纸硬币清分机创新设计

谢颜琳

纸硬币清分机创新设计

谢颜琳

（湖北文理学院 机械工程学院，湖北 襄阳 441002）

针对目前商场结算中心及公交公司钱币种类多、数量大、堆放杂乱而导致分类清点工作耗时长、劳动量大、效率低、人力成本高的问题，设计一种纸硬币清分机。该装置采用偏心凸轮机构与蜗轮蜗杆机构组合联动的方式，能同时实现纸、硬币的初级分类和整理两个功能，提高了纸硬币的处理效率。

纸硬币清分机；创新设计；商场；结算业务

通过对商场的结算中心及公交公司调研发现，纸、硬币的分离及纸币整理的工作是日常一项艰巨的任务，目前处于大量人工作业阶段，工作过程中的问题与困难并存，制约着结算业务的快速发展。钱币种类多、数量大、堆放杂乱而导致分类清点工作耗时长、劳动量大、效率低、人力成本高。

目前在世界范围内，硬币以其成本低、流通次数多、耐磨损、易回收等无可替代的优势将占领了小面额货币市场[1-3]。而硬币与纸币混杂在一起很难清点，所以分类整理工作一直是公交公司、银行等大型钱币存储单位的心病[4]。虽然市场上已经有纸硬币分类装置，但由于价格昂贵、一次分离量少、工作效率低等原因不能普及。目前，国内仍普遍采用人工处理的方式，市场需要一种成熟可靠的纸硬币自动处理机具。

1 整体方案

1.1 纸硬币清分机机械结构设计

该装置主要设计一个盛装钱币的分理盒，该盒通过轴向往复振动使纸硬币处于运动的状态，然后通过旋转使分理盒发生偏转运动。由于硬币有一定的重量，可通过分理盒底面的漏币孔在分理盒振转运动过程中分离出，实现纸币与硬币分离；同时，考虑从分理盒外部伸入盒内一根搅动棒，其不随分理盒进行轴向运动，通过分理盒的振动并配合搅动棒的作用，使纸币完成基本定位和理顺齐整。

设计了纸硬币清分机，如图1所示，其主要由机座、偏心凸轮机构、涡轮蜗杆机构、分理盒等几部分组成[5-7]。整个装置由步进电机提供驱动力，并利用位置传感器反馈信号控制电机的换向，以实现机构的相关功能[8]。通过电机驱动偏心凸轮机构推动分理盒振动，同时利用与凸轮同轴的蜗轮蜗杆传动带动分理盒在振动的同时转动，将硬币从分理盒中分离，同时使杂乱纸币变得有序。该方案的特点是通过机构的联动实现预期的功能，结构紧凑、工作效率较高。

1.2 主要功能

纸硬币清分机主要用于公交公司、商场、超市的纸硬币分类工作，主要具备以下功能：①能够将混杂在一起的一定数量纸币和硬币进行分离；②能够将零散的纸币整理齐整。

图1 纸硬币清分机结构简图

1.3 工作原理

纸币规格大、材质轻，而硬币规格小、分量较重[9]，可利用纸币与硬币间明显的规格与材质的不同，设计一个盛装钱币的分理盒，该盒采用振动的方式来轴向往复运动使纸硬币处于运动的状态，然后加入一个旋转运动让分理盒偏转，由于硬币重量较大，在分理盒上打漏币孔使硬币掉出，完成纸币与硬币分离；同时，考虑从分理盒外部伸入盒内一根搅动棒，其不随分理盒进行轴向运动，通过分理盒的振动并配合搅动棒的作用，使纸币完成基本定位和理顺齐整。

通过对中国现行流通的纸硬币的规格、材质进行分析，得到如表1统计的数据。

2 功能结构设计

2.1 纸币、硬币的分离

纸硬币分离设计通过电机驱动蜗杆轴，利用键联接带动凸轮旋转，并与复位压缩弹簧一起作用，从而推动盛放钱币的分理盒左右往复振动，使得钱币在盒中抖动；同时蜗杆轴与安装在长轴上的蜗轮相互配合动作实现分理盒的周向转动，圆盘形凸轮从动件的设计上将分理盒的振动与转动有效合成，分理盒在左右振动的同时与整个转动架一起从水平位置正向旋转接近90°，硬币在这一过程中从分理盒上的漏币孔中掉落至接币盘中，实现纸币与硬币的分离。

表1 现行流通纸硬币规格和材质统计表

面值类别尺寸/mm材质 100元纸币长155、宽77钞票专用棉纸 50元纸币长150、宽70钞票专用棉纸 20元纸币长145、宽70钞票专用棉纸 10元纸币长140、宽70钞票专用棉纸 5元纸币长135、宽63钞票专用棉纸 1元纸币长130、宽63钞票专用棉纸 1元硬币直径25钢芯镀镍 5角硬币直径20.5钢芯镀铜 1角硬币直径19不锈钢

2.2 纸币的整理

当硬币从分理盒中分离后，分理盒正向旋转接近至90°位置时触发位置传感器使电机换向，分理盒反向旋转接近180°，在这个过程中由于分理盒持续左右往复振动，通过伸入分理盒底部的拨币棒完成对零散纸币的拨动，同时利用分理盒四壁的平面，完成对纸币的整理作业。

在完成以上两步功能后，再次利用电机使分理盒回到水平位置，一次分类整理作业结束。

3 结构分析

3.1 功能创新

装置能同时实现纸、硬币的分类和纸币的整理两个功能。整套装置采用偏心凸轮机构与蜗轮蜗杆机构组合联动的方式实现功能，机构组合新颖，结构紧凑。整套机构采用一个电机控制，并利用位置传感器实现电机换向，操作简单，能有效提高点钞人员清分的效率，降低劳动强度。

3.2 运动轨迹分析

偏心凸轮转动带动分理盒进行左右往复运动[10-12]，并通过压缩弹簧复位，如图2所示。通过模拟试验，分理盒左右往复运动的位移为100 mm。

图2 偏心凸轮机构运动简图

偏心凸轮A在电机的带动下进行转动，分理盒与凸轮通过高副连接，分理盒可以滑动，凸轮在从最低点到最高点运动的过程中压缩弹簧，使分理盒向右滑动。在凸轮由最高点运动到最低点的过程中，分理盒通过弹簧的弹性势能，使分理盒向左滑动复位。

机构的自由度=3－L－H=3×2－2×2－1=1，满足自由度要求。

蜗轮蜗杆机构如图3所示，蜗杆在电机的带动下与涡轮

进行啮合，驱动蜗轮使分理盒翻转。通过模拟分理盒振动与翻转合成运动的试验得出，必须使振动频率高而翻转速度低，这样才能使纸币与硬币充分地分离。为此选择传动比为1∶8的蜗轮蜗杆，传动比较大，能保证分理盒在快速振动的同时不至于翻转过快，能充分使纸硬币分理及定位整理纸币，保证运动的可靠性。

图3 蜗轮蜗杆机构

4 结论

该纸硬币清分机根据目前市场钱币整理分类短板设计，以方便公交公司、银行、商贸企业的结算中心进行纸硬币初级分类整理使用，具有较高的实际应用价值。

［1］张洪晖.浅议小面额货币的市场流通［J］.现代商业，2012（6）：92.

［2］王永立.硬币及硬币材料的发展［J］.材料科学与工程学报，1997（1）：66-68.

［3］邓志豪，郝雪桐.针对公交公司的钱币分类整理装置［J］.科技与创新，2016（15）：80.

［4］朱荣颇，朱泉明.小面额货币流通中存在的问题及建议［J］.经济视野，2014（17）：319.

［5］张晓红.机械设计基础［M］.武汉：华中师范大学出版社，2007.

［6］杨晓辉.简明机械实用手册［M］.北京：科学出版社，2006.

［7］朱正平.蜗杆蜗轮机构的自锁性及其失效原因分析［J］.中国新技术新产品，2016，324（14）：43-44.

［8］陆华才.无位置传感器永磁直线同步电机进给系统初始位置估计及控制研究［D］.杭州：浙江大学，2008.

［9］中国人民银行郴州市中心支行课题组.对硬币流通及其环境问题的调查与思考［J］.金融经济，2006（2）：154-155.

［10］李云峰，刘彩霞.偏心旋转-摆动式偏心凸轮机构设计［J］.机械传动，2009，33（4）：36-38.

［11］李云峰，贾晨辉，刘彩霞.偏心旋转-摆动式偏心凸轮机构运动设计与分析［J］.机械工程师，2008（4）：42-44.

［12］张黎骅，郑严.新编机械设计手册［M］.北京：人民邮电出版社，2008.

TH693.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.052

2095－6835（2019）24－0119－02

谢颜琳（1998—），女，湖北松滋人，湖北文理学院2016级在读本科生，研究方向为机械设计制造及其自动化。

〔编辑：张思楠〕