑上诉原因，采用机械滚筒分离和光电计数相结合来设计了新型多功能硬币整理机，既能高效准确的大量分离硬币，又能使经济效益最高，成本降到最低。

1 方案设计

目前公共交通钱币（仅限硬币）中，壹元硬币占的比重最大，其次是伍角的币种，壹角的币种在公共交通系统中几乎是看不到的，但在商场、银行这些场合，壹角的币种还大量存在。因此本设计不仅可应用在公共交通系统，也可应用到商场、银行等机构。

1.1 工作原理

如图1的流程所示，首先硬币从进币漏斗进入滚桶分离单元，在滚桶离心分离单元中完成壹元硬币的分离与传出。经过滚桶分离单元后，壹角与伍角的硬币会被送至高宽限制单元并进入胶杯分离单元完成分离过程。分好的硬币通过滑道传出，在此过程中完成各类硬币的计数。

图1 硬币整理机原理流程图

其整体结构设计图如图2所示。

图2 硬币整理机整体结构设计图

1.1.1 滚筒的设计

根据螺旋推进原理[1]，在滚筒内部设计的时候加上了螺旋推送结构，当连续不断地不同面值的硬币从一边的进币口送进时，通过电机带动整个滚筒旋转，硬币就会顺着螺旋轨道向另一边运动，而在螺旋纹路之间的滚筒壁开有除一块都能通过的孔，孔形状相同，大小相等，均匀这些孔顺着螺纹一直到出口处，当混合的硬币通过这些孔时，可以将伍角和壹角的分离出来，剩下壹元的通过滚筒送出到计数装置中，而伍角的和壹角的硬币进入下一个分离机构中。对比其他结构，分析它们的劣势，基于方案设计，就选择了这种高效精确的螺旋滚筒结构如图3所示[2]。

图3 滚筒结构设计图

1.1.2 光电计数显示控制单元的设计

利用传送带循环的特点使得胶杯分离[3]能够连续高效地运行。这样不仅大大地降低了成本。如果在实际应用方面可以横向或者纵向加大胶杯分离装置的数量。这样就可以大量的对壹角和伍角的硬币进行分离，完全避免了大型的流水线式：靠光感识别硬币、仪器设备制造成本高、机型庞大不适合普及的实际应用问题。

1.1.3 皮带运输胶杯分离单元的设计

此分离原理是主要依靠壹角与伍角硬币具有2 mm的直径差距，壹角硬币经过滑道流到固定在两条HTD-7M型号的传送带上，因为壹角的硬币直径小于胶杯口直径故流到下一层，而如果是伍角的硬币就会留在胶杯上，然后胶杯随着传送带进行旋转，待杯口朝下是伍角硬币倒落在滑道上。如图4所示。

图4 皮带运输胶杯分离单元结构图

1.1.4 轴承的选型

由于本设计是用在硬币分离这一领域，需要考虑到耐磨性性、抗震性、密度、导热性等特点，故选用KFL002锌合金轴承[4]。

1.1.5 电机的选型

由于电机是负载工作，并且要具备有一定的调速范围，所以本设计中所选用的电机必须满足减速比大、传递的扭矩大的特点，故设计中选用JGY-370减速电机。

1.2 参数计算

滚桶的材料为铁，其密度为7 850 kg/m3，所选铁皮的厚度为3 mm，滚桶的直径为200 mm，长度为400 mm，滚桶壁上所开的孔的直径为20 mm，共有110个孔。故

壁孔的总面积为

制作滚桶的铁板总面积为

滚桶的有效面积为

S有效＝S总-S壁孔＝0.25-0.035＝0.125 m2

滚桶的有效体积为

滚桶的质量为

由于本设计考虑到实际中所放的硬币的量的问题，故选用减速比较较大的调速电机，其调速范围为27 r/min～270 r/min，经实际调试，转速为60 r/min，装置的分离效果最好。以每分钟分离500枚硬币为设计标准，包括壹元硬币300枚、伍角硬币100枚、壹角硬币100枚，硬币的参数如表1所示。

表1 硬币参数表

分离单元在满载时所受离心力

转动惯量为

转矩

根据转矩与功率的关系

可得

p=18 W

故选择24 W的电机，保证满足工作负载需求。

1.3 具体实施方式及结构设计

离心分离单元主要由表面带孔的圆筒、螺旋片、撑圈及转动装置组成，水平放置的圆筒内径为Φ200 mm，总长为400 mm，圆筒表面的孔直径为Φ23 mm并沿着螺旋片所形成的轨道均匀分布，两孔间的圆心距为29 mm，螺旋片外径为Φ200 mm，内径为150 mm，厚度为3 mm，螺旋片按螺距为66 mm排列在圆筒内壁上，撑圈位移圆筒的内部，转动装置位于圆筒的一端，当硬币进入离心分离单元后，壹角和伍角的硬币会通过圆筒表面的孔掉出并进入高宽限制单元，面额为壹元的硬币则会在离心力的作用下沿着圆筒内的螺旋片构成的轨道从圆筒的一端传出到壹元滑道。

高宽限制单元包括传送带、限高构件、限宽挡边组成，传送带面宽25 mm，总长为600 mm，限高构件与传送带表面的距离为1.5 mm，壹角与伍角的硬币滑落到传送带上，通过传送带两边的限宽挡板和距离传送带2.5 mm的限高挡板的配合，就可以使得滑落的硬币能单个、不叠加的输送到胶杯分离单元。

胶杯分离单元包括2条传送皮带和若干个胶杯漏斗组成，胶杯漏斗的上口尺寸为40 mm×40 mm，下口为Φ20 mm，两条传送皮带并排置于同一平面上，而14个胶杯漏斗则置于两传送皮带所形成的空隙上，在运行时，胶杯漏斗与传送皮带同步，由于壹角硬币直径小于胶杯漏斗下口直径则掉入下方的壹角滑道，而伍角硬币则会留在胶杯漏斗内，待杯口朝下时伍角硬币掉落到伍角滑道上。

光电计数单元包括光电传感器、显示屏、驱动电路板组成，光电传感器安装在每个滑道的末端，当有硬币通过时会将信号传回控制板，计算出硬币的种类、个数和总额。

2 实验

按以上设计，制造装配出的原型机如图4所示。以此进行了实验。经过实际的测试，当滚桶的转速为60 r/min时，装置的分离效果最佳，每分钟分离硬币的个数为514枚，达到了原先设计的每分钟500枚的分离数量。该项目研究实现了壹元、伍角、壹角的硬币分离与计数。采用滚桶分离与胶杯分离两种方式结合大大提高了硬币的分离效率，并且实现了三种不同大小的硬币的分离。

图4 新型多功能硬币整理机实体效果图

3 结束语

本文分析了硬币的构成和主要特征，并结合银行的硬币回收规程，研究适合公共交通的硬币清点、整理的方法和总体技术方案，确定和设计了多功能硬币整理机的功能模块，并经过实验验证了设计、方案的可行性。该多功能硬币整理机：（1）利用螺旋轨道滚桶能对数量较多的硬币进行快速的分离，提高了机器的分离效率，达到多、快、准要求；（2）特殊的锥型漏斗结构能够精确的分离壹角、伍角币种，避免了硬币因磨损等原因产生微小变形而导致分离误差这一问题；（3）将分离、计数融合于一体，降低了劳动强度，提高了工作效率。

参考文献：

[1]邱泽阳，武晓丽.现代工程图学[M].北京：中国铁道出版社，2005.

[2]陈国华.机械机构及应用[M].北京：机械工业出版社，2008.

[3]孙 恒，陈作模，葛文杰.机械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2006.

[4]吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册[M].3版.北京：高等教育出版社，2006.