公交系统钱币分类整理机的设计与实现

2021-09-10刘人菊陈胡黄梅鹏郝晓曦

五邑大学学报（自然科学版） 2021年3期

刘人菊，陈胡，黄梅鹏，郝晓曦

（五邑大学智能制造学部，广东江门 529020）

城市交通业务的迅速增长使得硬币和小额纸币在公交等民生领域快速流通. 据统计，某市市区公交车辆每天900多个班次，每日零钱在35万元左右，其中纸币占比91.2%，硬币占比8.8%. 对点钞员而言，每日需要定时将成堆的零钞倒在桌面上，按照不同币种和面值加以分类，清理出破损和太旧的钞票，并把已计数的纸币、硬币分别收纳. 这项工作劳动量大、效率低下[1]. 因此，研究一套钱币自动化分拣装置就具有较大的经济价值与市场需求.

调研发现，对小额币种清分工作的既有探索，通常是对纸币和硬币分别研究[2-7]，如赵静等[5]采取传送带加低频振动方式分拣硬币，并通过硬币质量与电阻应变片的对应关系设计了硬币计数方式；韩书葵等[6]分析了传统硬币分离方法的不足，提出了利用硬币尺寸和质量差异的关系重新设计了分拣机构；苟春艳等[7]采用厚度测量技术和PLC编程对纸币清分机开展设计. 而针对纸、币混合输入问题的研究内容不多，本文利用纸币、硬币的不同物理特性，在梳理小币种设计的基础上，设计一款新型钱币分类整理机以便二者快速分类整理.

1 总体方案与模块设计

本文设计的钱币分类整理机拟实现以下功能：

1）分拣功能，能够高效实现对硬币、纸币的完全分离.

2）硬币面额清分计数，能够分类1元、5角、1角硬币，快速对其单独计数与总额计数.

3）纸币残缺清分，能将皱褶、成团、残缺等无法进行机械分拣的纸币分类输送到残缺币收纳盒中.

4）纸币整理收集，可以将散乱的展平纸币震动拍打整理成沓，然后收集到预定钱箱中.

为实现以上功能，钱币分类整理机需具有钱币分拣、硬币分类计数和纸币整理3个功能模块. 其三维结构如图1所示：分拣模块由风源装置、分离滑道装置、滚筒控流装置组成；硬币分类计数模块主要由底座、挡圈、旋转盘、固定盘、滑道、电机等部件组成；纸币整理模块包括震动倾斜簸箕装置、拍打整理装置和弹簧钱箱.

图1 钱币分类整理机的三维图

具体工作流程：纸币、硬币混合物进入机体，经过分拣模块，在滚筒控流装置和气流装置的作用下，沿分离滑道实现纸、币分离，同时控制硬币分流速度；硬币经由分离滑道装置进入硬币计数分类模块，通过设计的硬币清分机构，在离心力的作用下实现硬币分类，同时由安装在滑道上的光电传感器实现硬币计数[8-9]；当纸币进入纸币整理模块时，根据气流在不同纸币状态（如团状、展平状等）下的作用力差异，实现对纸币的筛选，再利用机械手将纸币移入振动簸箕口对纸币作初步整理，并由拍打装置整理纸币，最后将整理好的纸币压入钱箱收集装置.

1.1 分拣模块

如图2所示，本模块主要由风源装置、分离滑道装置、滚筒控流装置（包括纸币控流和硬币控流）组成. 滚筒控流装置轮固定在箱体中，由减速电机带动，并采用延时正反转控制，目的是将纸币、硬币打散，以便下一步工作台的操作，同时起到控制纸币流量的作用；硬币控流装置是十字架导轮在电机的带动下经过四级齿轮减速实现硬币控流，其与硬币整理模块反馈联动，以最大程度保证硬币整理模块的连续性与稳定性.

图2 纸、币分拣模块

1.2 硬币分类、计数模块

硬币整理功能采用相对运动的双盘结构，利用硬币的直径大小差异，上面旋转盘开孔，下面固定盘开槽，一动一静实现硬币的分离. 图3为硬币清分机构模型. 清分时，启动电机，将硬币倒入旋转盘中，由挡圈挡住防止溢出，电机带动旋转盘旋转，旋转盘上的硬币在硬币孔中绕圆盘中心做圆周运动，不同种类的硬币依次通过相应的漏币槽掉落到滑道上，继而进入各自的硬币收纳盒中，实现硬币清分. 同时安装在滑道上的光电传感器会在单片机的控制下进行计数. 调整电机转速和固定盘倾角，可使硬币计数速度达到预定要求.

图3 硬币清分机构模型

1.3 纸币整理模块

为解决前一模块输出纸币凌乱的现象，本机构通过机械手抓取纸币，经过震动簸箕一级初整理，二级拍打整理，将纸币放入钱箱收集装置并归叠整齐.

震动簸箕如图4所示. 纸币进入大口后，在双偏向轮的作用下实现YOZ平面的平动与X轴的左右震动，逐步沿着簸箕斜面徐徐到达簸箕小口，并在簸箕的震动与侧沿的规整下初步整理堆叠.

图4 震动簸箕装置结构

簸箕固定方式为链悬挂，此设计有利于在摆动空间范围内运动的协调、稳定与运动干涉的解除. 法兰导杆设计为U型叉状，叉内放置U槽滚动轴承，法兰盘偏心放置光杆导杆（导杆2），导杆2通过直线轴承与U槽滚动轴承内孔配合，这样，在U槽滚动轴承中心点处YOZ平面内就多了两个自由度，解决了与转盘转动的干涉问题. 簸箕前端铁链悬挂于机架上，后端悬挂铁链通过两个直线轴承固定于光杆导杆1上，这样，通过直线轴承在光杆导杆1的X轴方向上产生一个滑动自由度，用以克服法兰盘转动时产生的滑动干涉.

经震动簸箕初步整理后，通过一对锥齿轮连接两根正反牙丝杆实现丝杆上与法兰固定的拍板的连续拍打动作，以此模拟人类手动整理钱币的拍打动作，达到纸币层叠可推进钱箱的整齐度要求.

2 控制模块设计

本系统控制模块分两部分，一部分是通过MCU控制的硬币分类计数系统，它由红外传感器、数码管、电机、单片机及电源组成，完成硬币整理、计数、显示的功能[10-12]；另一部分由PLC作为主控制器，通过接近开关产生输入信号，PLC利用继电器带动步进电机、减速电机、气缸电磁阀动作[13-14]. 控制流程如图5所示：首先进行初始化程序，并为各结构功能上电，分拣模块由电源驱动滚筒、涡轮风机工作，待纸、币分流之后，由光电传感器检测分类后硬币的数量，在单片机内部进行数据处理，将结果呈现在显示管上；纸币整理部分，以接近开关作为检测信号输入端，将产生的脉冲信号传递给PLC，PLC通过设定好的逻辑动作驱动气缸电磁阀带动机器手完成纸币夹取、释放、复位等动作，在步进电机和减速电机的作用下，完成纸币初步整理和二次整理动作，并在气缸力的动作下将捆绑好的纸币推入收纳箱中；最后等待是否结束命令，否则，继续重复之前动作流程.

图5 控制程序流程

3 性能分析

3.1 滑道参数分析

硬币在重力作用下沿着斜面滑向底端出币口，过程分析与模型如图6所示.

图6 硬币滑行分析

设硬币重力为G，滑板与水平面成角为θ，硬币与斜面摩擦力为f，硬币对斜面正压力为NF，建立正交坐标系. 滑道材料为抛光钢板，硬币材料为合金，移动时摩擦系数μ为0.1～0.3，取0.3，可得：

当F‖＞f时，硬币自由滑落.

整理可得：θ＞arctanμ，即θ＞16.7°.

考虑到实际情况，气流、尘屑等影响，安全系数a取1.3，则

多次试验结果表明，当滑板与水平面角度为22°时，硬币滑行状态最理想，此时纸币也能在表面气流的作用下腾空飞出滑道口. 从设计柔性的角度出发，滑板倾斜角设计为可微调倾角，角度在20°~25°，以适应各种实际情况下的具体要求.

3.2 震动簸箕参数分析

对纸币整理模块的关键环节——震动簸箕进行参数分析，由表1可知：1）随着震动频率的提高，震动整理效果逐步理想，但过高的频率会产生震动过激现象. 2）当频率处于中间值时，随着转盘偏心距e增大，整理效果也有所改善；当偏心距e超过20 mm时，随着频率提高，震动过激也会产生. 3）有无微风对横向纸币卡死问题影响较大，震动频率较高并伴有微风气流时，不再出现卡币现象. 4）整理效果显著的条件是震动频率中高、转盘偏心距1620 mm～、法兰偏心距15 mm.