关键词： 硬币；盘形滑道式；清分机；
1 前言
我国现在市面上的硬币分为1元硬币、5角硬币和1角硬币。由于现在科技与人民生活水平水平的提高，2分和1分面值的硬币，现已进入收藏行列，不在进行市面的流通。甚至有些发达地区五角和一角的硬币也逐渐推出流通行列。目前，就硬币清分模式来看主要可以从面值、尺寸、重量、磁性等存在的差异来设计结构。
2 硬币分选机构的研究现状
硬币分拣机已有很多年的历史，它的发展已经逐渐完善。以前很难解决掉的疑难问题，现在都已经成为了常识。国外驰名厂家有荣光、SCANCOIN AB。
国外硬币筛选发展比国内硬币早出很多年，它们的分拣技术也较我国更为先进成熟。其硬币分拣机的传递动力的转轴，在转动时声音很小甚至听不到声音，传动过程安全平稳，不会发生意外情况。当硬币分拣完成，从出币口处调出来的时候，电子继电器就会记下每一个通过的硬币，并且电子继电器会累积计数，从而达到计数的功能。继电器计的数字会通过点在显示屏显示出来，方便应用人员统计。
通过对已有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。[1]
装置设计主要技术难点：(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，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是有必要的。
3 盘形滑道式硬币清分机的设计
3.1设计思路
本硬币清分机机构主要的作用就是把掺合在一起的一元、一角和五角的硬币挑选出来。设计的主要依据是不同面值硬币的直径差异，根据尺寸的不同来分拣。
虽然不具备全自动化，却也拥有半自动化。手动把掺杂的硬币倒入进币口，在电动马达提供动力的前提下，使整个装置运动起来，达到分拣的目的。此为半自动化装置，能够节省部分劳动力，而且还能加快分拣硬币的效率，减小劳动强度。
3.2确定清分方案
清分装置主要分为四个部分，第一部分硬币的排序、第二部分一元硬币的筛选及输出、第三部分五角硬币的筛选及输出、第四部分一角硬币的输出。
清分步骤：混合的硬币从入币口进入，而在进币口的下方有一个比一元硬币直径略大的圆形通道，硬币由此进行叠合，并由电磁继电器控制硬币下落的量，防止硬币过多的堆积到下方一元硬币盘道中，然后利用硬币的不同直径，在一元盘道和五角盘道上开出不同大小的圆通孔使硬币得以掉落下，从而可以逐次把一角、五角、一元的硬币分拣出来，达到分拣的目的。
工作原理：电机转动带动与轴连接的各个转盘上的转杆，从而带动盘道上的硬币做圆周运动，在转杆的推动下，硬币产生离心力，会紧贴外筒运动。当运动到在外筒处开的出币口时，硬币就会借用离心力从出币口甩出，沿出币轨道滑落到硬币收纳盒里，为后期硬币的包装，计数，运输做好了准备。
3.3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1示。当n个硬币通过图示检测位置时，光电脉冲电路便会产生n个脉冲信号，然后通过计数电路对输出信号的下降沿进行检测并由LED数码显示管将硬币的总数进行显示。[2]
.png)
图1计数原理示意图
3.4方案的设计
3.4.1电动机的选择
当电机拥有很小的功率时，使用这个电机的装置就很难启动艰难起动，在这种情况下，在选择功率时，要考虑到电机所接变压器的接法，防止发生不必要的火灾[2]。根据技术需求，选取电机型号:3IK15RGN－C；电压:220V；功率:15W；电流：0.14 A；同步转速:90~1350 r/min；频率:50 HZ；键槽：4×2×25效率: 60%；外形的尺寸: 300×170×210；cos : 0.90。电动机的安装方式：选择V3型。
3.4.2联轴器的设计[3]
电动机的轴径为10毫米，转轴的直径为20毫米，根据标准选择型号的联轴器，因实际加工过程费用以及联轴器强度、切应力的可行性，自行设计联轴器，其三维模型如图2示。
.png)
图2联轴器的三维图
3.4.3分拣盘的设计
本次设计机械的分拣，主要运用有差别硬币的直径上，经过不同的直径孔筛选出硬币，为了使分拣出的硬币更为精确，本设计中分拣机是有多个步骤的，首先，通过一元盘把五毛的硬币和一毛的漏到五毛硬币盘上，再通过五毛硬币盘把一毛的硬币漏到一毛硬币盘上，最后都在各个盘的出口进入储存的盒子里。
（1）分拣盘应具有的性质
1）引导方向的作用。清点出来的硬币再推杆的作用下，沿着外筒内边缘动，最后沿滑道进入放硬币的盒子里。
2）能够使用较长时间。运送硬币的环道，除了受硬币的重力，还有会有来自钱币的摩擦力，如果长时间的运作本机器，环道表层的温度就会上升，进而增加环道的磨损。所以环道应有良好的性能。
3）能够承受足够强的冲击。承受力的盘道不该逾越所允许的数值。当物体的承受超过其本身的应力时不单能影响引导硬币的正确方向，更会使环道的表层加速磨损。为此选取调制淬火后的45号钢，作为制作环形盘道的原材料。
4）不能太过复杂。分拣环道应该简单，很容易制作，并且在更换时要便利。无论盘道的内边缘还是外边缘，都应以简约为主。
对于环形分拣道的建模编程过程中，要特别注意程序加工过程中边缘处的加工，选取的刀具要适合，加工步距，最大切削深度等切削参数的设定，编完刀轨后，一定要自己仿真一次，仔细观看UG仿真中知否有红色加工区域，若有，重编刀轨或更换参数。最后要进行一次“倾根”操作。为了去除边尖边和毛刺。
（2）分拣盘1
分拣盘1主要作用是实现1元硬币的筛选，在分拣盘1的盘道上开有直径为23毫米的分拣孔，以及直径为26毫米的孔作为出币口。在分检控的前面有一定的距离同时在盘道的边缘有一挡块，使硬币在推杆的推动下能单个通过，防止硬币成堆，叠在一起，造成分拣孔处堆积。在此过程中，五角和一角的硬币会在达到出币口的位置掉落到下一硬币的环形分拣盘道，然后开始后续的清拣工作。
.png)
图3 一元环形盘道
（3）分拣盘2
分拣盘2就是把混合在一起的五毛和一毛的硬币进行清拣。在盘道2上开有直径为20毫米的通孔作为盘道2的分拣孔，在出币口处开有直径为32毫米的出孔。
图4 五角环形盘道
.png)
（4）分拣盘3
环形盘道3的作用就是把一毛的硬币运送到出币口处。因为经过分拣盘1和2的筛选，只剩下了一角的硬币，所以在分拣盘3的盘道上只设有直径为32毫米的出币口。结构如图5。
图5 一角盘的三维图
.png)
3.4.4传动轴的结构设计[3]
传动轴受转动力矩以及弯力矩，轴的失效形式：磨损过度、疲劳断裂、塑性变形。故阶梯轴应有足够的刚度、硬度、韧性和耐磨性。
根据传动轴的受力及变形特点，进行受力分析，内力计算的基础上[4]，根据轴类零件最小直径计算公式，计算确定最小直径d=12mm；然后根据装配与定位需求，设计各部分的具体尺寸。
3.4.5推杆的结构设计
推杆的设计是本次设计的创新点，推翻以往仅仅只借助盘道的离心力把钱币从盘内甩出去。推杆与阶梯轴的连接是利用平键连接的，电机的动力通过联轴器、轴、键传递到推杆。本设计借助推杆对钱币的推动力，以及推杆与环形盘道进币口的挡块之间的位置差把混乱的堆积在一起的硬币分开。为了使推杆与挡块的不冲突，把推杆的端部改成如图6所示的扁平折块。
.png)
图6分拣杆
3.4.6支撑架的结构设计
（1）本设计中外筒的作用，初期设计要求就是能够阻挡硬币，防止其在做圆周运动时，飞出环形盘道。但是在设计中期考虑到硬币旋转运动对外筒的摩擦，长期会致使外筒损坏更换代价高。就考虑把原先没有外边缘的盘改成了现在的环形盘道，这样能增加分拣机的使用时间，从而外筒的作用就不仅是挡筒了，也作为固定环形盘道的固定件了。
（2）制作外筒的材料很多，刚开始想使用黄铜制作一个金灿灿的分拣机，看着也很有档次，符合审美观，但是做一个外同需要的材料不少，耗费的金钱太多。考虑多方面因素就更换成了普遍的45号钢，对于总盘道的支撑强度也足够。在外筒上还开有三个出口，底面面开有27个散热孔。外筒的具体结构如图7所示。
.png)
图7 支撑架（外筒）
4清分机运动仿真
基于NX建立各个零部件的三维模型，并进行装配，完成清分机运动仿真分析，通过仿真过程可以看出硬币运动合理，没有发生结构干涉。
5 结论
本设计的装置适用于需要人力进行硬币分类、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。分选机的优点在于：
（1）三层分拣盘，根据硬币尺寸，逐层分拣钱币；
（2）通过同轴多层刷，和滑到侧边的挡块，实现了单层分拣钱币功能；
（3）通过电动机调速，实现快速清分，提高清分效率。
参考文献
[1]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．
[2]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.
[3]机械设计[M].第七版．北京：高等教育出版社,2004.
[4]工程力学1 [M].北京：高等教育出版社,2002.6.
论文作者:向建,张勇 杨先过 来小丽
论文发表刊物:《科学与技术》2019年17期
论文发表时间:2020/1/15
标签：硬币论文; 盘道论文; 联轴器论文; 推杆论文; 直径论文; 环形论文; 滑道论文; 《科学与技术》2019年17期论文;