第五套人民币硬币分拣机结构设计与制造

丁凤娟,洪腾蛟,陈康迪，高帅帅，孟凡盛，陈 丰

(1. 安徽科技学院 机械工程学院，安徽 凤阳 233100；2. 安徽科技学院 资源与环境学院，安徽 凤阳 233100)



第五套人民币硬币分拣机结构设计与制造

丁凤娟1,洪腾蛟1,陈康迪2，高帅帅1，孟凡盛1，陈 丰1*

(1. 安徽科技学院 机械工程学院，安徽 凤阳 233100；2. 安徽科技学院 资源与环境学院，安徽 凤阳 233100)

快速、高效、低成本地对硬币进行清理、分拣和计数，已成为了业界高度关注的问题。本文以第五套人民币发行的硬币为研究对象，设计了一款高效硬币分拣机，并使用自主研发的3D打印机进行样机制造。通过多次硬币清选实验。结果显示，其分拣、计数的准确率均达到了99%以上，为硬币分拣机的设计研发提供了研究方向。

硬币；分拣；计数；结构设计

随着国内外金融市场的快速发展，货币结算呈现出了大额货币电算化，小额货币硬币化的便捷式结算发展趋势[1]。作为货币流通的金属硬币具有规格统一，使用方便，流通寿命长，范围广等优点[2]，除此之外，还有很高的艺术欣赏和收藏保值功能，深受人们的喜爱。但是银行、零售企业以及公交系统的大量硬币堆积给分拣、计数工作带来了巨大难题[3]，需耗费大量人力资源进行清分，且出错率较高。我国目前只有少数银行网点配备了少量价格昂贵的进口硬币处理机器，无法满足大量硬币的分拣和计数工作[4-5]，这样也为后期的钱款入账和资金回笼带来了极大的不便，影响工作效率，同时也造成了资源浪费。

目前，市场上的硬币分拣机大多采用物理技术和性能指标两大类指标进行清分，原理虽然相同，但是各国硬币的种类和规格均有差异，因此硬币分拣机的研制需要根据各国的硬币体系，进行有针对性的研究[6]。本文以我国第五套人民币中发行的硬币为研究对象，运用多层筛选原理，设计研制了一种锥筒式硬币分检机[7]，并使用自主研发的3D打印机进行样机制造。通过实验验证，其分拣、计数的准确率均达到了99%以上，实现了高效、快捷、准确分拣与计数，细化与补充了硬币分拣机的型号与系列，也为硬币分拣机的设计研发提供了研究方向。

1 硬币分拣机原理简述

本文研制的硬币分拣机利用止通规原理，针对不同面额硬币的直径和厚度的差异性进行逐层分拣与逐层计数。第五套人民币中发行的硬币有：一元、五角、一角三种，使用得力牌0～130 mm游标卡尺对多枚不同面额硬币的直径和厚度进行反复测量计算，取平均值。测量结果见表1。

表1 第五套人民币中发行的硬币直径和厚度参数

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具有止通效果的带有圆孔的离心筛和底层为无孔的离心筛，三层式锥筒结构。第一层离心筛圆孔直径为22 mm，五角和一角硬币可以通过，落入第二层离心筛，一元硬币受离心力作用从出口甩出，通过滑道进入一元硬币储存盒；第二层离心筛圆孔直径为20 mm，一角硬币可以通过，落入第三层离心筛，五角硬币受离心力作用从出口甩出，通过滑道进入五角硬币储存盒；一角硬币进入第三层离心筛后受离心力作用从出口甩出，通过滑道进入一角硬币储存盒；每层的出口处均安装一个可以调节角度的拨片，用以控制硬币甩出时的角度，顺利进入滑道，防止硬币飞出滑道或在滑道内叠加，影响分拣与计数的准确性；并在每个滑道末端安装红外对管计数器，对经过的硬币进行计数，从而完成硬币的分拣与计数工作。

2 硬币分拣机结构设计

该硬币分拣机分为三层式结构，第一层分拣一元硬币；第二层分拣五角硬币；第三层分拣一角硬币。三层离心筛均安装于中心轴上，中心轴由电机带动旋转，产生震动与离心力，为硬币的清分提供动力；电气部分采用5-24 V电源模块供电,STM32单片机控制，设置无极变速开关调节电机转速，用以控制离心筛的旋转速度和离心力的大小。并在控制程序中写入延时反转功能，当电机卡滞超过3秒钟未能正转时即启动反转360°功能，防止电机长时间卡滞产生高温，烧坏线圈；分拣机底部设置高强度不锈钢三角支架作为支撑，同时也避免产生共振现象，损坏设备。投币口设置在分拣机的顶部，便于投币操作，并将每层的硬币出口高度设计为3 mm，大于任意单枚硬币厚度，小于任意两枚硬币叠加厚度，既保证硬币能够高效通过出口，又防止出现叠币和卡币现象，确保分拣和计数的准确性。

为了避免传统硬币分拣机的直筒机身无法有效防止硬币在高速旋转过程中紧贴筒壁站立，堵住出口的情况出现，本文将分拣机筒身设计成向内倾斜的锥筒状，迫使硬币无法站立，顺利通过出币口甩出，完成清选和计数工作。考虑到离心筛分布有孔洞，结构强度较弱，在载有大量硬币并高速旋转时会有变形塌陷的风险，在每层离心筛底部均匀分布3颗结构简洁、可提供任意方向滚动移栽的万向球轴承作为支撑[8],以确保离心筛能够安全、平稳的工作。为防止漏币、混币现象发生，影响分拣和计数的准确性，将滑道设计成两层结构，底层滑道宽度只能容小额硬币通过。并在底层滑道中开有落币孔连接下一级离心筛，误出的小额硬币在调节拨片的作用下进入底层滑道中，通过落币孔进入下一级离心筛，自动进行二次筛选，避免了出现混币时，需要多次停机、投币等重复操作。该硬币分拣机将离心筛筛选与滑道过滤多层筛选巧妙结合，有效解决了漏币、混币、分拣不尽，需要多次重复投币筛选等问题。结构设计参见图1，其中a为整机图，b为支撑结构，c为过滤孔。

a.硬币分拣机整机图

b.离心筛支撑结构

c.滑道过滤孔

3 样机制造

为了验证设计方案的准确性，本文使用自主研制的多头FDM型3D打印机[9]，进行硬币分拣机样机的锥筒、滑道及离心筛等零部件的打印工作，耗材选用可生物降解无污染的PLA材料[10],打印参数按照舒友等人研究的数据进行设定[11]。样机按照1 ∶5比例缩小版进行生产制造，样机预计产能为每分钟分拣和计数200枚左右的硬币。考虑到万向球轴承和离心筛装配时的工艺合理性，将锥筒分段打印，便于万向球轴承和离心筛的安装与调试。零部件打印完成后，清洗并去除支撑材料，按照工艺卡片的要求将各零部件装配完成。为保证三层离心筛的同心度，应将三层离心筛同时安装于中心轴上进行修边操作，确保离心筛在高速旋转时不会产生偏心和干涉现象。最后将编写好的控制程序导入分拣机控制器中进行程序调试，通过反复修改程序和实物试验，最终达到优化状态。零部件及整机实物见图2。

a.零部件图

b.整机实物图

图2 零部件及整机实物图

Fig.2 Some components and physical map

4 试验验证

选取50 枚一元硬币、50 枚五角硬币、50 枚一角硬币投入分拣机中进行试验，随着电机的启动产生振动与离心力，大多数五角和一角硬币随着第一层离心筛的振动落入第二层离心筛中，少数五角和一角硬币在离心力作用下随一元硬币从第一层的硬币出口甩出，进入滑道中，由滑道过滤孔落入到第二层离心筛中进行二次筛选，一元硬币经由滑道通过计数器进入一元硬币储存盒中，完成一元硬币的分拣与计数工作；落入第二层离心筛中的一角硬币在离心筛的振动作用下落入第三层离心筛中，少数一角硬币由五角硬币出口甩出，经由滑道过滤孔落入到第三层离心筛中。进入第三层离心筛的一角硬币由出币口经过数器落入一角储存盒中。五角硬币则通过第二层滑道经由计数器落入五角硬币储存盒中，完成了五角硬币和一角硬币的分拣与计数工作。

通过反复试验(共进行了100次试验)与观察，试验过程中，没有出现叠币、卡币、共振、硬币站立堵住出币口以及设备损坏等现象，其中出现了一次混币现象，有一枚一角硬币混入到五角硬币储存盒中，其分拣与计数的准确率高达99%。通过显示器可读出一元硬币、五角硬币和一角硬币的数量以及总金额数。参见图3。

图3 硬币数量及总金额

5 结论

实验结果表明，本文设计研制的硬币分拣机，其锥筒结构可有效避免硬币站立堵住出币口，离心筛筛选与滑道过滤多层筛选巧妙结合，解决了漏币、混币、分拣不尽等问题。结构合理简洁、分拣效率高、计数准确，达到了硬币分拣与计数的目的，为硬币分拣机的设计研发提供了新的研究方向。

[1]郭星, 陈亦仁, 商云男,等. WBH1314型纸袋式硬币清分包装一体机的设计研发[J]. 包装工程, 2013(3):63-67.

[2]陈锋. 江西构建硬币循环使用机制的实践及建议[J]. 金融与经济, 2016(4):4-7.

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

[4]沈勇. 包币机的设计与应用[J]. 计算机光盘软件与应用, 2012(4):42-43.

[5]王国光,史天运.自动检票系统设计及其实现[J].中国铁道科学,2005,26(5):112-118.

[6]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.

[7]安徽科技学院.第五版人民币全自动硬币分拣机：中国,CN201610583491.6[P].2016-10-26.

[8]董晓虹. 可拼接便携移载平台的研制和使用[J]. 科技视界, 2014(19):84-84.

[9]安徽科技学院.自动给料多头熔融挤出成形3D打印设备:中国,CN201610124986.2[P].2016-6-1.

[10]顾书英, 詹辉, 任杰. 聚乳酸/PBAT共混物的制备及其性能研究[J]. 中国塑料, 2006(10):39-42.

[11]舒友, 胡扬剑, 魏清茂,等. 3D打印条件对可降解聚乳酸力学性能的影响[J]. 中国塑料, 2015(3)：91-94.

(责任编辑：李孟良)

Architecture Design and Manufacturing of Coin Sorters Aim at 5th Edition of RMB

DING Feng-juan1,HONG Teng-jiao1,CHEN Kang-di2,GAO Shuai-shuai1,MENG Fan-sheng1,CHEN Feng1*

(1. College of Mechanical Engineering, Anhui Science and Technology University, Fengyang 233100, China;2. College of Resources and Environment, Anhui Science and Technology University, Fengyang 233100, China)

The problem of sorting and counting the coins with high efficiency and low-cost attracted high attention of business. The objective of present article is the 5th edition of RMB, in which designed a high efficiency coin sorter printed by the self-developed 3D printer. We had went thought the experiment many times in order to sort and count the coins and concluded that the accuracy of sorting and counting approached over 99% by the coin sorter, which provided up a research direction of coin sorters.

Coin; Sort; Count; Physical design

2016-05-23

安徽省教育厅省级自然科学重点项目(KJ2013A080)；安徽科技学院自然科学研究项目(ZRC2014414)；安徽科技学院稳定人才启动基金(LS0995)。

丁凤娟(1988-)，女，安徽省合肥市人，在读硕士研究生，主要从事机械技术研究。*通讯作者：陈丰，教授，E-mail:fengchen_12@126.com。

TH122

A

1673-8772(2016)05-0071-04