一种机构简易的硬币清分机设计

郑飞杰 ，李源清 ，熊昌炯 ，周辅坤

（1.三明学院 机电工程学院，福建 三明 365004；2.机械现代设计制造技术福建省高校工程研究中心，福建 三明 365004）

随着小额纸币硬币化进程不断的推进，在银行、公共交通、超市等服务领域里，每天都会流通大量的硬币[1]。那么，如何快速有效地来对这些硬币进行分类、整理、计数呢？成为这些行业当下较为头痛的问题。目前，市面上有一些硬币分类、清点、整理的机器，它们要么结构简单、价格低廉但效率较低、清分功能不理想且稳定性差，要么清分迅速准确但体积较大、价格昂贵、结构复杂且维护不方便，不适合大面积推广[2]。所以，目前国内的现状是，硬币清分装置仅在一小部分银行的后台出现，且利用率极低，整体普及率和使用率不及国外的相关领域。相比之下，在自动化水平还达不到发展需求的情况下，在大多数场合里，硬币清分工作还是依靠传统的人工处理方式。

1 设计分析

现阶段，就硬币清分模式，主要还是根据不同面值的硬币的直径或厚度或材料或质量等方面之间存在差异的原理来进行设计相应的清分装置，实现有效清分的工作模式。通过对硬币清分原理的理解，分析当下的清分机器，主要都是利用离心转盘、震动装置、滑槽漏孔、滑槽漏缝、传送带、卧式直线轨道、螺旋立式轨道等机构，将硬币进行清分、整理。而这样的装置，不但在设计方面，就是在实际使用过程中还是存在不少的难点：(1)硬币在装置输送过程中容易发生堆叠和堵塞现象；(2)要保证硬币在计数区逐个通过，方便计数；(3)要结构简单、体积小且确保分离的准确性；(4)要规避大量硬币对硬币清分机器造成的巨大冲击力等问题。因此，为了能更好地服务社会生产发展，满足银行、公共交通、超市等服务领域对中小型硬币处理机器的应用需求[3]，提升它们的工作效率和服务质量，极有必要设计一款价格低、清分准确率高、工作效率高的小型硬币清分装置。

2 装置原理及设计

2.1 清分原理

硬币清分装置的原理如图1所示。根据各类硬币的直径大小不同，运用多层筛选原理，每层的滑槽中设置统一孔径的漏孔，通过滑槽漏孔的方式将不同面额的货币逐层筛出。还有本设计采用倾斜式滑槽，利用硬币自身重力顺势往下滑，而每层滑槽上开有相同孔径的漏币孔，由上而下的滑槽孔径逐层减小，使得不同直径的硬币从大到小分别掉落至相应的收集装置，从而快速、准确地实现硬币清分。圆孔之所以不使用蜂窝状错落分布是由于圆孔之间的间隔Δl越小，则会影响滑道的刚度。

图1 清分原理示意图

2.2 计数原理

利用开关式光电传感器进行硬币的计数，这类脉冲式光电开关要求光电元件灵敏度高，而对光电特性的线性要求不高，其计数原理如图2所示[4-5]。图中Vi为24V电源电压，Vo为输出电压，R1和R2为限流电阻，A、B分别是发光元件和光敏元件。

当N个硬币陆续通过图示位置时，使光电脉冲电路产生N个脉冲信号，使其在其输出端输出相对应的电脉冲信号。然后通过计数电路对输出信号的下降沿进行检测并由LED数码显示管将计数结果显示出来。

图2 计数原理图

2.3 方案设计

清分装置的基本结构如图3所示，包括料斗，风叶限流器，筛币滑槽，收集装置，动力装置等五个主要部分构成。其中筛币滑槽部分在传统装置的基础上，根据文献[6]中建立数学模型的方式进行计算及实验装置的试验分析，得出一个全新的最为适合本清分机器的滑道长度和倾角（因文献[6]中已建立了相当详细的数学模型，这里就不再赘述），即与水平面呈θ=20°的倾斜式滑槽，滑道总长为543 mm，使得硬币能充分利用自身的重力顺势下滑，分拣速度更快，效率更高。

为能更好地解决前面所述的4个难点问题，在图3所示清分装置基本结构的基础上，通过针对性设计的不同方案分析和实验验证，不断优化装置结构。如表1所示，装置原型的硬币分拣效果并不是很理想，出错率高达3.2%。经过测试观察发现问题在于其类似旋转门的限流器，虽然起到了分流作用，但会造成硬币重叠着下滑，或者是下滑速度过快发生跳动，越过筛币板的筛孔，直接滑入一元的收集管道。针对硬币会重叠下滑的问题加了个斜挡板，通过实践加斜挡板之后硬币容易出现卡币现象，主要有两种形式：一是硬币叠加通过挡板时被卡住，另一种是斜搭在另一枚上被阻挡卡住。在适当提高斜挡板高度后，发现一旦硬币流量稍微大一些，一样无法彻底解决堵塞问题。

图3 清分装置基本结构图

表1 不同设计方案的数据对比

鉴于上述情况，利用小舵机与凸轮结构制作一个微振动装置，通过舵机带动偏心轮转动与滑槽相连接产生轻微振动。由于装置振幅不易过大，所以使用不同形状的凸轮进行测试，最后选出合适振幅的凸轮提供恰当的振幅使堵塞的硬币能够活动并继续下滑。通过样机验证的过程中发现若舵机速度过快则振动过大会导致硬币飞过筛币区，即出现错误的情况。通过反复实验测试记录数据，选用舵机的PWM输出值在300左右，来提高分拣硬币的准确率。

2.4 优化设计

清分装置上加舵机来进行微振动处理后，确实能解决硬币在滑槽内的堵塞问题，但其最佳振动频率不好确定，无法达到理想的使用效果。便改变思路，舍弃舵机振动装置将装置上方的料斗改成如图4所示结构，大致呈V字形，材质采用柔韧性强的布。工作时，与传送带相同的那边不需要动力源，只需带动另一边凸轮轴以较低的速率转动，就可将堆积的硬币匀速送入筛币滑槽。其中凸轮轴和与它配合的圆轴是由具有弹性特性的耐用塑料制成[7]，用布为材质主要是为了避免大量硬币倒入对清分机产生冲击。

改进设计具体如图5所示，装置包括五大部分：送币装置，筛币滑槽，缓冲计数装置、收集装置及动力装置。其中筛币滑槽中去掉了限流器，采用匀速送币装置代替，保留了斜挡板与滑槽的倾斜角度，不同的创新点在于斜挡板末端固定有小截毛刷，毛刷与滑道面间隙保持单个硬币厚度高，通过斜挡板上的毛刷对于下滑硬币起到缓冲作用，使其下滑速度减小，保证硬币在各滑道间均匀分布。硬币从滑槽中分离出来后就进入缓冲计数装置，如图6所示，硬币将在缓存管中一个个地排序，缓冲管底下的圆盘可以起开关作用，通过转盘转动有序进入计数区，确保计数的准确性。

图4 匀速进料机构图

图5 改进后的结构示意图

图6 缓冲计数区结构图

缓冲计数装置主要采用步进电机作为动力源带动收集盘转动，是由于步进电机具有角位移可控性，能把电脉冲信号转换成机械角位移的控制。收集盘上的集币桶是同一高度并且是可以取下的，使用单片机的计数器进行编程，当硬币数达到集币桶的最大值时，发送脉冲信号给步进电机，使其转动至另一个空桶。

3 结论

本设计的装置适用于需要大量人力进行硬币分类、清点和整理的场所，可实现对混杂硬币分拣、计数及整理的功能。清分机的优点在于其匀速进料装置、带有毛刷的斜挡板的相互作用，解决了其他硬币分选设备在清分过程中硬币积聚的问题，并使其最后能有序地进入计数区，产品结构简单，占用空间面积较小，分离迅速。文中对结构设计、优化及清分原理进行了详细阐述，通过对样机进行测试中发现问题并及时解决设计上的缺陷，一步步改进设计，使产品样机经过反复实验基本上都达到零误差清分。

参考文献：

［1］朱兆文.优化硬币自循环路径［J］.中国金融，2016（24）：81－82.

［2］陈鹏，刘文祥.一种硬币自动清分机.中国，201520937638.8［P］.2014－07－30.

［3］董祥龙.具有自动分拣、自动辨伪功能硬币分拣包装机的设计与研究［D］.上海：东华大学，2010.

［4］郁有文，常健，程继红.传感器原理及工程应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2014.

［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 （9）：280－281.

［6］张新未，郭晗萌，董雪，等.振动式硬币清分机的设计［J］.装备制造， 2009（11）：212.

［7］VELU C M，P VIVEKANADAN，KASHWAN K R.Indian coin recognition and sum counting system of image dataMining using artificial neural networks［J］.International Journal of Advanced Science and Technology，2011，6（31）：67－80.