利用S7-200PLC的3層離心式硬幣清分機的開發(fā)

張　穎，　金昌福

(延邊大學工學院機械系,吉林 延吉 133000)

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利用S7-200PLC的3層離心式硬幣清分機的開發(fā)

張穎，金昌福*

(延邊大學工學院機械系,吉林 延吉 133000)

摘要：根據我國現(xiàn)有硬幣清分機的實際情況，開發(fā)了一種性能良好、工作效率高的3層離心式硬幣清分機，并對其主要工作部件的結構、工作原理、機電傳動設計進行介紹，科學地計算運動參數，優(yōu)化結構，證實運動合理性。開發(fā)的3層離心式硬幣清分機實際清分量高達600枚/min，清分準確率98.4%，并且在清分過程中不出現(xiàn)卡幣、擁堵、不出幣現(xiàn)象，能高效快速地清分不同面值的硬幣。

關鍵詞：PLC；硬幣清分機；離心式；開發(fā)

硬幣的流通在給人們生活帶來便利的同時，也在清點分類上給相關部門帶來了巨大的壓力。目前，我國在硬幣清分上仍然采用半自動化或人工的方法，浪費了大量的人力和物力。由于硬幣的清分工作強度高，難度大，成本高，利潤小，誤差大，迫切需要一套自動化程度高，集清分、計數、收集等功能于一體的硬幣清分裝置[1]。由于國情和貨幣體系不同，研制各國統(tǒng)一的硬幣清分系統(tǒng)不現(xiàn)實，因此，需要針對不同的貨幣體系研制相應的清分系統(tǒng)。在這個領域里，國外較早開展了研究，并且做了大量的工作。開發(fā)的產品大致也分為3個檔次，即低檔、中檔和高檔。低檔清分速度在400枚/min以下，中檔為500～600枚/min左右，高檔則在1 000枚/min以上[2-3]。在此領域比較有代表性的是著名的瑞典SCANCOIN AB公司，它是一家專業(yè)生產各種銀行器具的公司，成系列地研制了針對不同貨幣體制下的清分系統(tǒng)，但其價格昂貴且進行技術壟斷[4]。在國內清華大學、北京科技大學、南京航空航天大學等多家單位均深入研究過硬幣清分機，其所使用的清分方法主要有2大類：1) 根據物理技術進行清分，2) 根據性能指標進行清分。目前國內暢銷的蘇州少士 YFJ-200硬幣點數機無法做到同時清分多種硬幣，且每次清分不同類型硬幣需耗費時間調整機器，清分效率只有400枚/min，抗振動和抗電磁干擾能力差、工藝流程復雜,價格高達8 000元，缺少實用價值[5-7]。而本文開發(fā)的這種3層離心式硬幣清分機工作時無需調整，可同時清分4種硬幣，成本只有3 000元，制造工藝簡單，清分效率高達600枚/min，該裝置應用于實際中，可提高工作人員的效率，為今后設計制造相關硬幣清分機提供理論依據和參考資料。

1總體方案的設計

經過市場的調查研究，硬幣清分機有2種典型機型:振動式硬幣清分機和離心式硬幣清分機。其特點如下：

1) 振動式硬幣清分機：利用電動機驅動相關執(zhí)行機構，產生巨大振動，使硬幣在密閉空間產生位移，從而達到清分功能，但是這種機型體積大、質量大、工作噪聲大、工作性能差、壽命短、不易搬運。

2) 離心式硬幣清分機：利用旋轉產生離心力，使硬幣甩出旋轉盤，進入篩選軌道，由傳送帶輸送，進行清分[8]。該機型效率高、工作穩(wěn)定、無噪聲，但是存在卡幣、擁堵、不出幣現(xiàn)象。

根據清分效果分析，總體方案定為基于S7-200PLC控制的離心式硬幣清分機。篩選方式改進為3層4出口，計數裝置采用光敏傳感器。

1.1設計條件

1) 硬幣規(guī)格：現(xiàn)市面上流通4種硬幣，第五套人民幣中的1元，5角，1角(以下稱小1角)和第四套人民幣中的1角(以下稱大1角)。

直徑關系：1元>大1角>5角>小1角；厚度關系：大1角>1元>小1角>5角[9]。

2) 清分量(η)η=600枚/min 左右

1.2總體結構

3層離心式硬幣清分機結構如圖1。其中，1.料斗;2. 傳動軸；3.傳送帶；4.旋轉盤；5.筒壁；6.篩選軌道；7.輸送軌道；8.機架；9.儲幣盒；10.步進電機。

圖1　結構簡圖

2主要工作部件的設計及工作原理

2.1旋轉盤

旋轉盤是承載硬幣的主要機構，在離心過程中起到初步篩選的作用。根據宋祥德等人對旋轉盤的分析和改進設計，為了更有效地清分硬幣，在保證其強度和剛度的條件下，開了一定數量的孔，3層旋轉盤直徑都設定為190 mm[10]。

1) 第1層旋轉盤在半徑35和70 mm的2個圓上分別環(huán)形陣列8個，10個直徑為24 mm的孔，該盤開孔只允許1元以外的硬幣通過。

2) 第2層旋轉盤參數同上，但是陣列的開孔直徑21 mm，該盤開孔只允許大1角以外的硬幣通過。

2.2筒壁

筒壁作為封閉旋轉盤的機構，在工作中起到第2次篩選作用。3層的筒壁內徑190 mm，高60mm。在旋轉盤切向處對應的位置開口，第1層開口角度30°，口高2.3 mm，只允許大1角以外的硬幣通過；第2層開口30°，口高3 mm；第3層開口30°，口高3 mm。

2.3篩選軌道

篩選軌道作為本設計的關鍵部分，在工作中起到最后1次篩選作用。

1) 第1層軌道從切向處開始，沿垂直該點直徑方向安裝，長120 mm，寬25 mm，在距切向處80 mm軌道內開1個長30 mm，寬23 mm篩選口。1元可通過篩選口，其他硬幣掉落。

2) 第2層軌道長120 mm，寬22.5 mm，距切向處80 mm開1個長30 mm，寬21 mm篩選口，大1角可通過，其他硬幣不可通過。

3) 第3層軌道長120 mm，寬20.5 mm，距切向處80 mm開一個長30 mm，寬19.5 mm篩選口，5角可通過，小1角不可通過。

2.4計數裝置

本設計采用市場上常見的光敏傳感器進行檢測，硬幣每通過1次，用PLC對其產生的電脈沖信號下降沿計數1次，并通過七段數碼管顯示[11]。

2.5傳送帶

在硬幣離開旋轉盤后，采用小型馬達驅動的3個傳送帶為硬幣提供能量，使其繼續(xù)在篩選軌道中繼續(xù)滑行。

式中，v1為硬幣離開旋轉盤時的速度；m為硬幣質量；P為電機功率；t為硬幣與傳送帶接觸時間；μ為摩擦因數；s為篩選軌道長度。

經計算,P=8 W，選用三拓R4468型微型電機。

2.6工作原理

啟動機器，將定量硬幣從頂端放入第1層旋轉腔內。在離心作用下，1元、5角和小1角硬幣通過筒壁開口進入篩選軌道，1元硬幣通過軌道進入儲幣盒并計數，其余硬幣通過旋轉盤開孔或輸送軌道進入第2層旋轉腔。在第2層中，大1角，5角和小1角硬幣通過筒壁開口進入篩選軌道，大1角硬幣通過軌道進入儲幣盒并計數，其余硬幣通過旋轉盤開孔或輸送軌道進入第3層旋轉腔內。第3層中，5角和小1角通過開口進入軌道，5角離開軌道進入盒中，小1角從篩選軌道進入盒中。從而，周而復始地完成工作。

3步進電機選型及控制

3.1步進電機選型

步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件?？梢酝ㄟ^控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。

得nmax=146r/min，該設計機型初始可容納150枚硬幣。根據《機械設計》一書中功率和扭矩計算公式可得[12]。

阻力FW=Zμmg=21.5N

效率η=η1×η2=0.64(為聯(lián)軸器效率；為傳動效率)

選用雷塞57型步進電機。

3.2電機的控制

根據PLC編程及應用一書中相關部分，本設計采用西門子S7-200PLC和MM420變頻器控制步進電機的啟動、正轉、反轉、調速和停止的功能[13-15]。

1) 步進電機控制程序：按下開關SB1，I0.0閉合，Q0.0線圈得電自鎖，使步進電機正轉，計時器T37開始計時。10 s后，T37常閉觸點斷開，常開觸點閉合，Q0.0失電斷開，Q0.1得電自鎖，電機反轉，計時器T38開始計時。1 s后，T38常閉觸點斷開，常開觸點閉合，Q0.1失電斷開，Q0.0得電自鎖，以此周而復始。任意時刻可按停止開關SB2，I0.1斷開，機器停止工作(圖2)

圖2　控制程序梯形圖

2) 步進電機接線圖：采用硬件接線，通過模擬量輸出控制AIN1，來控制變頻器的頻率，從而改變電機轉速[16](圖3)。

圖3　硬件接線圖

4清分機實際結果分析

由表1可知，用所制樣機進行試驗，共計5次，清分硬幣總計600枚，平均耗時51.2 s，平均準確率達到98.4%(圖4)。由第5次試驗結果表明,清分耗時由短到長依次為小1角,大1角,1元和5角,且準確率達100%。(表2)。對照對象為市面上暢銷的蘇州少士 YFJ-200硬幣點數機，該機型每分鐘清分量只有400枚,并且有時存在誤差[17]。根據所得結果，作者開發(fā)的3層式離心清分機效率和準確率大于蘇州少士 YFJ-200硬幣點數機，達到預期設計標準。另外，此成果榮獲“迪瑞杯”第七屆吉林省大學生機械創(chuàng)新設計大賽一等獎。

圖4　測試場景圖

表1　試驗結果

表2　第5次試驗結果

5結論

1) 三層離心式硬幣清分機實際清分量η=600枚/min，清分準確率98.4%。

2) 在清分過程中不會出現(xiàn)卡幣、擁堵、不出幣現(xiàn)象，能高效快速地清分不同面值的硬幣。

3) 該設計簡便、體積小、質量輕、價格低廉、維護簡便、性能穩(wěn)定，可適用于銀行、超市及交通部門等。

4) 本設計在許多地方仍有待改進，軌道可設計為傾斜式，去除驅動滾刷，降低成本；旋轉盤和筒壁可設計為拆卸式，方便拆裝運輸；控制程序仍存在缺點，可增加間歇式正反轉控制程序，避免硬幣轉不出去的現(xiàn)象，以進一步提高清分效率。

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收稿日期：2016-04-02

作者簡介：張穎(1995—)，男，安徽巢湖人，在讀學士,研究方向為機械工程。金昌福為通信作者， E-mail：jincf9@163.com

文章編號：1004-7999(2016)02-0175-04

DOI:10.13478/j.cnki.jasyu.2016.02.015

中圖分類號：TH693

文獻標識碼：A

Development of three-layer centrifugal Coin Counting and Sorting Machine by the S7-200PLC

ZHANG Ying，JING Changfu*

(EngineeringCollegeofYanbianUniversity，YanjiJilin133000 ，China)

Abstract：In view of the situation of Coin Counting and Sorting Machine in China, a new three-layer centrifugal Coin Counting and Sorting Machine with good performance and high efficiency was developed, and its structure of main working parts, operating principle and mechanical and electrical transmission design were introduced here. In addition, its motion parameters were scientifically calculated, its mechanical structure was optimized, and its rationality of movement was proved. The actual amount of counting and sorting of this machine was up to 600 coins per minute with classification accuracy of 98.4%, without coin stucking, jamming and loss. As a result, the machine developed could be able to efficiently count and sort coins with different face values.

Key words:PLC; Coin Counting and Sorting Machine; centifugal; development