自動(dòng)化臺(tái)式硬幣包裝機(jī)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新與研制擇析

盧宏+都學(xué)飛+林偉明+劉對+況菁

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，硬幣的投放量和流通量不斷增加。硬幣的流通出現(xiàn)了許多社會(huì)問題：硬幣的供應(yīng)量不足，如在超市，火車站等單位經(jīng)常發(fā)生無法找零的問題；在公交公司，地鐵等單位又存在散幣太多不好清理，整點(diǎn)等問題。中轉(zhuǎn)單位銀行的硬幣整點(diǎn)工作量又不斷增加。市場上急需要一種快捷方便的硬幣包裝機(jī)器。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化；硬幣包裝機(jī)；設(shè)計(jì)創(chuàng)新；研制

1 概述

縱觀國內(nèi)外硬幣包裝處理技術(shù)及其設(shè)備研究的發(fā)展趨勢，在朝著多樣、自動(dòng)和小型智能化方向發(fā)展，硬幣包裝機(jī)構(gòu)實(shí)用性的研究與開發(fā)應(yīng)以“簡單實(shí)用、操作方便、安全可靠、成本低廉”為原則。隨著輔幣的硬幣化的推行和硬幣投放量的增加，有更多的銀行儲(chǔ)蓄所、超市商場、公交部門等面臨硬幣處理和規(guī)范化硬幣回籠的實(shí)際問題。同時(shí)，隨著近年來基礎(chǔ)技術(shù)研究的進(jìn)步，此方面的設(shè)備和技術(shù)也面臨著更新?lián)Q代?？梢哉f，開發(fā)出適合我國國情的、性能先進(jìn)、功能完善、符合我國使用標(biāo)準(zhǔn)和使用規(guī)范習(xí)慣的自動(dòng)化臺(tái)式硬幣包裝機(jī)來滿足廣大用戶的需求，是有著重大的現(xiàn)實(shí)意義的，產(chǎn)品也肯定有著廣闊的應(yīng)用前景和良好的經(jīng)濟(jì)前景。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

自動(dòng)化臺(tái)式硬幣包裝機(jī)的應(yīng)用，相比較現(xiàn)有的硬幣包裝技術(shù)，采用了轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)，傳送帶機(jī)構(gòu)，彈簧壓緊機(jī)構(gòu)，滾軸送紙機(jī)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)了硬幣的自動(dòng)整理包裝，并且產(chǎn)品中壓緊裝置模仿車床中頂尖工作原理，使硬幣在壓緊狀態(tài)下能夠保持旋轉(zhuǎn)，同時(shí)送紙機(jī)構(gòu)把紙送到旋轉(zhuǎn)的硬幣表面上，然后完成一系列動(dòng)作，最終實(shí)現(xiàn)硬幣的計(jì)數(shù)，堆疊，包裝等一系列動(dòng)作。

2.1 用總體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

如圖1所示，硬幣通過轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)而落到皮帶上，再由皮帶傳送到集幣筒中，壓好壓緊裝置，把紙送到集幣筒中，硬幣旋轉(zhuǎn)而把其自身包好。

2.2 控制要求

控制轉(zhuǎn)盤電機(jī)正反轉(zhuǎn)，并且自動(dòng)循環(huán)，并且在一定時(shí)間（設(shè)定值）后立即停止。

控制傳送帶電機(jī)在轉(zhuǎn)盤電機(jī)啟動(dòng)前一秒啟動(dòng)，防止硬幣卡在傳送帶上。并且在轉(zhuǎn)盤停止后的一定時(shí)間（設(shè)定值）停止。

控制滾筒電機(jī)在轉(zhuǎn)盤電機(jī)停止后的一定時(shí)間（設(shè)定值）開始啟動(dòng)，啟動(dòng)一定時(shí)間（設(shè)定值）后停止。

2.3 PLC控制程序

（1）控制傳送帶電機(jī)啟動(dòng)以及停止

按下開始按鈕，傳送帶電機(jī)啟動(dòng)，由計(jì)時(shí)器T70控制轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間（初設(shè)值25秒）。

（2）控制轉(zhuǎn)盤電機(jī)正反轉(zhuǎn)以及停止

由計(jì)時(shí)器T63（初設(shè)值1秒）觸發(fā)中間繼電器M1。通過中間繼電器，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，通過調(diào)節(jié)T66調(diào)節(jié)正轉(zhuǎn)時(shí)間（初設(shè)值5秒），調(diào)節(jié)T65調(diào)節(jié)反轉(zhuǎn)時(shí)間（初設(shè)值1秒）。由計(jì)時(shí)器T64（初設(shè)值20秒）或者計(jì)數(shù)器C0（初設(shè)值50）控制轉(zhuǎn)盤電機(jī)總轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間。

計(jì)數(shù)器C0對傳感器輸入信號(hào)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值即錢幣數(shù)目50。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到達(dá)50后，控制轉(zhuǎn)盤電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，觸發(fā)計(jì)時(shí)器T67（初設(shè)值6秒）計(jì)時(shí)，由T67控制滾筒電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，由計(jì)時(shí)器T68（初設(shè)值15秒）控制滾筒電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與創(chuàng)新

3.1 系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1.1 總體設(shè)計(jì)

自動(dòng)化臺(tái)式硬幣包裝機(jī)能否實(shí)現(xiàn)既定的功能關(guān)鍵在于各電機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)各機(jī)構(gòu)能否協(xié)調(diào)穩(wěn)定的工作，因此只有設(shè)計(jì)好各電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸才能合理、協(xié)調(diào)地實(shí)現(xiàn)其功能。

（1）轉(zhuǎn)盤電機(jī)和傳送帶電機(jī)：P=14w，N=110r/min，電機(jī)軸直徑R=7mm，可計(jì)算該電機(jī)的扭矩與扭力。

T=9549P/N=9549×0.014÷110=1.215N·M

F=T/R=1.215÷0.007=173.62N

（2）堆幣筒電機(jī)：P=8w，N=150r/min，電機(jī)軸直徑R=7mm，可計(jì)算該電機(jī)扭矩與扭力。

T=9549P/N=9549×0.008÷150=0.509N·M

F=T/R=0.509÷0.007=72.71N

（3）送紙電機(jī)：P=10w，N=30r/min，電機(jī)軸直徑R=6mm，可計(jì)算該電機(jī)扭矩與扭力。

T=9549P/N=9549×0.01÷30=3.183N·M

F=T/R=3.183÷0.006=530.5N

（4）同步帶：型號(hào)：HTD5M，齒型：T型齒，節(jié)距=5.00mm，帶寬=30mm，齒高=2.06mm，帶厚=3.8mm，周長=595mm，齒數(shù)=119齒，拉伸強(qiáng)度≥160N/mm，參考力：130N/mm（伸長率≤4%），硬度：75±5。

（5）同步輪：材質(zhì)：鋁合金，齒型：HTD5M，齒距：5mm，內(nèi)孔徑：12mm，齒面外徑：39mm，檔邊外徑：44mm。

（6）軸承及軸承座：我們選用標(biāo)準(zhǔn)件：KFL08、KFL000、KFL001。

螺釘：M4，L=15mm，20mm若干；M6，L=15mm，20mm若干，M3，L=15mm自攻螺釘若干。

（7）彈簧：線徑d分別為0.8mm和1.5mm，展開長度L約為80mm和40mm各一根。

（8）亞克力板箱體：拉伸強(qiáng)度65MPa，彎曲強(qiáng)度110MPa，介電和電絕緣性能良好。

3.1.2 強(qiáng)度與剛度校核

自動(dòng)化臺(tái)式硬幣包裝機(jī)對滑箱板與箱體板的強(qiáng)度設(shè)計(jì)沒有特別要求，必然滿足使用條件。對于軸，由于其功率大概14W，徑向剪切應(yīng)力也在許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，對于導(dǎo)桿，其承載了整個(gè)滑箱以及大部分軸的重量。為此結(jié)合此作品的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)要求對導(dǎo)桿件進(jìn)行了校核。

3.1.3 壓緊裝置壓緊力計(jì)算與校核

對壓緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，顯然，筒中硬幣在壓緊前提下能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的條件為壓緊固定圓筒中的彈簧彈力小于堆幣筒電機(jī)輸出的力，首先計(jì)算堆幣筒電機(jī)的輸出扭矩與扭力。

T=9549P/N=9549×0.014÷110=1.215N·M

F=T/R=1.215÷0.007=173.62N

現(xiàn)計(jì)算彈簧下壓的彈力：

由胡克定律可知：F=kΔx

其中：F為彈力，k是勁度系數(shù)，△x是彈簧形變量壓緊裝置中所選用彈簧的部分參數(shù)如下：

上彈簧：線徑d=1.5mm外徑Do=14mm有效圈數(shù)Nc=6

下彈簧：線徑d=1.0mm外徑Do=13mm有效圈數(shù)Nc=13

兩段彈簧所用材料均為碳素鋼，由以上數(shù)據(jù)可計(jì)算彈簧的勁度系數(shù)：

K=G·d4/（8NC·Dm3）

其中：G=線材的剛性模數(shù)，單位N/mm^2（即切變模量）：碳素彈簧鋼絲（如65Mn）以及常用彈簧鋼絲79000；不銹鋼絲71000，硅青銅線G=41000（其他詳見機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第五版）第三卷P11-10）。

d=線徑

Do=外徑

Dm=中徑=Do-d

N=總?cè)?shù)

Nc=有效圈數(shù)=N-2

代入數(shù)據(jù)可計(jì)算得：

K1=（7900×1.5×1.5×1.5×1.5）÷（8×6×12.5×12.5×12.5）=4.27N/mm

K2=7900÷（8×11×12.2×12.2×12.2）=0.501N/mm

上下彈簧壓縮量分別為Δx1=10mm，Δx2=40mm，可計(jì)算上下兩段彈簧總壓緊力：

F壓=F1+F2=k1Δx1+k2Δx2=4.2710+0.50140=62.74N<72.71N

因此滿足機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)條件。

3.2系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)

本系統(tǒng)采用了轉(zhuǎn)盤、傳送帶機(jī)構(gòu)、彈簧壓緊機(jī)構(gòu)、送紙機(jī)構(gòu)及亞克力板箱體等組裝而成，產(chǎn)品長430mm，寬230mm，高364mm，硬幣通過轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)而落到皮帶上，再由皮帶傳送到集幣筒中，壓好壓緊裝置，把紙送到集幣筒中，硬幣旋轉(zhuǎn)而把其自身包好。其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，安全可靠，成本低廉。

（1）使硬幣整理包裝自動(dòng)化，節(jié)省了大量的人力、物力、財(cái)力。

（2）一箱多用，把硬幣的計(jì)數(shù)、堆疊、包裝三個(gè)部分巧妙的集結(jié)在一臺(tái)機(jī)器中，提高硬幣包裝的效率。

（3）該產(chǎn)品中壓緊裝置模仿車床中頂尖工作原理，是硬幣在壓緊狀態(tài)下能夠保持旋轉(zhuǎn)。壓緊機(jī)構(gòu)由圓筒、壓緊軸、彈簧、軸承座、圓形底座等部分組成。由雙彈簧結(jié)構(gòu)組成的壓緊裝置，上部分彈簧控制壓緊，下部分彈簧用于復(fù)位。用一個(gè)小軸承座兩根軸連接，使壓緊裝置可同時(shí)實(shí)現(xiàn)壓緊與旋轉(zhuǎn)的功能。

（4）巧妙利用上下兩段彈簧實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鎖緊和松開功能。

（5）外箱透明，方便攜帶。用鉸鏈連接分瓣式堆幣圓筒，方便硬幣的拾取，節(jié)省了產(chǎn)品內(nèi)部空間。

4 研制方案

為了方便地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)思想，即讓硬幣的計(jì)數(shù)、整理、包裝準(zhǔn)確而有效，機(jī)構(gòu)巧妙簡單，彰顯機(jī)械魅力，作者用到了旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤、帶輪皮帶、彈簧推桿、軸承座、螺紋螺母等構(gòu)件。根據(jù)實(shí)際需求及美觀，提出了以下兩個(gè)方案：

方案一：（圖3）此方案采用了轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)甩幣，再通過皮帶把硬幣帶到漏斗中，使硬幣在集幣筒中堆好，隨后凸輪壓緊機(jī)構(gòu)把堆好的硬幣壓緊，使硬幣旋轉(zhuǎn)起來，送紙機(jī)構(gòu)把紙送到旋轉(zhuǎn)的硬幣上使紙卷在硬幣上完成包裝。

方案二：（圖4）考慮到凸輪的加工成本與壓緊效果的欠缺，所以我們把壓緊裝置由凸輪壓緊裝置改為了利用上下兩段彈簧實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鎖緊和松開功能；為了減小箱體的體積，我們把由原來的移開下硬幣旋轉(zhuǎn)支撐軸，使包好的硬幣落下取出，改為把集幣筒做成兩瓣式的方法，不僅節(jié)省了空間，還為錢幣的取出提供了便利。

本系統(tǒng)目的在于解決現(xiàn)有包裝硬幣技術(shù)中人工計(jì)數(shù)和包裝的缺點(diǎn)。提供一種能實(shí)現(xiàn)硬幣計(jì)數(shù)，堆疊，包裝等一系列動(dòng)作的機(jī)器。該機(jī)器具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，成本低的特點(diǎn)。

本系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)以上目的而提供的技術(shù)方案包括轉(zhuǎn)盤、傳送帶機(jī)構(gòu)、彈簧壓緊機(jī)構(gòu)、送紙機(jī)構(gòu)及亞克力板箱體等組裝而成，產(chǎn)品長430mm，寬230mm，高364mm，硬幣通過轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)而落到皮帶上，再由皮帶傳送到集幣筒中，壓好壓緊裝置，把紙送到集幣筒中，硬幣旋轉(zhuǎn)而把其自身包好。

所述的自動(dòng)化臺(tái)式硬幣包裝機(jī)能實(shí)現(xiàn)硬幣的計(jì)數(shù)，堆疊，包裝等一系列動(dòng)作，具備以下幾個(gè)功能和特點(diǎn)：

（1）能準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)硬幣的計(jì)數(shù)功能；（2）能快速的完成硬幣的包裝功能；（3）具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，安全可靠，成本低廉的特點(diǎn)。

5 技術(shù)路線（圖5）

6 結(jié)束語

傳統(tǒng)的硬幣包裝機(jī)開發(fā)了手工計(jì)數(shù)、包裝一體的技術(shù)，在此基礎(chǔ)上針對現(xiàn)有的硬幣包裝機(jī)存在的問題進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及功能優(yōu)化，研制出能準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)硬幣的計(jì)數(shù)功能，能快速的完成硬幣的包裝功能，具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，安全可靠，成本低廉的特點(diǎn)的自動(dòng)化臺(tái)式硬幣包裝機(jī)，方案科學(xué)可行，技術(shù)路線可操作性強(qiáng)，具有較大的參考價(jià)值。

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作者簡介：盧宏（1990-），男，漢族，江西宜春人，九江學(xué)院助教，學(xué)士，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)與應(yīng)用。