曲柄连杆式硬币清分机创新设计

陈 鹏，刘文祥，徐文超，吴治远

1 引言

硬币清分机是硬币流通领域中用于硬币清分的装备工具，主要应用于公交公司、银行和商场等日常需要清分大量硬币的场所。前期市场调研发现，市场上推广使用的硬币清分机主要有大型硬币清分机和小型硬币清分机两类，大型清分机设备笨重，尽管清分量大，但其结构复杂，制造成本高，而小型清分机清分量小，清分速度慢，且存在卡币和错分等问题。面对国内硬币清分市场的现实需求，迫切需要研发一款制造成本低、清分效率较高且清分准确的硬币清分机，因此，当前很有必要进行中型硬币清分机的创新设计与研发。

2 基于FDM的清分方案设计

增材制造技术，也称3D打印技术、快速成型技术，该技术是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术[1]。熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling Molding，FDM），又称熔丝沉积成型，是一种常见的非金属增材制造技术工艺，是利用成型材料和支撑材料的热熔性与粘结性，在计算机的控制下进行成型工件的层层堆积成形。

增材制造技术提供了一条极具成本价值的路径来快速完成新产品开发过程中反复的设计迭代，其革命性的优势体现在扩张了设计师的想象空间、缩短了设计到成型的周期以及降低了创意设计的成本[2]。FDM在新产品开发中的应用主要有三个方面：（1）快速原型制作；（2）设计验证与功能验证；（3）终端产品的直接制造[3-4]。基于FDM的产品设计方法具有高效性、交互性、可靠性和低耗性等显著优势[5]。

为了进行清分方案的设计验证，应用FDM工艺制作第一代微型原理样机，如图1（a）所示。该原理样机通过料筒送料，使硬币掉入清分刮板的圆孔之中，通过手摇装置驱动齿轮齿条机构，使上层的清分刮板相对于下层的清分筛板进行左右往复运动，不同大小的硬币掉入相应的清分筛板孔中，最终实现硬币的清分[6]。第一代原理样机的测试验证表明清分方案可行，可以实现硬币的准确清分，但清分效率较低。

为了提高清分效率，并将清分孔排布由一列改为三列。为了实现硬币的自动喂料与快速清分，设计了上下错落有致的两个曲柄连杆机构，驱动喂料推板和清分刮板的左右往复运动。为了进行曲柄连杆机构的功能验证，应用FDM工艺制作第二代微型原理样机，如图1（b）所示。第二代原理样机测试表明，清分方案科学、合理且可行，达到了设计的预期目的和效果。然而，由于FDM工艺的成型精度较低，影响了整个产品的装配精度，制约了产品功能的全面实现，因此，有必要进行曲柄连杆式清分机实物样机的创新设计与研发。

图1 微型原理样机Fig.1 Micro Principle Prototype

3 产品功能原理

曲柄连杆式清分机的基本工作过程是硬币喂料整理、硬币清分筛选、硬币分类收集和硬币计数报警。因此，曲柄连杆式清分机应具备喂料整理、清分筛选、分类收集和计数报警等四种基本功能。

3.1 清分装置方案设计

曲柄连杆式清分机清分装置的基本组成，如图2所示。清分料筒中落入的硬币，进入上层的清分刮板左右布置的两列10个漏币孔中，在清分刮板左右直线往复运动时，清分刮板圆孔中的硬币，再经过下层的清分筛板左右布置的八列40个清分孔，自动掉入清分筛板下方对应的40个储币筒中，从而完成硬币的快速准确清分。清分刮板与清分筛板孔的直径根据硬币的大小设计，保留一定的间隙值。清分筛板的孔间距则根据其运动速度来设计，保证硬币能顺利落入下方储币筒中，为了进一步提高硬币清分效率，清分筛板的孔应设计成键槽形，保证其高速运动时，进入的硬币可以及时掉落。

图2 清分装置的基本组成Fig.2 The Basic Composition of the Sorting Device

3.2 机械传动系统方案设计

曲柄连杆式清分机的机械传动系统主要采用两级直齿圆柱齿轮传动，如图3所示。由变频电机驱动三级齿轮，减速并把扭矩传递给主轴。主轴上下连接有两个直径不同的转盘，主轴转动时带动转盘转动，同时驱动转盘上的两个曲柄连杆机构，使得喂料推板和清分刮板同步作往复直线运动。上面的连杆连接喂料推板，往复运动的喂料推板使硬币连续均匀地送入清分料筒；下面的连杆连接清分刮板，清分刮板相对于清分筛板的往复运动，可以实现硬币的快速准确清分。产品采用曲柄和滑块来实现转动和移动相互转换的平面连杆机构，即曲柄连杆机构[7]。

图3 机械传动系统的设计方案Fig.3 Design Scheme of Mechanical Transmission System

曲柄连杆机构连杆的尺寸计算如下：

式中：S1—喂料推板的行程；S2—清分刮板的行程；L1—小转盘连接孔到喂料推板连接孔的极限距离；L4—大转盘连接孔到清分刮板连接孔的极限距离。

机械传动系统采用直齿圆柱齿轮传动，根据传递扭矩的的需要选择模数为1，两个传动齿轮齿数为60，电机齿轮齿数为30，材料45号钢，齿部高频淬火。通过理论计算可知，电机所需的转速为20r/min，因此，选用正反转调速交流220V齿轮减速电机，电机扭矩5N/m。并对输出轴、传动轴和主轴分别进行强度和刚度的校核，轴的结构设计安全可靠。

4 产品设计

4.1 整体造型

曲柄连杆式清分机的基本造型，如图4所示。

图4 产品结构示意图Fig.4 Schematic Diagram of Product Structure

曲柄连杆式清分机主要由机架、喂料整理装置、机械传动系统、清分筛选装置以及收集计数装置组成，原动机采用变频调速电机。根据产品的总体设计方案，完成产品各部分的造型设计后，利用PRO/E软件，应用TOP-DOWN设计方法进行产品的三维造型设计[8-9]。

4.2 结构设计

产品结构设计时，要考虑产品部件之间的装配方式，根据相关技术标准与制造工艺、装配工艺要求进行结构设计[10]。结构设计的主要工作内容包括机架、喂料整理装置、清分筛选装置和收集计数装置的结构设计和装配方式等。

根据硬币清分方案可知，要实现均匀连续地喂料，每次的进料量应大致相同。硬币形状扁平、不易流动，故不好控制喂料量。为了保证喂料的均匀性与连续性，并使机构更加紧凑，设计一种曲柄连杆式喂料整理装置，如图5（a）所示，由曲柄连杆机构驱动直线导轨上的滑块，使固定在滑块上的喂料推板作往复直线运动。把硬币持续装入左上方料斗中，喂料推板推动装入的硬币送入清分料筒内，并进行有序的水平叠放，从而实现硬币的自动喂料与整理。

清分筛选装置是整个清分机的执行部件，其结构将直接影响清分机的清分效率。清分筛选装置的设计不仅要结构紧凑，而且各个清分筛面应布置合理。清分筛选装置的结构，如图5（b）所示。由清分料筒、清分刮板、清分筛板、短连杆、大转盘、滑块、直线导轨等组成。

收集计数装置的设计要求能实现大量硬币的收集与计数，该装置置于清分筛板的正下方，方便硬币的快速导出和收集计数，储料筒两侧对称布置，每侧自左向右依次收集小一角硬币、五角硬币、大一角硬币和一元硬币，如图5（c）所示。储料筒分别安装在左右两块插板之上，利用插板两侧的下部凹槽导向，储料筒可随插板一起沿导向块往外滑出。

由于储币筒受到铝型材厚度的限制，不能直接和清分筛板贴合，收集计数装置的设计要求能让硬币快速准确地落入储币筒中，不能有卡币现象，因此还需要设计导向装置，该装置中左右布置的两个连接板起到硬币下落导向的作用，连接板由压板固定在铝型材之上，其结构，如图5（d）所示。

4.3 虚拟装配

完成产品各部分的结构设计与各种零部件的三维数字化建模后，需要进行三维数字化虚拟装配建模，并通过实物样机模型的制作来验证设计方案的合理性与数据模型文件的准确性[10]。并对于前期造型与结构设计方案中考虑不完善的地方进行必要的改进，如产品各主要装置之间存在的干涉、零部件的结构和尺寸等。

图5 产品结构设计方案Fig.5 Scheme of Product Structure Design

4.4 机构运动仿真

根据产品的总体设计方案，完成产品的造型设计和结构设计后，在三维数字化设计软件PRO/E中，建立机构运动仿真模型，进行曲柄连杆机构的运动仿真，验证曲柄连杆机构的主要设计参数（长短连杆的长度、大小转盘的直径）的合理性，分析该机构能否满足清分刮板和送料推板的行程需要，分析机构运动过程中，机架、机械传动系统及其他相邻结构是否存在干涉[9]。

4.5 FDM快速成型

本产品主体框架由（20×20）mm铝型材组成，清分刮板和清分筛板采用激光切割加工，保证了清分孔的尺寸精度和形位公差。考虑制作成本以及可制造性等因素，本产品的非受力零部件，主要包括料斗、清分料筒、喂料推板、插板、压板、连接板、储币筒等结构零件，采用FDM快速成型制作而成。其中储币筒的FDM成型，如图 6（a）所示。

4.6 设计优化

产品调试时发现当储币筒的硬币达到一定数量而装满时，电机不会停止工作，清分装置继续清分，将导致硬币堆积，使得清分刮板在此处卡死而影响整机的持续工作。因此，特设计一种收集计数报警装置，主要由光敏传感模块、激光发射模块、单片机控制板、蜂鸣器和LED、继电器、锂电池组成。单片机控制实现硬币收集时的光电计数报警功能，光敏传感模块可以接受激光发射模块发射出的光信号，当硬币没有装满时机器正常运转，当硬币装满时光敏传感器产生信号给单片机控制板，单片机控制板控制继电器断开，关闭电机的电源，使得机器停止工作，使得蜂鸣器响起报警，同时LED发出红色光报警。最终研制的曲柄连杆式清分机，如图6（b）所示。实物样机测试表明，整机具备了自动喂料整理、准确清分筛选、收集计数报警等功能，硬币清分效率可达（450～500）枚/分钟，基本达到了产品预期设计目的。

图6 零件快速成型及实物样机Fig.6 Part Rapid Prototyping and Physical Prototype

5 结论

对曲柄连杆式清分机的市场需求、功能原理、设计方案等造型设计相关因素进行了详细分析，完成了造型设计、结构设计、样机虚拟装配、机构运动仿真及产品设计优化。

（1）设计案例包含了基于FDM的创意构思、方案验证、三维造型、虚拟装配、运动仿真和设计优化的整个产品创新设计与研发流程，该产品设计程序与方法可为其他基于FDM的机电产品设计提供参考。

（2）机构设计巧妙：三级齿轮传动驱动曲柄连杆机构运动，分别使硬币推板和硬币清分板作左右往复直线运动，实现自动送料与硬币清分；结构设计新颖：采用五通道清分料筒提高了硬币清分量，清分筛板设计成两侧对称结构，通过清分刮板的往复运动可以对其两侧的硬币分别清分，有效地提高了硬币清分效率。制作工艺独特：部分零件采用FDM工艺制作，不仅降低了制作成本，而且提高了研发效率。

（3）本产品相对于市场同类产品具有外形美观、结构紧凑、体型小巧、造价低廉、设计精巧、操作简单、清分准确、效率较高等优点，适用于公交公司、银行、商场等对硬币清分有小型化、桌面化和高效化实际需求的众多场合，大大地降低了人工清分硬币的劳动强度，因此，该产品在公交公司、银行、商场等领域具有极高的推广应用价值。