基于分离式滚筒的硬币清分机设计与制作

2018-05-23邬宗鹏王琼周孟洋吕彪强陈彬

机械工程师 2018年5期

邬宗鹏，王琼，周孟洋，吕彪强，陈彬

（安徽工业大学创新教育学院，安徽马鞍山 243002）

0 引言

近年来，随着社会的发展以及硬币的大量流通，国内很多银行、公交公司、超市等场所硬币分拣还采用人工操作，耗费大量的时间和人力成本，造成资源浪费；目前市场上现有硬币自动分拣机往往只有分拣功能没有收集整理功能，且多数结构复杂、价格昂贵，缺少使用价值。因此，硬币清分自动化成为迫切的社会需求。

1 总体方案

1.1 设计思路

通过调查硬币的资料，可以明确各个面值硬币的规格和其他参数。根据实际情况，市面上流行的硬币为第四套和第五套人民币：1）第四套人民币（1992年6月1日发行）。1角硬币，材质为铝镁合金；5角硬币，材质为铜锌合金；1元硬币材质为钢芯镀镍。2）第五套人民币（2000年10月16日发行）。1角硬币，材质为铝合金；2005年8月31日发行的1角硬币，材质为不锈钢；5角硬币（2002年11月18日发行），材质为钢芯镀铜合金；1元硬币（2000年10月16日起发行），材质为钢芯镀镍。

根据实际测量和磁性检测，得出结果如表1所示。

表1 4种不同硬币的数据检测

根据表格中的信息，可以按照硬币的直径、厚度、重量来区分硬币种类。在检测仪器精度很高的前提下，按照以上条件来区分硬币种类是可行的。

1.2 方案比较

方案A：根据所测硬币,各个面值的硬币直径有一定的差距，可以通过打固定大小的孔径来筛选各个面值的硬币。

方案B：根据硬币厚度的测量，可以发现其中5角硬币和1角硬币（新）的厚度只相差0.02 mm，基于本团队的加工能力和精度，无法实现通过硬币厚度来筛选硬币。

方案C：根据硬币重量数据，可以发现其中5角硬币和1角硬币（新）的重量只相差0.6 g,基于加工能力和精度，无法实现通过硬币重量来筛选硬币。

通过比较各个方案，最终确定方案A为硬币的筛选方法。

1.3 最终方案

硬币清分机主要由2部分组成：硬币清分系统和硬币收集系统（如图1所示）。整个装置包括机架、旋转分拣机构、横向分拣机构及计数存储装置等。硬币清分系统主体结构为滚筒式容器和多级网孔筛板机构，如图2和图3所示。滚筒与多级网孔筛板的配合实现了分币、移动、收集等多种功能，基于各硬币直径差异，分级依次筛出1角（新）、1角（旧）、5角和1元硬币，进入各自通道后，来到硬币收集系统，通过光电传感器清点数目，利用悬挂式集币筒装置收集打包，从而完成硬币的清分工作。

滚筒和多级筛选板共同组成分离式滚筒，可以实现孔径的自由切换。搅拌体在滚筒内搅拌硬币，电动推杆推动多级筛板切换孔径。

1.4 工作原理

图1 硬币清分机结构简图

图2 滚筒

图3 多级筛选板

将硬币装入漏斗，落进滚筒，启动电动机。与滚筒相互配合的多级筛选板开有与硬币大小相仿的孔，随着电动机带动搅拌体旋转，与孔径相对应的硬币从筛选板分离出来，光电计数器计数，落入集币筒收集，随后电动推杆启动带动多级筛选板移动，将另一直径的孔置于滚筒下方，如此反复，从而实现硬币的计数清分。

1.5 创新点

如图4所示，该分离式滚筒硬币清分机的创新点体现在分离式多级筛选板与滚筒的配合，实现多种功能：1）通过可编程控制的电动推杆实现筛选板的自由切换孔径；2）通过搅拌体在滚筒内搅拌硬币清分硬币；3）通过筛选板下面的悬挂式集币筒计数收集硬币。

图4 分离式滚筒

2 机械系统

硬币清分机整个装置的机械系统由4个部分构成，分别是机架、旋转分拣机构、横向分拣机构、计数存储装置，其中横向分拣机构位于旋转分拣机构下方，计数存储装置位于横向分拣机构的下方，这3个机构在机架内部呈上中下3层放置。

2.1 机架

硬币清分机的机架的三维模型如图5所示。为了便于加工、修改以及安装方便，设计过程尝试了多种方案，并综合考虑来选择最优方案，加工制作机架部分。

1）在制作第一版的时候，考虑到加工、价格以及材料普遍性，机架的材料选择了铝合金板，但是在加工安装后发现铝合金板虽然密度不大，但是在这里依然显得有些沉重，并且铝合金板并不透明，在观察内部情况时并不方便，考虑后选择更换材料。由于有机玻璃具有很高的透明度、材料的稳定性好，又易于加工，价格方面与铝板差异不是很大。在综合考虑下，选用有机玻璃板作为机架材料。

2）在机架的加工制作方面，由于选用了有机玻璃板这种便于加工的材料，所以可以有很多加工方法。由于需要保证配合精度，故采用激光切割的方式来制作机架，其次，要尽量使得加工简化，故没有采用螺纹连接而是换用了槽连接，这种连接方式会在调试的过程中简化安装拆卸过程。

图5 硬币清分机机架

图6 旋转分拣机构

2.2 旋转分拣机构

硬币清分机装置的旋转分拣机构主要由滚筒固定架、滚筒前后盖、滚筒、减速电动机、搅拌叶片等构成，如图6所示。

整个机构采用滚筒固定架和电动机固定架固定在机架上，其中电动机轴与传动轴之间的连接，由于尺寸很小很难采用键连接，故最终采用螺钉锁紧的连接方式，而整个机构最重要的部分是由滚筒、传动轴、搅拌叶片和连接杆构成的搅拌装置，硬币从滚筒上方开的孔中放入搅拌桶，随搅拌叶片搅动，故叶片与滚筒之间的配合是至关重要的，在设计时将搅拌叶片顶端设计成圆弧状，从而与滚筒紧密贴合，滚筒的圆柱面上开有进币口和出币口，进币口是40 mm×40 mm的正方形，出币口与之相对并且与分拣板相配合。

1）对于传动轴、搅拌杆和搅拌叶片，由于传动力矩以及需要搅动硬币，这时再采用非金属材料就显得不够用了，故这3个部件采用铝合金制作；同样固定架需要固定住整个机构，故而选用铝合金制作；与机架一样为了便于观察，套筒与端盖使用有机玻璃制作。

图7 横向分拣机构

2）滚筒后盖、滚筒、滚筒前盖和搅拌叶片这4个零件，由于需要较高的配合精度而且含有曲面，综合考虑之下采用数控铣床来加工零件；而传动轴和连接杆均是回转件，故使用普通车床即可加工完成；对于滚筒固定架和电动机固定架，这两者起到固定作用并不需要太高的配合精度，故最终采用普通铣床加工。

2.3 横向分拣机构

硬币清分机装置的横向分拣机构主要由电动推杆、分拣板、连接杆、连接块等构成，如图7所示。

其中电动推杆由电动推杆固定片、电动推杆底座固定在机架上，电动推杆最前端开有通孔，连接块上开有与之同轴的直孔，二者通过连接杆连接，连接块又通过螺纹连接件与分拣板连接，从而实现整个分拣板随着推杆的伸缩而运动的功能。

图8 计数存储装置

1）电动推杆是购买的成品；电动推杆固定片、电动推杆底座起到固定作用，故分别使用铜片和铝合金板制作；对于分拣板、连接块，为了便于观察和加工，以及尽量保证整个分币机的材料一致性，同样采用有机玻璃制作；而对于起传动连接作用的连接杆，与传动轴采用同样的铝合金棒材料。

2）电动推杆固定片采用薄铜片制作，由于铜片弯曲性能较好，所以可以直接使用老虎钳弯制成所需形状；电动推杆底座和连接块与旋转分拣机构的固定座类似，故可采用铣床铣削加工；对于整个机构中最重要的分拣板零件，由于有着曲面的存在并且需要很高的配合精度，故采用数控铣床铣削加工，其上开有与不同硬币直径相对应的漏币孔；对于连接杆，由于它是回转件，故可以采用普通车床车削加工。

2.4 计数存储装置

硬币清分机装置的计数存储装置由集币筒和光电计数器构成，如图8所示。

集币筒与分拣板上的孔一一对应，并且通过螺纹连接在分拣板上，硬币从漏币孔中落下便会掉入集币筒中，每掉落一个硬币，光电计数器便会记录一个数据，以此来统计硬币总数，集币筒上还刻有刻度线，在没有光电计数器的情况下，可以通过刻度线读数得知硬币的具体数量。

集币筒为了保证计数读数功能需要采用透明材料，由于直径不大，有机玻璃不易于加工，所以使用薄塑料管，光电计数器是购买的成品。

3 结语

历经几个月的时间，团队成员付出巨大的努力和精力，分工协作，最终完成了分离式滚筒硬币清分机样机。

本机采用根据硬币直径的大小对币值进行清分的方法，虽然不具备辩伪功能，但可以对目前市场的硬币快速准确按币值进行分类、计数，而且系统具备扩展的潜能，针对不同使用场合在材料及尺寸等方面做出调整，从而适用于城市公交公司、商贸、银行、超市等诸多方面，而且操作简单，制作成本较低，能够有效地利用人力、物力资源，相比国外进口清分机具有很大的价格优势，其应用前景十分广阔。

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