基于Pro/E的新型硬币包卷机的机械结构设计

魏 鼎，荆学东，康思闻

（1.陕西科技大学 机电工程学院，西安 710021；2.上海应用技术学院 机械工程学院，上海 201418）

0 引言

银行、公交等具有大量硬币处理业务的金融机构和企业需要专用的硬币清分机和包装机，以有效的处理回笼的硬币，并使之重新进入流通领域，从而调节硬币的供求[1]。然而，目前硬币的自动包装设备与市场要求尚有较大差距。其一是现有产品体积大且价格较高，主要面向银行的货币库处理中心或造币厂[2,3]，不便于其他用户使用；其二是由于市场现有硬币包装机结构复杂，包卷过程繁琐，导致包装机成本较高[2,4]。为解决这些问题，需要设计具有新型机械结构的硬币包卷机。

1 硬币包卷机工作原理及机械子系统

硬币包卷机的主要功能是实现散装硬币的自动清分、计数、检伪以及包卷功能，其中的包卷系统由控制子系统和机械子系统组成。机械子系统可分为6个功能单元，如图1所示。

本文设计的硬币包卷机的工作原理是：1）散装硬币堆积在加速转盘中，转盘高速旋转，硬币在离心力作用下紧贴转盘边沿做圆周运动；2）硬币通过转盘下部的缺口进入滑道，同步带紧压硬币上表面在滑道上高速滑行，在此过程中，完成对硬币的检伪、剔除伪币以及分类计数任务；3）硬币在滑道末端落入堆码桶，堆积成50枚一组的圆柱状成组；4）上下卡爪相向运动夹紧硬币成组，之后移送单元旋转30°使硬币成组转移到包卷位置；5）三辊子包卷机构相向运动，辊子与硬币成组圆周面接触并保持一定夹紧力；6）供纸单元电机启动，搓纸轮搓入预先装入的标准规格包卷纸，同时三辊子包卷机构开始旋转，把包卷纸卷绕在硬币成组表面，当包卷纸边沿通过折边机构时，包卷纸在折边机构的限位作用下受迫变形，从而实现折边；7）包卷完成后，卡爪反向运动松开硬币成卷，移动到堆码位置等待下一轮夹持移送过程；三辊子机构反向运动，松开成组。硬币成卷自由落下，进入收集器。包装机工作流程如图2所示。

图2 包装机工作流程图

2 方案设计

本文针对现有的硬币包装机的不足提出了新型设计方案，具体体现在以下三个方面：

1）传统硬币包装机大多采用竖直落币方式，即从堆码位置竖直向下将硬币组移送到包卷位置，该方法使整机竖直方向尺寸过大，不便于连续向机器中投放硬币。本文采用圆周轨迹硬币成组移送单元（如图3和图7所示），使整体机械系统（如图6所示）呈现上下两层结构，即硬币加速单元和硬币排列单元处于上层，硬币堆码和包卷单元处于下层，减小了整机体积。

图3 三辊子包卷机构及移币机构轨迹示意图（俯视）

2）传统的卡爪头与折边器分离式设计，需要为折边器配置专门传动机构，而且增加包卷步骤，降低了包卷效率。本文采用一种新型硬币组移送卡爪（如图4所示），在该卡爪头部侧边安装有可伸缩折边钩，该折边钩通过三辊子包卷机构对夹动作迫使折边钩的工作面向硬币边缘运动，包卷完成后，三辊子包卷机构张开，折边钩在弹簧作用下恢复到初始位置，由此可省去专门的折边机构。

图4 移币卡爪头结构图

3）传统硬币包装机使用连续供纸方式，需要专门配备切纸机构，导致设备体积过大。本文采用打印机进纸方法，使用预制规格包卷纸、纸盒连续供纸、搓纸轮搓纸、单张进纸方式，包卷纸在省去了切纸环节提高了包卷速度（如图5所示）。

图5 进纸机构装配图

3 三维模型建立

首先在Pro/E零件建模环境下建立机械子系统的各功能单元的零件模型，然后通过执行“元件”、“装配”命令，添加约束关系完成供纸组件、三辊子组件、夹持移币组件、加速排列组件的建立，再将其通过同样的方式装入总装配模型中，图6是实验机虚拟装配模型（为方便观察，机架部分已隐藏）。使用Pro/E三维建模软件建立的三维模型可以方便的生成二维工程图，为制作物理样机做好准备[5]。

图6 实验机装配模型

4 组件干涉检查和运动仿真

利用虚拟模型进行干涉检查可以有效的检查出复杂装配体在零件设计时出现的尺寸错误，方便的修改模型的形状和定位孔位置尺寸，从而快速完善模型，加速样机设计。

通过Pro/E组件模块下“分析”菜单的“模型”按钮下的“全局干涉”窗口，对装配体进行干涉分析。先对前述子组件进行分别检查，再对总装配体进行干涉检查。在排查干涉过程中，发现的开槽螺母与螺柱件的干涉属于正常现象，不需修改；个别零件间确有干涉，经过修改后，再次做干涉检查，结果显示“没有干涉零件”。

在三维建模过程中运动分析是模拟所设计产品的机构运行情况，为设计评估提供依据。本文采用Pro/E机构运动学分析仿真模块，对机构添加伺服电动机、定义测量项目，获取机构动态影像，和分析图线[6]。

以上下卡爪为例说明仿真过程。利用Pro/E仿真可以直观的观察上、下卡爪的运动状态，并得到位移图；从而确定上、下卡爪能否夹持住硬币成组，张开后会不会与皮带轮干涉。在本例中将伺服电机添加到梯形丝杠齿轮轴上，设置相应的运动方向、速度、运动时间和显示帧数。分析机构的运动过程，然后定义测量项目，测量上下卡爪的位移图（如图8所示）。该曲线表示，上下卡爪首先在硬币堆码位置等待，然后上下相向运动夹紧硬币，待移送机构把硬币组移送到包卷位置并完成包卷（此过程上下卡爪不动），然后上下卡爪松开；从位移图中可知，现行方案满足设计要求。

图7 移币机构装配体

图8 移币机构装配体运动仿真曲线

其他机构的运动学仿真，包括三辊子包卷机构、硬币夹持单元、硬币加速单元，也可以按照此方法得出预定的位移图线；仿真结果表明，它们都实现了预定功能。

5 结论

本文根据硬币包装机市场需求和已有硬币包卷机的不足，设计了一种新型硬币包卷机系统。设计中特别对进纸机构、移币机构和折边机构做了改进，整合了折边机构和移币机构，缩小了整机体积，减少了包卷步骤，从而提高了包卷效率。按照实验参数最高处理硬币速度可以达到1500枚/分钟。

[1] 中国人民银行上海分行货币金银处课题组.刍议人民币硬币流通规律及问题[J].上海金融,2005,(2):55-57.

[2] 芮晓明,翟江兰.基于虚拟装配的硬币自动包装机设计方法[J].包装工程,2006,27(1):92- 108.

[3] 钟伟,张建国,李金山,陈金源.基于PLC控制的全自动硬币包装线系统设计与实现[J].制造业自动化,2011,33(11):148-149.

[4] 肖丽英.YB50全自动硬币计数、包卷机的研制[J].包装工程,2003,3(24):28-29.

[5] 吴怀超.ProE和AutoCAD联合设计二维工程图的方法研究[J].煤炭技术,2010,29(8):10-11.

[6] 刑亮,沈豫鄂.PROE运动仿真中单向匀速电机实现往复直线运动的方式及分析[J].舰船电子工程,2009,29(9):193-197.