王 浩，張建軍，竇艷濤，劉志宏

（北京石油化工學(xué)院機械工程學(xué)院， 北京 102617）

近年來， 隨著國家金卡工程的進一步實施和推廣， 電子貨幣將得到更廣泛的應(yīng)用。 從我國當前電子貨幣發(fā)展所處的階段來看， 電子貨幣對現(xiàn)金和活期存款的替代作用較為明顯[1]， 這是一個不爭的事實。 鑒于我國是發(fā)展中國家， 各地經(jīng)濟發(fā)展不平衡， 特別是四線城市以下的大部分縣、 鄉(xiāng)鎮(zhèn)、 村等行政級別較低的地區(qū)， 由于信用卡使用知識的缺失以及長久以來形成的實體貨幣消費習慣， 因此， 現(xiàn)金的流通在一定的時期內(nèi)還應(yīng)該是此類地區(qū)的應(yīng)用主流。 另外， 由于金卡工程的實施， 因此， ATM的應(yīng)用將更加廣泛， 這樣也為錢幣分揀機的推廣提供了發(fā)展空間。 錢幣分揀機有極大的市場需求， 在錢幣的識別、 分類方面， 它能給人們的生活帶來極大的方便[2]。

基于以上綜合考慮， 若能設(shè)計研發(fā)出一種既能廣泛適應(yīng)我國國情， 又能提高紙幣大量流通時的分揀能力， 還能降低人工計數(shù)帶來的高昂成本， 則必將更加有力地推進我國服務(wù)體系的建設(shè)。

本文主要通過采用慧魚技術(shù) （fischertechnik）中慧魚創(chuàng)意組合模型， 對小型紙幣分揀機的機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計進行了介紹。 慧魚創(chuàng)意組合模型集教具和仿真模型于一身， 是科技知識啟迪創(chuàng)新思維訓(xùn)練及創(chuàng)新力開發(fā)的有效載體[3]。 創(chuàng)新是一個民族進步的靈魂， 在教育部實施的 “卓越工程師教育培養(yǎng)計劃” 中， 有培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的要求[4]， 而慧魚創(chuàng)意組合模型恰恰可以為培養(yǎng)創(chuàng)新性人才提供了一個良好的平臺[5]。 本設(shè)計參加了主題為 “服務(wù)社會、 高效便捷、 個性化” 的第七屆全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽慧魚組競賽， 競賽題目要求的設(shè)計內(nèi)容為 “錢幣的分類、 清點、 整理機械裝置”。 本設(shè)計利用慧魚創(chuàng)意組合模型， 完成了小型紙幣分揀機的機械系統(tǒng)設(shè)計和控制程序編制。

1 小型紙幣分揀機的機械系統(tǒng)設(shè)計方案

小型紙幣分揀機是一種基于紙幣分揀機的小型化產(chǎn)品。 其可以實現(xiàn)以下3 個功能： 一是對不同紙幣進行分揀； 二是對已經(jīng)分揀好的紙幣進行收集；三是對收集好的紙幣進行送出。 它通過顏色傳感器識別， 將信號送給電機， 利用電機的正反轉(zhuǎn)來達到分離紙幣的效果。

分離紙幣的具體過程如下： 電機通過控制輪式壓緊傳輸裝置， 實現(xiàn)對紙幣的正向運輸或反向運輸， 正向運輸則實現(xiàn)紙幣的下一級分離， 反向運輸則完成收集任務(wù)， 最終將紙幣收集到相應(yīng)面額的紙幣收集箱， 并通過開關(guān)控制相應(yīng)紙幣收集箱的運出和返回， 方便收鈔。

基于以上所需實現(xiàn)的目標， 該小型紙幣分揀機的機械系統(tǒng)主要由紙幣壓緊裝置、 紙幣送出裝置、齒輪傳動機構(gòu)、 齒輪鏈條傳動機構(gòu)、 多角度可調(diào)式紙幣定位裝置五大部分組成。 整體實物模型圖片見圖1。

圖1 整體實物模型圖片

1） 紙幣壓緊裝置。 該裝置是由板簧機構(gòu)實現(xiàn)的， 由兩組對稱的壓緊輪組成。 在壓緊輪的一個軸向端設(shè)置了一組齒輪傳動機構(gòu)。 通過該機構(gòu)， 可以實現(xiàn)對紙幣的壓緊功能。 通過改變兩組壓緊輪的高度， 還可以對板簧的壓力進行調(diào)節(jié)。 該紙幣壓緊裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理見圖2。

圖2 紙幣壓緊裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖

2） 紙幣送出裝置。 該裝置通過電機帶動齒輪旋轉(zhuǎn)， 齒輪與固定在儲幣箱下方的齒條嚙合， 從而帶動儲幣箱向外平動， 完成紙幣的送出工作。 由于送出的速度和長度可以通過控制電機的轉(zhuǎn)速和改變齒條的長度來實現(xiàn)， 因此， 可以適應(yīng)不同尺寸的儲幣箱[6-7]。 紙幣送出裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理見圖3。

圖3 紙幣送出裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖

3） 齒輪傳動機構(gòu)。 該機構(gòu)可以實現(xiàn)改變電機轉(zhuǎn)動方向的功能， 進而可以實現(xiàn)壓緊裝置的上壓緊輪和下壓緊輪的配合、 分揀機構(gòu)導(dǎo)向輪的配合等功能。 此外， 該機構(gòu)還可以實現(xiàn)對電機進行變速的功能。 齒輪傳動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理見圖4。

圖4 齒輪傳動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖

4） 齒輪鏈條傳動機構(gòu)。 該機構(gòu)通過齒輪鏈條的嚙合來實現(xiàn)， 其特點為傳動時既不改變運動方向又不改變速率大小。 因此， 該機構(gòu)可以在兩級分揀機構(gòu)傳動過程等需要較長距離傳動時， 實現(xiàn)動力傳遞[8-10]。 齒輪鏈條傳動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理見圖5。

圖5 齒輪鏈條傳動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖

2 小型紙幣分揀機的控制系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 總體控制方案

該小型紙幣分揀機以分離收集紙幣為主要目的， 既可以將市面上常見的一些紙幣識別、 分類、收集裝置的功能簡單化， 又可以寓教于樂， 使學(xué)生在動手操作的過程中獲得知識， 了解紙幣分離收集的一些基本原理和操作。

由于不同面值的紙幣， 顏色不同， 因此， 針對市面上常見的復(fù)雜紙幣識別收集裝置， 比如地鐵口和火車站的無人售票機， 本文設(shè)計提出了一些新的想法， 即利用階梯狀的分離結(jié)構(gòu)以及輪式壓緊傳輸機構(gòu)， 配合顏色傳感器， 完成紙幣的分離。

若要既保證機器自身運作穩(wěn)定， 又要使得分離收集效果達標， 那么一套完善的控制系統(tǒng)是十分必要的。 小型紙幣分揀機啟動后， 不同面值的紙幣從投幣口按照規(guī)定路線依次通過100 元顏色傳感器（以紅色調(diào)為主識別值）、 50 元顏色傳感器 （以綠色調(diào)為主識別值）、 10 元顏色識別器 （以藍色調(diào)為主識別器）， 紙幣顏色傳感器通過不同紙幣主色調(diào)確認紙幣種類并產(chǎn)生相應(yīng)信號觸發(fā)控制器， 通過控制器控制相應(yīng)電機旋轉(zhuǎn)， 帶動被識別出的紙幣進入紙幣收集系統(tǒng)， 從而完成紙幣分揀功能。

2.2 各分機構(gòu)控制方案

小型紙幣分揀機的每個動作都是由程序自動控制的。 各元件的名稱與對應(yīng)可實現(xiàn)的功能見表1。

表1 元件名稱及相應(yīng)功能

2.2.1 紙幣分離過程

1） 真假幣識別。 紙幣從投幣口進入， 默認裝置從左向右階梯狀走勢， E1 閉合， M1 一直正向轉(zhuǎn)動， 紙幣進入后M1 帶動壓緊運輸輪正轉(zhuǎn)， 將紙幣運輸?shù)揭患壏謷C構(gòu)X1， 通過特征識別該紙幣真?zhèn)巍?如果符合真幣特征， 則M1 繼續(xù)正轉(zhuǎn)將紙幣運輸?shù)较乱患壏謷C構(gòu)； 如果不符合真幣特征， 則M1 反轉(zhuǎn)使紙幣沿原路返回， 吐出紙幣。

2） 100 元紙幣顏色檢測。 經(jīng) X2 檢測， 符合100 元紙幣顏色， 則進入二級分揀機構(gòu)。 如滿足二級分揀機構(gòu)對100 元紙幣顏色的要求， 則M1 反轉(zhuǎn)將紙幣從一級結(jié)構(gòu)與二級結(jié)構(gòu)的間隔中運出， 收集到相應(yīng)二級100 元紙幣收集裝置中； 反之， 則M1繼續(xù)正轉(zhuǎn)， 將紙幣運輸?shù)絏3， 繼續(xù)檢測紙幣顏色。

3） 50 元紙幣顏色檢測。 經(jīng) X3 檢測， 符合50 元紙幣顏色， 則進入三級分揀機構(gòu)。 如果滿足三級分揀機構(gòu)對50 元紙幣顏色的要求， 則M1 反轉(zhuǎn)將紙幣從二級結(jié)構(gòu)與三級結(jié)構(gòu)的間隔中運出， 收集到相應(yīng)三級50 元紙幣收集裝置中； 反之， 則M1繼續(xù)正轉(zhuǎn)， 將紙幣運輸?shù)絏4， 繼續(xù)檢測紙幣顏色。

4） 10 元紙幣顏色檢測。 以此類推， 直到將所有紙幣分離完成。

5） 分揀計數(shù)。 分揀過程中， 同時開啟 E2，E3， E4， 對相應(yīng)紙幣進行分揀計數(shù)。

6） 完成任務(wù)。 分揀完畢后， 閉合 E1， M1 停止轉(zhuǎn)動， 閉合 E2， E3， E4， 停止計數(shù)， 同時 X1，X2， X3， X4 等停止檢測， 完成紙幣分離任務(wù)。

2.2.2 紙幣收集過程

M5 為減速電機， 安裝在100 元收集裝置下方，裝配有與M5 嚙合的齒條機構(gòu)， 齒條機構(gòu)與100 元收集裝置相連。 待收集的紙幣分離結(jié)束后， 先按動E5， 驅(qū)動 M5 正轉(zhuǎn)， 從而使 100 元紙幣收集裝置運出， 方便取錢。 同理， 再按動 E6， 驅(qū)動 M5 反轉(zhuǎn)，從而使100 元紙幣收集裝置返回工作位置。

與此類似， 先后按動 E7 和 E8， 完成對 50 元錢幣的收集； 先后按動E9 和E10， 完成對10 元錢幣的收集， 程序執(zhí)行完畢[11-13]。

3 小型紙幣分揀機的實驗測試驗證

選用 10 元、 50 元和 100 元 3 種紙幣作為測試對象， 3 種紙幣各取50 張并進行混合， 采用所設(shè)計的紙幣分揀機裝置進行實驗測試， 測試結(jié)果見表2。

表2 紙幣分類實驗測試結(jié)果統(tǒng)計表

由表2 可知， 該紙幣分揀機對3 種貨幣均有較好的識別效果， 其分類準確率超過96%， 總分類完成時間為 66 s， 即識別速率達到 136 張/min， 與人工識別相比有較好的技術(shù)優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計完成的小型紙幣分揀機， 創(chuàng)新性地結(jié)合了階梯狀的紙幣分離結(jié)構(gòu)和電機的正反轉(zhuǎn)特點，通過顏色傳感器的識別和由電機控制的紙幣傳輸裝置的正反轉(zhuǎn)， 從而達到分離紙幣的目的。 同時， 收集裝置可以手動控制運出放回， 實現(xiàn)紙幣的收集功能。 通過實際實驗測試， 證明其具有較好的分類效果。 盡管該設(shè)計的結(jié)構(gòu)、 功能等與實際工程應(yīng)用還有一定的距離， 但該模型的設(shè)計方案及理念對實際紙幣分揀機的設(shè)計仍具有一定的指導(dǎo)意義。