基于螺旋振动上料的硬币清分机设计

邓成

硬币作为常用的货币，以其流通寿命长、制作成本低廉、节约自然资源、坚固耐用、不易磨损等优点被广泛利用于超市、公交车、小商铺、银行等场所。自2016年开始，“一元硬币化工程”已逐步在全国推广。

但是随着硬币的大量流通，硬币许多问题也暴露出来。公交车、超市等硬币使用较频繁的场所，硬币的回收、清点工程十分繁琐。相关企业也并没有专门用来分类、清算硬币的设备，因此这项工作需要消耗大量人力、物力与时间，造成了极大的浪费。目前，市面上存在较多的是为银行研制的硬币清分系统，准确度高，但是价格昂贵。同时也存在简易的硬币分拣装置，但整体功能较少，且无法保证分拣的准确率。所以，市场急需一种价格低廉、使用可靠的集硬币筛选、计数为一体的自动装置。

因此，研究与开发符合我国使用标准的自动硬币巧分机，以满足需求，改善硬币的流通市场，推动硬币的发展与使用进程，具有重要的实际意义。针对硬币清分机，本文首先设计了将硬币有序排列的振动上料模块，接下来设计了由硬币直径将硬币分离的轨道分离模块，最后设计了清点硬币的质量计数模块，整体各个功能模块如图1。

图1 整体系统模型图

1 基于螺旋振动上料机的硬币清分机整体设计

1.1 螺旋振动上料模块

（1）螺旋振动上料机简介。目前有许多可以整齐排列硬币的装置，成型的高级硬币清分机、硬币包装机结构极为复杂，难以大量制造。如瑞典的SCANCOIN AB公司，成功研制了针对不同货币体制下的清分系统，误判率低至0.5%。但其价格昂贵且进行技术垄断，同时针对材质相近甚至一致的伪币，其检测显得无能为力。如今人们的研究方向主要有离心筛网式电动硬币区分器、重力式硬币清分机等类型。离心筛网式电动硬币区分器大多通过对不同面额硬币的直径和厚度进行尺寸分析，利用其直径和厚度的数值差，将分拣机的主体结构设计为上两层带有圆孔的离心筛和底层为无孔的离心筛，并通过三层式锥筒结构进行分拣。重力式硬币清分机利用硬币自身的重力，不需耗能。但体积大，且难以一次分拣大量硬币，误差较大，只能用于中等数量的硬币清分。基于药品传输以及工地普遍使用的振动上料装置，我们将振动上料机用于硬币有序排列，并依靠振动将硬币沿螺旋轨道向上运送。

电磁式螺旋振动上料机具有将大量硬币从底部向上有序运送的作用，其优点在于不易卡币、体积较小、运输效率高的特点。其中电磁振动上料机直线料槽往复式和圆盘料斗扭动式两类。直槽式振动上料机多用于粉末状物质上料，而螺旋式振动上料机主要用于有形状的物体的运输，由于硬币是有形状的固体，因此使用电磁螺旋式振动上料机。电磁式螺旋振动上料机由振动底座、槽体部分、螺旋上升轨道组成，如图2。

图2 螺旋振动上料模块示意图

（2）螺旋振动上料模块底座。电磁式螺旋振动上料机使用的振动底座由电磁铁构成，用于提供振动，使振动上料机能够正常工作。电磁式螺旋振动上料机相比于其他常用的机械式振动上料器、电机式振动上料器有许多优点。其中机械式振动上料器是采用连杆、偏心轮或凸轮传动，使给料器做往复运动，使上料器做往复振动，实现物质的运输。此装置的动力消耗高、机械体积大、机动性差，在运输大型物料时较为方便。电机式振动上料器使用振动电机提供振动，电机易损坏、槽体易因振动而破损，造成维修费用较高。相反，电磁式振动上料器更为精密，振动振幅小、频率更高，寿命更长，能够使物料稳定连续传动。同时相比于其他多种上料器体积更小，便于安放。

（3）螺旋振动上料模块槽体。本装置槽体使用铝合金制作，因为铝合金具有密度轻、强度高、易于加工、耐久性高且成本低的特点，使用铝合金能够有效提高装置的寿命并降低装置的价格。

（4）螺旋上升轨道。螺旋给料斗结构形式有许多种，其中圆柱形内螺旋滑道料斗、圆柱形外螺旋滑道料斗、圆柱形内外组合螺旋滑道料斗、截圆锥形内螺旋滑道料斗较为常用，本次我们选择了圆柱形内螺旋滑道料斗。在轨道上截取一小段并分析振动状况。无滑动时的受力分析如图3。

物料发生的跳跃条件为Fn=0，此时硬币与料槽表面分离发生跳跃，产生相对运动。由方程可得，Fn为零的条件为：

因此需要满足：

由于铝合金之间的摩擦系数在0.1～0.4之间取值，因此料槽振动升角α+β应在6°～20°之间。经过计算此时料道螺旋升角在1°～3°范围内取值。

1.2 滑轨分离模块

图3 螺旋轨道物体受力示意图

（1）轨道材料的选择。轨道的选择需要考虑以下问题，如：轨道的材料不能太重，否则装置笨重难以携带；导轨的材料硬度不能过大，否则导轨难以切割，制作麻烦；导轨的材料硬度不能过小，否则导轨难以承受住硬币的质量；导轨表面的摩擦系数不能过大，否则硬币在导轨上因受到很大的摩擦力难以滑下，导致出现卡币现象；导轨的材料应该为生活中的常见品，且价格便宜。综合考虑以上因素，我们选择质量轻、可塑性强、价格适中的铝合金作为导轨材料。

（2）轨道倾斜角的设计。硬币在轨道中滑动会受到摩擦力作用。如果摩擦力过大，硬币会在导轨上难以滑下，这不仅会使计数不准确，而且会出现卡币现象，导致清分计数工作难以进行。所以，我们需要使重力的下滑分量大于摩擦力。

若重力加速度为g，硬币质量为m，轨道倾斜角为θ，则有：

因为硬币的材质主体为钢芯，铝与钢表面的摩擦系数为0.3，故我们可以算出：。

实验时为了方便计算，取θ=30°，图4为简化的物理模型。

图4 硬币滑落受力示意图

图5 硬币分选轨道示意图

（3）轨道尺寸的设计（图5）。

表1 几种硬币的重要参数

a.运输区：第一段轨道为实心轨道，目的是使从振动上料机出来的硬币能平稳地进入分离区。

b.分离区：第二段导轨第一层为一元钱硬币分离区，孔的直径略微小于一元钱。图6为轨道平面简图。

图6 滑轨平面示意图

第二层轨道为五角钱分离区。孔的直径略微小于五角钱。同样保证五角硬币可以落入计数区，而一分硬币进入下一分离区，即第三层轨道。如图7所示。

图7 滑轨平面示意图

第三层轨道为空轨道，用于收集一分硬币，由于重力作用，硬币落入清分盘。

1.3 质量计数板块

在清分盘底部位置安装质量传感器，对滑出直滑道的硬币计数，当硬币落入收集桶之后，质量传感器可以测量实时的总质量，再根据单个硬币的质量，从而推算出硬币数量，分别在一元、五角、一角硬币清分盘处安装三个质量传感器，分别统计出币数量，并显示在显示屏上。

为了提升装置的自动化程度，我们设计了反馈调节机制如图8。3min没有硬币通过，则停止通电并计数。反馈是将输出信号(电流或电压)的一部分或全部,再一次传入输入端与输入的信号相比较,并用比较所得的有效输入信号控制输出,这是反馈过程.具有使系统趋于稳定的优点。

图8 本装置运转控制流程图

质量计数可以间接将硬币的数量显示，此方法误差小，原理简单，方便安装，且加入自动化设计，设计其三分钟没有硬币通过，则停止运转电机并计数，清分完毕，使装置更加方便。

2 结语

2.1 设计方面

（1）我们采用新颖的振动上料模式，电磁振动上料机是一种可以完成物质传输的装置，电磁振动上料盘的原理是利用脉冲电磁铁使料斗垂直方向振动，由于弹簧片的倾斜，使料斗绕其垂直轴做扭摆振动。在振动下上料机可以高效、稳定地进行上料工作，将待测硬币整齐的排好送至出币口，误差较小、精度较高，极大地降低了轨道堵塞引起操作不可持续的可能性。其中螺旋式上料机使用螺旋上升的轨道上料，更稳定。这使得螺旋式上料机效率比直轨道上料机工作频率低、噪声更小，因此本硬币清分机选择螺旋式上料机作为上料装置。

（2）轨道的设计利用了硬币直径大小不同这一特性。滑轨一共分为三层。如图所示，第一层为一元轨道，长度为20cm。第二段滑轨长为15cm，宽为6.5cm。第三段滑轨长为10cm，宽为5cm。导轨材料为铝，可通过手工或机器割制而成。其强度较大，摩擦力较小的特点，保证了硬币可以在轨道上顺利通过。

（3）在清分盘的底部安装质量传感器，对不同种类的硬币计数。优点主要在于传感器灵敏度高，可以准确计算不同种类硬币的个数。

2.2 实用方面

本装置操作简单，只需将硬币装入清分机中，开启电源即可完成对硬币的清分、计数操作。装置工作效率高，能在短时间内完成大量硬币的清分工作，同时不易卡币，减少了不必要的人力与物力浪费。滑轨可根据硬币半径自行制作。装置轻便，制作、拆卸方法简单，便于运输和携带，具有很强的操作性。系统所用电功率小，耗电量少。轨道材料为铝，强度较大，能承受住硬币质量，且价格便宜，整体装置经济适用性强。