一种纸币分拣机的方案设计*

王 浩，张建军，窦艳涛，刘志宏

（北京石油化工学院机械工程学院， 北京 102617）

近年来， 随着国家金卡工程的进一步实施和推广， 电子货币将得到更广泛的应用。 从我国当前电子货币发展所处的阶段来看， 电子货币对现金和活期存款的替代作用较为明显[1]， 这是一个不争的事实。 鉴于我国是发展中国家， 各地经济发展不平衡， 特别是四线城市以下的大部分县、 乡镇、 村等行政级别较低的地区， 由于信用卡使用知识的缺失以及长久以来形成的实体货币消费习惯， 因此， 现金的流通在一定的时期内还应该是此类地区的应用主流。 另外， 由于金卡工程的实施， 因此， ATM的应用将更加广泛， 这样也为钱币分拣机的推广提供了发展空间。 钱币分拣机有极大的市场需求， 在钱币的识别、 分类方面， 它能给人们的生活带来极大的方便[2]。

基于以上综合考虑， 若能设计研发出一种既能广泛适应我国国情， 又能提高纸币大量流通时的分拣能力， 还能降低人工计数带来的高昂成本， 则必将更加有力地推进我国服务体系的建设。

本文主要通过采用慧鱼技术 （fischertechnik）中慧鱼创意组合模型， 对小型纸币分拣机的机械系统和控制系统的设计进行了介绍。 慧鱼创意组合模型集教具和仿真模型于一身， 是科技知识启迪创新思维训练及创新力开发的有效载体[3]。 创新是一个民族进步的灵魂， 在教育部实施的 “卓越工程师教育培养计划” 中， 有培养创新性人才的要求[4]， 而慧鱼创意组合模型恰恰可以为培养创新性人才提供了一个良好的平台[5]。 本设计参加了主题为 “服务社会、 高效便捷、 个性化” 的第七届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组竞赛， 竞赛题目要求的设计内容为 “钱币的分类、 清点、 整理机械装置”。 本设计利用慧鱼创意组合模型， 完成了小型纸币分拣机的机械系统设计和控制程序编制。

1 小型纸币分拣机的机械系统设计方案

小型纸币分拣机是一种基于纸币分拣机的小型化产品。 其可以实现以下3 个功能： 一是对不同纸币进行分拣； 二是对已经分拣好的纸币进行收集；三是对收集好的纸币进行送出。 它通过颜色传感器识别， 将信号送给电机， 利用电机的正反转来达到分离纸币的效果。

分离纸币的具体过程如下： 电机通过控制轮式压紧传输装置， 实现对纸币的正向运输或反向运输， 正向运输则实现纸币的下一级分离， 反向运输则完成收集任务， 最终将纸币收集到相应面额的纸币收集箱， 并通过开关控制相应纸币收集箱的运出和返回， 方便收钞。

基于以上所需实现的目标， 该小型纸币分拣机的机械系统主要由纸币压紧装置、 纸币送出装置、齿轮传动机构、 齿轮链条传动机构、 多角度可调式纸币定位装置五大部分组成。 整体实物模型图片见图1。

图1 整体实物模型图片

1） 纸币压紧装置。 该装置是由板簧机构实现的， 由两组对称的压紧轮组成。 在压紧轮的一个轴向端设置了一组齿轮传动机构。 通过该机构， 可以实现对纸币的压紧功能。 通过改变两组压紧轮的高度， 还可以对板簧的压力进行调节。 该纸币压紧装置的结构及工作原理见图2。

图2 纸币压紧装置的结构及工作原理示意图

2） 纸币送出装置。 该装置通过电机带动齿轮旋转， 齿轮与固定在储币箱下方的齿条啮合， 从而带动储币箱向外平动， 完成纸币的送出工作。 由于送出的速度和长度可以通过控制电机的转速和改变齿条的长度来实现， 因此， 可以适应不同尺寸的储币箱[6-7]。 纸币送出装置的结构及工作原理见图3。

图3 纸币送出装置的结构及工作原理示意图

3） 齿轮传动机构。 该机构可以实现改变电机转动方向的功能， 进而可以实现压紧装置的上压紧轮和下压紧轮的配合、 分拣机构导向轮的配合等功能。 此外， 该机构还可以实现对电机进行变速的功能。 齿轮传动机构的结构及工作原理见图4。

图4 齿轮传动机构的结构及工作原理示意图

4） 齿轮链条传动机构。 该机构通过齿轮链条的啮合来实现， 其特点为传动时既不改变运动方向又不改变速率大小。 因此， 该机构可以在两级分拣机构传动过程等需要较长距离传动时， 实现动力传递[8-10]。 齿轮链条传动机构的结构及工作原理见图5。

图5 齿轮链条传动机构的结构及工作原理示意图

2 小型纸币分拣机的控制系统设计方案

2.1 总体控制方案

该小型纸币分拣机以分离收集纸币为主要目的， 既可以将市面上常见的一些纸币识别、 分类、收集装置的功能简单化， 又可以寓教于乐， 使学生在动手操作的过程中获得知识， 了解纸币分离收集的一些基本原理和操作。

由于不同面值的纸币， 颜色不同， 因此， 针对市面上常见的复杂纸币识别收集装置， 比如地铁口和火车站的无人售票机， 本文设计提出了一些新的想法， 即利用阶梯状的分离结构以及轮式压紧传输机构， 配合颜色传感器， 完成纸币的分离。

若要既保证机器自身运作稳定， 又要使得分离收集效果达标， 那么一套完善的控制系统是十分必要的。 小型纸币分拣机启动后， 不同面值的纸币从投币口按照规定路线依次通过100 元颜色传感器（以红色调为主识别值）、 50 元颜色传感器 （以绿色调为主识别值）、 10 元颜色识别器 （以蓝色调为主识别器）， 纸币颜色传感器通过不同纸币主色调确认纸币种类并产生相应信号触发控制器， 通过控制器控制相应电机旋转， 带动被识别出的纸币进入纸币收集系统， 从而完成纸币分拣功能。

2.2 各分机构控制方案

小型纸币分拣机的每个动作都是由程序自动控制的。 各元件的名称与对应可实现的功能见表1。

表1 元件名称及相应功能

2.2.1 纸币分离过程

1） 真假币识别。 纸币从投币口进入， 默认装置从左向右阶梯状走势， E1 闭合， M1 一直正向转动， 纸币进入后M1 带动压紧运输轮正转， 将纸币运输到一级分拣机构X1， 通过特征识别该纸币真伪。 如果符合真币特征， 则M1 继续正转将纸币运输到下一级分拣机构； 如果不符合真币特征， 则M1 反转使纸币沿原路返回， 吐出纸币。

2） 100 元纸币颜色检测。 经 X2 检测， 符合100 元纸币颜色， 则进入二级分拣机构。 如满足二级分拣机构对100 元纸币颜色的要求， 则M1 反转将纸币从一级结构与二级结构的间隔中运出， 收集到相应二级100 元纸币收集装置中； 反之， 则M1继续正转， 将纸币运输到X3， 继续检测纸币颜色。

3） 50 元纸币颜色检测。 经 X3 检测， 符合50 元纸币颜色， 则进入三级分拣机构。 如果满足三级分拣机构对50 元纸币颜色的要求， 则M1 反转将纸币从二级结构与三级结构的间隔中运出， 收集到相应三级50 元纸币收集装置中； 反之， 则M1继续正转， 将纸币运输到X4， 继续检测纸币颜色。

4） 10 元纸币颜色检测。 以此类推， 直到将所有纸币分离完成。

5） 分拣计数。 分拣过程中， 同时开启 E2，E3， E4， 对相应纸币进行分拣计数。

6） 完成任务。 分拣完毕后， 闭合 E1， M1 停止转动， 闭合 E2， E3， E4， 停止计数， 同时 X1，X2， X3， X4 等停止检测， 完成纸币分离任务。

2.2.2 纸币收集过程

M5 为减速电机， 安装在100 元收集装置下方，装配有与M5 啮合的齿条机构， 齿条机构与100 元收集装置相连。 待收集的纸币分离结束后， 先按动E5， 驱动 M5 正转， 从而使 100 元纸币收集装置运出， 方便取钱。 同理， 再按动 E6， 驱动 M5 反转，从而使100 元纸币收集装置返回工作位置。

与此类似， 先后按动 E7 和 E8， 完成对 50 元钱币的收集； 先后按动E9 和E10， 完成对10 元钱币的收集， 程序执行完毕[11-13]。

3 小型纸币分拣机的实验测试验证

选用 10 元、 50 元和 100 元 3 种纸币作为测试对象， 3 种纸币各取50 张并进行混合， 采用所设计的纸币分拣机装置进行实验测试， 测试结果见表2。

表2 纸币分类实验测试结果统计表

由表2 可知， 该纸币分拣机对3 种货币均有较好的识别效果， 其分类准确率超过96%， 总分类完成时间为 66 s， 即识别速率达到 136 张/min， 与人工识别相比有较好的技术优势。

4 结束语

本文设计完成的小型纸币分拣机， 创新性地结合了阶梯状的纸币分离结构和电机的正反转特点，通过颜色传感器的识别和由电机控制的纸币传输装置的正反转， 从而达到分离纸币的目的。 同时， 收集装置可以手动控制运出放回， 实现纸币的收集功能。 通过实际实验测试， 证明其具有较好的分类效果。 尽管该设计的结构、 功能等与实际工程应用还有一定的距离， 但该模型的设计方案及理念对实际纸币分拣机的设计仍具有一定的指导意义。