公交系統(tǒng)錢幣分類整理機的設計與實現(xiàn)

劉人菊，陳胡，黃梅鵬，郝曉曦

（五邑大學 智能制造學部，廣東 江門 529020）

城市交通業(yè)務的迅速增長使得硬幣和小額紙幣在公交等民生領域快速流通. 據(jù)統(tǒng)計，某市市區(qū)公交車輛每天900多個班次，每日零錢在35萬元左右，其中紙幣占比91.2%，硬幣占比8.8%. 對點鈔員而言，每日需要定時將成堆的零鈔倒在桌面上，按照不同幣種和面值加以分類，清理出破損和太舊的鈔票，并把已計數(shù)的紙幣、硬幣分別收納. 這項工作勞動量大、效率低下[1]. 因此，研究一套錢幣自動化分揀裝置就具有較大的經(jīng)濟價值與市場需求.

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，對小額幣種清分工作的既有探索，通常是對紙幣和硬幣分別研究[2-7]，如趙靜等[5]采取傳送帶加低頻振動方式分揀硬幣，并通過硬幣質(zhì)量與電阻應變片的對應關系設計了硬幣計數(shù)方式；韓書葵等[6]分析了傳統(tǒng)硬幣分離方法的不足，提出了利用硬幣尺寸和質(zhì)量差異的關系重新設計了分揀機構(gòu)；茍春艷等[7]采用厚度測量技術(shù)和PLC編程對紙幣清分機開展設計. 而針對紙、幣混合輸入問題的研究內(nèi)容不多，本文利用紙幣、硬幣的不同物理特性，在梳理小幣種設計的基礎上，設計一款新型錢幣分類整理機以便二者快速分類整理.

1 總體方案與模塊設計

本文設計的錢幣分類整理機擬實現(xiàn)以下功能：

1）分揀功能，能夠高效實現(xiàn)對硬幣、紙幣的完全分離.

2）硬幣面額清分計數(shù)，能夠分類1元、5角、1角硬幣，快速對其單獨計數(shù)與總額計數(shù).

3）紙幣殘缺清分，能將皺褶、成團、殘缺等無法進行機械分揀的紙幣分類輸送到殘缺幣收納盒中.

4）紙幣整理收集，可以將散亂的展平紙幣震動拍打整理成沓，然后收集到預定錢箱中.

為實現(xiàn)以上功能，錢幣分類整理機需具有錢幣分揀、硬幣分類計數(shù)和紙幣整理3個功能模塊. 其三維結(jié)構(gòu)如圖1所示：分揀模塊由風源裝置、分離滑道裝置、滾筒控流裝置組成；硬幣分類計數(shù)模塊主要由底座、擋圈、旋轉(zhuǎn)盤、固定盤、滑道、電機等部件組成；紙幣整理模塊包括震動傾斜簸箕裝置、拍打整理裝置和彈簧錢箱.

圖1 錢幣分類整理機的三維圖

具體工作流程：紙幣、硬幣混合物進入機體，經(jīng)過分揀模塊，在滾筒控流裝置和氣流裝置的作用下，沿分離滑道實現(xiàn)紙、幣分離，同時控制硬幣分流速度；硬幣經(jīng)由分離滑道裝置進入硬幣計數(shù)分類模塊，通過設計的硬幣清分機構(gòu)，在離心力的作用下實現(xiàn)硬幣分類，同時由安裝在滑道上的光電傳感器實現(xiàn)硬幣計數(shù)[8-9]；當紙幣進入紙幣整理模塊時，根據(jù)氣流在不同紙幣狀態(tài)（如團狀、展平狀等）下的作用力差異，實現(xiàn)對紙幣的篩選，再利用機械手將紙幣移入振動簸箕口對紙幣作初步整理，并由拍打裝置整理紙幣，最后將整理好的紙幣壓入錢箱收集裝置.

1.1 分揀模塊

如圖2所示，本模塊主要由風源裝置、分離滑道裝置、滾筒控流裝置（包括紙幣控流和硬幣控流）組成. 滾筒控流裝置輪固定在箱體中，由減速電機帶動，并采用延時正反轉(zhuǎn)控制，目的是將紙幣、硬幣打散，以便下一步工作臺的操作，同時起到控制紙幣流量的作用；硬幣控流裝置是十字架導輪在電機的帶動下經(jīng)過四級齒輪減速實現(xiàn)硬幣控流，其與硬幣整理模塊反饋聯(lián)動，以最大程度保證硬幣整理模塊的連續(xù)性與穩(wěn)定性.

圖2 紙、幣分揀模塊

1.2 硬幣分類、計數(shù)模塊

硬幣整理功能采用相對運動的雙盤結(jié)構(gòu)，利用硬幣的直徑大小差異，上面旋轉(zhuǎn)盤開孔，下面固定盤開槽，一動一靜實現(xiàn)硬幣的分離. 圖3為硬幣清分機構(gòu)模型. 清分時，啟動電機，將硬幣倒入旋轉(zhuǎn)盤中，由擋圈擋住防止溢出，電機帶動旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)盤上的硬幣在硬幣孔中繞圓盤中心做圓周運動，不同種類的硬幣依次通過相應的漏幣槽掉落到滑道上，繼而進入各自的硬幣收納盒中，實現(xiàn)硬幣清分. 同時安裝在滑道上的光電傳感器會在單片機的控制下進行計數(shù). 調(diào)整電機轉(zhuǎn)速和固定盤傾角，可使硬幣計數(shù)速度達到預定要求.

圖3 硬幣清分機構(gòu)模型

1.3 紙幣整理模塊

為解決前一模塊輸出紙幣凌亂的現(xiàn)象，本機構(gòu)通過機械手抓取紙幣，經(jīng)過震動簸箕一級初整理，二級拍打整理，將紙幣放入錢箱收集裝置并歸疊整齊.

震動簸箕如圖4所示. 紙幣進入大口后，在雙偏向輪的作用下實現(xiàn)YOZ平面的平動與X軸的左右震動，逐步沿著簸箕斜面徐徐到達簸箕小口，并在簸箕的震動與側(cè)沿的規(guī)整下初步整理堆疊.

圖4 震動簸箕裝置結(jié)構(gòu)

簸箕固定方式為鏈懸掛，此設計有利于在擺動空間范圍內(nèi)運動的協(xié)調(diào)、穩(wěn)定與運動干涉的解除. 法蘭導桿設計為U型叉狀，叉內(nèi)放置U槽滾動軸承，法蘭盤偏心放置光桿導桿（導桿2），導桿2通過直線軸承與U槽滾動軸承內(nèi)孔配合，這樣，在U槽滾動軸承中心點處YOZ平面內(nèi)就多了兩個自由度，解決了與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動的干涉問題. 簸箕前端鐵鏈懸掛于機架上，后端懸掛鐵鏈通過兩個直線軸承固定于光桿導桿1上，這樣，通過直線軸承在光桿導桿1的X軸方向上產(chǎn)生一個滑動自由度，用以克服法蘭盤轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的滑動干涉.

經(jīng)震動簸箕初步整理后，通過一對錐齒輪連接兩根正反牙絲桿實現(xiàn)絲桿上與法蘭固定的拍板的連續(xù)拍打動作，以此模擬人類手動整理錢幣的拍打動作，達到紙幣層疊可推進錢箱的整齊度要求.

2 控制模塊設計

本系統(tǒng)控制模塊分兩部分，一部分是通過MCU控制的硬幣分類計數(shù)系統(tǒng)，它由紅外傳感器、數(shù)碼管、電機、單片機及電源組成，完成硬幣整理、計數(shù)、顯示的功能[10-12]；另一部分由PLC作為主控制器，通過接近開關產(chǎn)生輸入信號，PLC利用繼電器帶動步進電機、減速電機、氣缸電磁閥動作[13-14]. 控制流程如圖5所示：首先進行初始化程序，并為各結(jié)構(gòu)功能上電，分揀模塊由電源驅(qū)動滾筒、渦輪風機工作，待紙、幣分流之后，由光電傳感器檢測分類后硬幣的數(shù)量，在單片機內(nèi)部進行數(shù)據(jù)處理，將結(jié)果呈現(xiàn)在顯示管上；紙幣整理部分，以接近開關作為檢測信號輸入端，將產(chǎn)生的脈沖信號傳遞給PLC，PLC通過設定好的邏輯動作驅(qū)動氣缸電磁閥帶動機器手完成紙幣夾取、釋放、復位等動作，在步進電機和減速電機的作用下，完成紙幣初步整理和二次整理動作，并在氣缸力的動作下將捆綁好的紙幣推入收納箱中；最后等待是否結(jié)束命令，否則，繼續(xù)重復之前動作流程.

圖5 控制程序流程

3 性能分析

3.1 滑道參數(shù)分析

硬幣在重力作用下沿著斜面滑向底端出幣口，過程分析與模型如圖6所示.

圖6 硬幣滑行分析

設硬幣重力為G，滑板與水平面成角為θ，硬幣與斜面摩擦力為f，硬幣對斜面正壓力為NF，建立正交坐標系. 滑道材料為拋光鋼板，硬幣材料為合金，移動時摩擦系數(shù)μ為0.1～0.3，取0.3，可得：

當F‖＞f時，硬幣自由滑落.

整理可得：θ＞arctanμ，即θ＞16.7°.

考慮到實際情況，氣流、塵屑等影響，安全系數(shù)a取1.3，則

多次試驗結(jié)果表明，當滑板與水平面角度為22°時，硬幣滑行狀態(tài)最理想，此時紙幣也能在表面氣流的作用下騰空飛出滑道口. 從設計柔性的角度出發(fā)，滑板傾斜角設計為可微調(diào)傾角，角度在20°~25°，以適應各種實際情況下的具體要求.

3.2 震動簸箕參數(shù)分析

對紙幣整理模塊的關鍵環(huán)節(jié)——震動簸箕進行參數(shù)分析，由表1可知：1）隨著震動頻率的提高，震動整理效果逐步理想，但過高的頻率會產(chǎn)生震動過激現(xiàn)象. 2）當頻率處于中間值時，隨著轉(zhuǎn)盤偏心距e增大，整理效果也有所改善；當偏心距e超過20 mm時，隨著頻率提高，震動過激也會產(chǎn)生. 3）有無微風對橫向紙幣卡死問題影響較大，震動頻率較高并伴有微風氣流時，不再出現(xiàn)卡幣現(xiàn)象. 4）整理效果顯著的條件是震動頻率中高、轉(zhuǎn)盤偏心距1620 mm～ 、法蘭偏心距15 mm.

表1 震動簸箕部分實驗數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

與現(xiàn)有的公交投幣機構(gòu)相比，本設計在集合錢幣的基礎上，可將錢、幣高效分離整理，省去人工整理分類錢幣的步驟，提高了效率. 實踐發(fā)現(xiàn)：

1）本設計在分類錢、幣方面，正確率95%左右.

2）可對硬幣單獨計數(shù)與總額計數(shù)，且計數(shù)速度達到100枚/min.

3）能分離展平團卷的紙幣，對可堆疊紙幣能實現(xiàn)自動堆疊、入箱.

本設計仍有分類錯誤的可能性，例如潮濕的紙幣會粘連在滑道上、硬幣記數(shù)出現(xiàn)漏檢等等. 在未來可以通過視覺系統(tǒng)將分類錯誤的錢幣檢查并篩選出來，以提高準確率. 本設計操作簡便、自動化程度高，為當前錢幣自動分揀提供了一種新方案.