李 恋 葛 霖

(江南大学机械工程学院,江苏 无锡214122)

1 引言

近年来,随着社会的发展以及硬币的大量流通,大量硬币清分工作对于银行、超市、公交公司等部门是一个很大的问题,通常为了快速清分大量硬币,一般都是用硬币清分机进行清点,它克服了人工清点耗时、分拣率低的缺点。近年来,国家相继出台政策激励硬币在民间的自由流通,同时每年不断加大硬币的市场投放量,显而易见,硬币清分机必然有着广泛的市场前景。因此在清分硬币方面,也随之出现了各式各样的硬币清分机构,但多数机器设计原理简单,抗振动,抗电磁干扰能力差或者制造复杂,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。

2 国内外研究概况

2.1 国内硬币清分机研究概况

在国内,清华大学、北京科技大学、上海交通大学、杭州电子科技大学、苏州大学、福州大学等多家单位均对如何进行正确的硬币识别做过深入研究,在机理上普遍采用电涡流法。这些单位的研究在可能涉及的硬币范围内取得了较好的效果,对硬币的鉴别都局限在项目本身,存在不系统、不完整,对伪币识别不好等问题。目前,流行的研究方向多数是基于离心或者振动的原理,这样造成的结果是噪声大以及分币准确性得不到保证。

2.2 国外硬币清分机研究概况

在这个领域内,国外较早的开展了研究,并且做了大量的工作。开发的产品大致也分为三个档次,低档、中档和高档。低档清分速度在1000枚/min以下,中档为1000～1500枚/min左右,高档则在1500枚/min以上。所使用的清分方法上主要有两大类,一类是根据物理技术进行清分,另一类是根据性能指标进行清分。高速清分基本上都是采用性能指标来进行清分。

纵观来看,当今国内外硬币清分装置,或者设计原理简单,抗振动,抗电磁干扰能力差,识别伪币能力差;要么制造复杂,价格昂贵,没有使用价值。

3 原理及结构分析

3.1 硬币清分机的设计原理

硬币清分机的主要原理是依靠不同硬币直径的大小不同,从而通过送币盘上的分币孔与分币盘上的弧形轨道的接合形成分币轨道进行硬币的清分工作。

3.2 硬币清分机的主要结构分析

一种新型硬币清分机,其主要包含有外壳壳体,在壳体上设有用于投币的漏斗,计数显示器,开关等。在壳体内部下方依次设有分币装置,挡币装置,导币计数装置、接币装置和底座。如图(1)所示,所述的分币装置包括一个斜置的送币盘1和分币盘2,在所述分币盘2外侧圆周有若干个送币孔3,所有的送币孔3大小一致,且有斜倒角,需要注意的是其中有对称分布四个孔的外棱断开,用来避免因送币盘空转而带不上硬币的情况;所述的挡币装置主要包括送币盘下方的挡币板6和挡币条7;所述的导币计数装置包括导槽和传感器,硬币通过导槽进入收币装置,在硬币经过导槽的过程中触发传感器;所述的接币装置主要是与导槽一一对应且可拆换的接币盒,所述的底座4是一块两侧及正面钻有螺纹孔的钢板。

4 清分计数过程分析

在接通本硬币清分机的电源后,电动机5驱动送币盘1转动,由投币漏斗送进来的硬币堆叠在送币盘1下方,在送币盘1转动的过程中,在挡币板6和挡币条的作用下,堆叠的硬币逐渐变成单层,并且分布在送币孔中,随着送币盘1的转动,硬币逐渐到达分币轨道区域。分币盘2上面依次开有圆弧形沟槽,与送币盘上的圆孔配合,实现连续变化的不同孔洞,根据硬币的直径,依次形成一角、五角、旧一角和一元的分币区域,硬币经分币区域作用,逐渐被清分开来进入相应的导槽,经过导槽硬币进入收币装置(接币盒)进行收集,在硬币经过导槽的过程中,触发传感器,通过数模转换和调制解调,将计数结果显示在计数显示器上。这样,不同大小的硬币就经过对应大小的分币孔落入到对应的导币槽中,通过导币槽由收币盒进行收集,在收集的过程中由传感器进行计数,并将最终结果通过计数显示器显示出来。

5 主要设计过程分析

5.1 总体设计构想

图1 分币装置

目前,流行的研究方向多数是基于离心或者振动的原理,这些机器具有能耗大,噪声大,体积相对较大,加工制造相对复杂,成本高、误分率较高等缺点,而这些缺点的造成与其基本原理相关,不易改进,因此我们要克服这些问题,需要从原理上进行改进,摈弃离心和振动原理,另辟他径。

由于不同硬币在参数上最直接的区别就是直径大小的不同,所以我们的设计应基于硬币直径的大小来区分不同硬币,而送币则采用送币孔带币的方式,从而克服离心和振动原理带来的弊端。

5.2 重要参数的设计

5.2.1 总体尺寸的设计

考虑到作品在原理不变的前提下,对于不同使用场合,只需根据具体使用环境在尺寸参数方面做出一定的调整就可以适用使用场合,具有很好的适用性,而本次设计制作的作品仅仅作为实物模型,实际应用时的尺寸参数根据环境作调整的特点,再综合考虑加工制作成本等因素,确定基本外形尺寸如下:

送币盘直径:240mm;

分币盘直径:260mm;

接币盒尺寸:210mm×70mm×60mm;

外壳的尺寸:306mm×306mm×300mm。

5.2.2 送币盘倾斜角的设计

为防止未进入分币孔的硬币在摩擦力的作用下,与送币盘相对静止,一起转动,从而无法进入分币孔进行分币操作,以及硬币的叠币造成分类计数的不准确,故摩擦力应小于重力的下滑分量,将其简化为物理模型,如图2所示,则有:

若假设送币盘倾斜角为θ,硬币与送币盘之间的动摩擦因数为μ,硬币的质量为M,当地重力加速度为g,由条件有:

Mgsinθ＞μMgcosθ即:

θ＞arctanμ

一般来说,硬币与送币盘(不锈钢)之间的动摩擦因数μ的值在0.4左右,硬币之间的动摩擦因数在0.7左右,故θ＞arctan0.7＝35°,实践操作的过程中,由于各方面的影响,理论计算的35°不满足实践要求。经多次试验,确定最佳角度约为40°,故取送币盘倾斜角为40°。

图2 简化物理模型

5.2.3 分币孔的设计

分币孔初始设计时考虑到硬币为圆形,故采用圆形结构,而一元硬币直径最大,为25mm,考虑实际情况,适当放大至28mm,后在实际操作过程中,发现硬币与分币孔的实际接触点不是圆弧最低点,导致分币不准确,所以做出如图3所示的改进,主体部分仍然采用圆形,为确保分币孔与分币盘上的弧形轨道之间所形成的最大距离为硬币的直径,从而设计出由两段圆弧加一段直线的光滑过度的孔形,从而保证了分币的准确性。

图3 分币孔

5.2.4 送币盘的设计

送币盘与分币盘配合使用,在运动过程中通过送币孔带动硬币进入分币区域,考虑分币的效率,分币盘上设置20个分币孔,形状如图4所示。

图4 送币盘

考虑到本装置尺寸设计较小,故预设定电动机的转速为30 r/min,平均每转15个硬币,则整个清分机的效率约为400—550个/min。在实际生产中可以通过适当调整尺寸及电动机转速来提高效率。

另外,设置对称分布四个孔的外棱断开,可有效避免因送币盘空转而带不上硬币的情况,确保分币的彻底性。

5.2.5 分币盘的设计

分币盘配合送币盘上的分币孔构成分币轨道,根据硬币的直径以及分币孔的直径确定出分币盘上的分币槽尺寸如图4所示,采用阶段式圆弧沟槽设计。

5.2.6 挡币装置设计

图5 分币盘

挡币装置有挡币板和挡币条组成,如图5所示,二者通过焊接工艺连接,挡币板外形设计为球壳的一部分,安装在分币盘的边沿上,挡币条成倾斜分布在挡币板上,其末端距离分币盘的高度为25mm,起到刮币的作用,确保只能有单层硬币通过,从而实现准确分币。

图6 挡币装置

5.2.7 其他设计

考虑到实际加工装配及各个不确定因素的影响,分币盘2与支柱之间加入两块支板,使得分币盘2与支柱之间以及支柱与支板之间均为垂直连接,同时,分币装置的倾斜角也可以通过支柱与支板之间的螺纹进行调节。

6 结束语

目前在世界范围内,硬币凭借其成本低,流通次数多,耐磨损、易回收等无可替代的优势必然成为将来市面上的主要流通货币,在各国流通。

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,但可以对中国现行硬币快速准确按币值进行清分。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,从而适用于银行、超市、自动售货机等诸多方面,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,其应用前景十分广阔。

[1]宋祥德.董继先.等.硬币清分机旋转盘的分析与改进设计[J].应用研究,2011,75(3):0075-03.

[2]刘艺柱.郭素娜.基于电涡流传感器的硬币识别系统的设计[J].河南理工大学大学学报,2010,29(2):229-232.

[3]林洪贵.基于分离盘的硬币清分机实例介绍[J].现代商贸工业,2007,19(9):280-281.

[4]叶伟雄.一种新型硬币清分机[P].专利申请书,2014-9-10.

[5]林洪贵.基于分离盘的硬币清分机实例介绍[J].现代商贸工业,2007,19(9):280-281.