智能硬币分拣机的优化设计研究

孙丽娜

（吉林农业科技学院机械与土木工程学院，吉林 132101）

智能硬币分拣机的优化设计研究

孙丽娜

（吉林农业科技学院机械与土木工程学院，吉林 132101）

智能硬币分拣机是一种能够自动将市面上流通的四种不同直径的硬币进行快速有效筛分的装置，其主要结构包括动力装置，减速装置，输送装置，筛分装置等。本文对普通的智能硬币分拣机的总体结构（即整体机械系统）及其关键零部件（包括筛板、调速电机、减速装置、框架和输送装置等）进行了优化设计，使其在节省人力的同时，提高了工作效率，能够更加有效地应对银行、超市、公交等部门繁重的硬币分拣工作。本设计具有重要的经济与社会价值，市场前景广阔。

智能硬币分拣机；总体结构设计；零部件优化设计

1 引言

硬币是全世界各个国家流通的主要货币种类之一，以其耐磨、制作方便和使用周期长等诸多优点，受到了娱乐业、交通业、金融业以及零售业的青睐[1]。由于国外对硬币筛分设备的研究和开发起步较早，且工业基础雄厚，无论是大型或小型硬币筛分机器都已经发展到了相当成熟的技术水平，而且还在日臻完善[2-3]。反观国内，最初只有清华大学和昆明机床公司曾经联合对日本的某硬币筛分设备进行仿制，由于当时的技术与理论水平不够，因此，所设计出来的硬币筛分设备尚无法满足各项使用要求。在此之后，还有许多科研院所和企业投入大量的人力、物力和财力，进行硬币筛分设备的研发，继而设计出了一些硬币处理设备的理论与实物模型[4]。与国外的先进设备相比，国内的硬币筛分设备仍然存在许多需要改进的地方[5]。基于这样的思考，本文对目前国内最为常见的一种硬币分拣机的总体结构（即整体机械系统）及其关键零部件（包括筛板、调速电机、减速装置、框架和输送装置等）进行了优化设计，使其整机的结构更加简洁，造价更为低廉，筛分效果更好。该智能硬币分拣机未来一旦面市，必将拥有广阔的市场前景，创造巨大的经济价值与社会价值。

本文所设计的智能硬币分拣机（如图1）的工作原理如下：硬币最先由漏斗进入输送带，待其速度降低之后，进入筛板，开始筛分作业。针对市面上流通的四种不同直径的硬币，该机的筛板自上而下的筛孔直径按照由大到小的顺序进行排列安装。直径最大的一元硬币将从第一层筛板上方被筛出；其他硬币则由第一层筛板下方进入第二层筛板，进而筛分出直径略小于一元硬币的大一角硬币；剩余硬币由第二层筛板下方进入第三层筛板，此处将筛分出五毛硬币；最后的小一角硬币则由第三层筛板下方输出，至此，就完成了整个硬币的筛分过程。

图1 智能硬币分拣机的装配图

2 智能硬币分拣机的总体结构优化设计

智能硬币分拣机的总体结构优化设计要求包括：第一，应使设计出的产品体积和重量符合小型化和轻量化的要求；第二，机器能够成功地筛分出国内目前市面上流通的三种不同面额（四种不同大小）的硬币；第三，机器应具有良好的操作性和使用寿命；第四，机器应具有成本低廉和方便运输的特点。考察整机总体结构优化设计成败与否的主要性能指标为分拣机的工作效率不低于每分钟五百枚，且筛分误差低于千分之一。

整机总体结构优化设计内容包括：筛板的角度、震动行程以及震动频率的可调性设计，通过调节以上三个参数，达到最佳的筛分效果，进而能够轻松应对不同粗糙程度的硬币；硬币的喂入速度设计，使得硬币进入筛板时，不会因速度过快而飞溅；筛板的硬币筛分精确性设计，使得筛板震动的稳定性更好，同时其占用的空间更小，且移动方便。

3 智能硬币分拣机的关键零部件优化设计

3.1 筛板的优化设计

预选的几种筛板的优化设计方式包括：筛板式、离心式和重力倾斜式。由于常规的筛板体积过大，并且容易发生筛分错误，如果利用离心力进行筛分，又会产生较大的噪音，因此，优化设计方案为：将筛板分层，并且每大层分为两小层的新型筛板，以实现硬币分离的目的。为了减轻机器整体重量，本设计选用5mm厚度的有机玻璃板作为筛板的主体材料；为了提高筛分精度，筛板共分为三大层和六小层，如图2所示。市面上流通的四种不同直径的硬币分别为1元、五角、大1角、小1角，其直径分别为25mm、22.5mm、20.5mm、19mm，而筛板由上至下的筛孔直径分别为24mm、21.5mm、19.7mm，同时在筛板上还加装了挡块，以使得筛板的角度可调，进一步提高了筛分的工作精度。

图2 筛板

选择驱动筛板的振动部件的方案包括：曲轴式、凸轮式和曲柄滑块式。凸轮因其所能承受的载荷较小，摩擦力较大，需要增加其他的回弹机构，因此，本设计放弃了凸轮机构。曲柄滑块机构与曲轴机构具有一定的相似性，它们都不能调节筛板的震动频率，无法达到最好的筛分效果，也不宜采用。经过综合分析，通过对曲柄滑块式机构进行改进设计（如图3），进而达到了可以任意调节震动行程的目的。本设计最大优点是从动部件能够实现任意的预定运动，减小了该机构的摩擦力和筛分的复杂程度，能够更好地满足本设计的要求。

图3 曲柄滑块

3.2 调速电机的参数优选

常见的驱动电机按转速大致分为高转速和低转速两种，各自都有其优缺点。例如：高转速电机最突出的优点是转速快、筛分效率高，但其缺点为转速较高时容易导致硬币发生飞溅现象，而且由于硬币高速运动，可能致使硬币在高速运动时发生碰撞，产生巨大的噪声，造成较为严重的噪音污染；低转速电机由于运转速度较低，硬币碰撞时的动能较小，产生的噪音较小，但是，运转速率的降低将导致筛分效率的下降。另外，由于硬币发行年限的早晚、流通时间的长短，以及使用环境的不同，使其表面磨损程度和粗糙度有所不同，这样一来，硬币表面摩擦力的增大将严重影响低转速电机硬币筛分机的工作效率，甚至发生卡币而使机器无法正常运转。基于各种类型电机的特点，本设计决定采用调速电机，满足不同使用环境和不同表面粗糙度的硬币的筛分要求，将整机的噪音和工作效率控制在合理范围内。本设计优化后的调速电机参数为：功率25KW，扭矩0.45N/m，额定电压220V，调速范围0-415转/分，减速比1：3。由于该智能硬币分拣机结构较轻，摩擦力非常小，因此，上述参数完全满足设计要求。

3.3 减速装置的优化设计

基本的机械传动方式包括：链传动、带传动和齿轮传动。带传动实际上是一种挠性传动，其主要组成部分是带轮和传动带。利用带轮和传递动力的带之间的摩擦力，或者是啮合作用把能量从一个带轮传给另一个带轮，其结构十分简单，传动过程非常平稳，价格也低于链传动和齿轮传动。另外，传动带还可以起到缓冲的作用，尤其是在载荷超过正常范围时，它可以保护机械装置，不至于被损坏。带传动最适合在远距离的动力传输时进行使用。链传动也是一种挠性的传动方式，它是由链条和链轮结合在一起形成的传动方式。通过链轮上的齿与链条之间的沟槽相互啮合，使其不会像带传动一样发生打滑，但是，其重量很大，无法满足本设计减轻整机重量的要求。齿轮传动是机械结构中零部件之间传递动力和速度的最重要方法之一，其传动的可靠性很高，结构紧凑，尤其适合传动精度要求较高的场合，但是，齿轮传动经常需要专人看护和日常保养，不适用于远距离的动力传输，且其重量很大，无法满足本设计减轻整机重量的要求。综上所述，本设计选用的减速装置类型为带传动，即摩擦型的普通V带传动。优化后的减速装置参数为：传动比设置i=2，带轮最大转速415转/分，小带轮基准直径50mm，大带轮的直径100mm，带速V=1m/s，中心距269mm，V带基准长度2050mm。由于本设计的动力传输距离较短，负载较小，且转速较低，因而选择单带进行传动。

3.4 框架的优化设计

在综合考虑框架设计中其他零部件的安装要求，以及整机机械结构的紧凑性和稳定性，并且避免悬臂梁的出现等多方面因素之后，本设计优化后的主体框架如图4所示。

图4 主体框架

3.5 输送装置的优化设计

本设计中所采用的输送装置如图5所示，其承受的压力较小，对整机机械结构的强度和刚度要求较低。本设计选用尼龙棒作为输送装置的主体材质，尼龙棒硬度较低，对加工设备和刀具无特殊要求，使用普通车床即可完成输送装置的制造过程。在保证正常使用和降低成本、重量的前提条件下，能够满足本设计的要求。

图5 输送装置

[1]罗礼进，肖臣鸿，刘 星，等.基于“STC80C51单片机”的智能小车系统的设计[J].电脑知识与技术，2016（17）：115-117.

[2]董祥龙，李中会.一种基于Solidworks的新型硬币鉴伪分拣机设计[J].中国新技术新产品，2010（11）：83-90.

[3]王广超.一种圆金属片自动分类装置的设计[D].西北农林科技大学硕士学位论文，2012.

[4]钱鸿志，胡天立，陈 智.等.一种基于STC80C51单片机的智能硬币分拣机的设计[J].无线互联科技，2017（14）：107-109.

[5]蒋 伟，荆学东.全自动硬币包装机中堆币机构的结构改造及设计[J].制造业自动化，2011（18）：34-37.

Optimization Design of Intelligent Coin Screening Machine

SUN Lina
（Institution of Mechanical Engineering，Jilin Agriculture Science and Technology University，Jilin 132101，China)

The intelligent coin screening machine is a device which can automatically and effectively screen four kinds of coins with different diameters.The main structure of this machine comprises the power device，the speed reduction device，the conveying device and the sieving device.In this paper，the optimization design of the general structure of the intelligent coin screening machine（i.e.whole mechanical system)and its key components（including the sieve plate，the speed governing motor，the speed reducer，the frame and the conveying device)have been carried out.There are two significant advantages for this new machine：labor saving and higher efficiency.It can deal with the heavy coin screening work in banking，supermarkets and public bus service.The design can lead to a wide market prospect as well as important economic and socialvalue.

intelligent coin screening machine；overall structural design；optimization design of component and part

TH693

A

2017-09-26

孙丽娜（1978-），女，吉林省吉林市人，讲师，从事机械设计制造及其自动化研究。

李延霞