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1、硬币分拣装置的毕业设计 毕 业 设 计（论 文） 硬币分拣装置 Coin sorting device 摘 要 硬币分拣装置是一种自动分拣各类币种硬币的装置，该装置利用三种直径的分拣孔进 行分拣，该装置主要包含动力驱动单元，硬币分离单元，硬币处理单元，硬币输送单元和 硬币计数单元。在所述硬币输送单元端分别对应着各种的硬币储币单元。 该硬币分拣装置是一种智能化金融装备，集硬币币种分拣、排放、计数等功能于一体， 该装置每分钟能处理 150 枚硬币，是人工处理能力的 50 倍，能有效、便捷地解决当前银 行、公交汽车公司、商场等部门清点硬币花费大量人工时间及成本的难题。适用于大量硬 币需要分拣计数的场
2、合，该装置性能价格比高，满足经济性要求。 关键词：硬币 分拣 计数 Abstract The Coin Sorting Device is a kind of automatic sorting all kinds of coin of the device .The principle of the device is using three diameter sorting hole for sorting coins ，which is consisted of the driving unit , vibrating screen unit ,coins separation unit
3、, the coins processing unit ,the coins conveying unit and the coins counting unit . This device is an intelligent financial equipment ,which sets coin currency sorting, emission, counting functions in one body 。This device can sort 150 coins every minute, which efficiency is 50 times of humans work.
4、 So it can solve the artificial problems of spending a lot of time and the cost to count coins in the current bank, the bus automobile company and the shopping malls department effectively , conveniently. The device can be used for large numbers of coins which are need of sorting packaging occasion
5、. This device is cheap but also useful, it meets the economy requirements . Keywords ：Coin Sorting Counting 目 录 摘要 Abstract 第 1 章 绪论 1 1.1 硬币分拣装置的发展 1 1.1.1 硬币的发展 1 1.1.2 硬币分拣技术的发展与分类 1 1.2 中国硬币概况2 1.2.1 中国硬币体系2 1.2.2 中国硬币材料3 1.3 国内外硬币清分机发展现状 3 1.3.1 国内硬币清分机发展现状 3 1.3.2 国内硬币清分机发展现状 3 1.4 硬币分拣装置的课题背景
6、 4 1.5 硬币分拣装置的特点 4 第 2 章 硬币分拣装置的总体方案 5 2.1 硬币分离方案 5 2.2 硬币计数方案 8 第 3 章 传动部分设计 10 3.1 电动机选型 10 3.2 V带传动设计 11 第 4 章 分拣盘的设计 16 第 5 章 传动轴结构设计 18 5.1 轴的设计 18 5.2 轴的结构设计 18 第 6 章 扰臂装置的设计20 第 7 章 硬币导槽的结构设计21 第 8 章 硬币分拣装置的机架设计22 第 9 章 储币筒的结构设计23 第 10 章 技术部分电路设计24 10.1总体思路与结构框图24 10.2计数部分电路图25 结论 26 参考文献 27
7、第 1 章 绪论 1.1 硬币及其分拣技术的产生和发展 1.1.1 硬币的发展 中国是最早使用货币的国家之一，使用货币的历史长达五千多年之久。中国 古代在形成和发展的过程中，先后经历六次重大的演变。 在近代，随着外国技术的进入和发展，出现了使用机器制造金属硬币的技术， 利用金银等来制造硬币也得到了迅速的发展，尤其是银币更是得到了广泛的使用 和认可。后来，由于金银的价格日趋昂贵，渐渐出现了利用纯镍和铜镍合金来制 造硬币的方法，以作为银子的替代物。如今，世界各国用于制造硬币的金属材料 越来越广泛，除了传统的金和金合金、银和银合金、镍和镍合金、铜和铜合金、 铝和铝合金之外，也出现了镍铁复合材料、铜铁
8、复合材料、钢芯镀镍材料、钢芯 镀铜材料、锌芯镀铜材料等，这些材料统称为包复材料。 1.1.2 硬币分拣技术的发展与分类 硬币分拣计数技术出现以来不只是应用在公交车投币系统中，也应用到了自 动售货机、自动投币饮水机、投币游戏机等设备中。硬币识别器的种类也是种类 多样，发展也是越来越先进，硬币识别器的技术已经成熟，采用传感器技术与光 电子技术和电磁技术对硬币的几何参数和材质进行检测使得识别器达到了很高 的精度。 在我国，硬器配套使用的仪器和设备数量庞大且种类繁多。然而硬币识别器 的种类并不多，硬币识别器是主要还是以其所需检测硬币的特性进行分类的：最 常见的硬币识别器有：单一式硬币识别器和复合式硬币
9、识别器。单一式硬币识别 器可分为几何参数识别器、材质识别器。几何参数识别器主要是检测硬币的直径 与厚度，在此类硬币识别器的发展过程中直径的检测方法有了新的改进，老式的 识别装置用光电管队列来识别直径，如果排列组合得当的话，识别精度也不低于 0.5mm。现在改进后的识别器都用偏心或异型线圈来测量，依据是直径小的硬币 与线圈的重合部分也少，由此也带来频率变化的不同。 1.2 中国的硬币概况 1.2.1 中国硬币体系 中国至今发行了四套硬币，第三套流通硬币是对第二套流通硬币的更新、替 代和调整。第三、四套硬币与继续流通的第一套流通硬币共同形成了我国比较完 整的硬币系列。目前我国硬币分为 1 元，5
10、角，1 角，2 分，1 分六种面值。 1.2.2 中国硬币材料 中国硬币材料采用铝镁合金，这种材料适合制造低面值硬币。1980 年改用 铜镍合金（即白铜），但由于铜镍合金资源有限，经过专家论证，于 1992 年的 1 元硬币改用铜芯镀 镍，同大量采用低碳钢而降低成本。5 角硬币则用铜芯合金 板材冲压而后经过滚边、光饰单位那个处理技术，使表面明亮光泽、典雅清晰。 现行流通的硬币以钢芯镀合金为主，具有色泽光亮，不易锈蚀等特性。 1.3 国内外硬币清分机发展现状 1.3.1 国外硬币清分发展现状 硬币分拣装置至今有多年的历史，到今天为止，相关的硬币分拣装置已具有 了可靠的传动系统和成熟的计数功能，其
11、智能化分拣功能的设计能够很好地解决 硬币清点的困难。国外做硬币分拣比较著名的厂家有日本的荣光和瑞典的 SCANCOIN AB。由于国外硬币分拣机起步比较早，如今其技术也相对比较完善 和成熟。国外所制造的硬币分拣机技术具备了噪声小、传动平稳、装置性能可靠 等优点；计数功能采用光敏传感器，具备功能齐全，操作更简便等优点；带有数 字显示屏，能够进行可视化设计，且可以全面显示硬币的数量等信息。 1.3.2 国内硬币分拣装置现状 硬币分拣机在我国的市场前景：随着我国国民经济持续快速增长，从本 世纪开始，我国开始进入了全面建设小康社会的新阶段，创造和谐的生活环境是 金融行业发展的巨大推动力。我国第四版人民
12、币的发行，辅币（1 元，5 角，1 角）的硬币化已经成为一种趋势，硬币的投放量还将会大幅度增加。但是由于大 量数量的硬币的手工分拣工作成本大，耗费大量人力，且人为的误差多，因此硬 币分拣自动化将会成为迫切的社会需求，所以硬币分拣机将会成为国内金融市场 的一个必备的金融机器。 硬币分拣机在国内的生产：在国内，清华大学、北京科技大学、上海交 通大学、杭州电子科技大学、以及福州大学等多家科研单位均对正确快速地分拣 硬币做过了深入的科研研究，在原理上多是采用了电涡流法。这些单位的研究在 可能涉及的硬币范围内取得了相对比较好的成果，但对硬币的鉴别都局限于所做 的项目本身，仍然存在着不够全面系统、不够完整
13、等部分问题。 硬币分拣机是对大量且杂乱的硬币进行识别分拣、分别计数、整齐码放 的一个完整的系统。分类机、计数器、包装器等众多硬币处理机械是该装置的重 要基础。由于各国的国情和货币体系均不同，研制各国统一的硬币清分机器并不 现实，因此，还是需要针对不同的货币体系研制改过对应的分拣机器。 在硬币分拣这个领域里，国外研究者较早地开展了相关的研究工作，并且做 出了大量的工作。开发的产品大致也分为三个档次：低档、中档以及高档。低档 分拣机器的分拣速度在 400 枚/min 以下，中档分拣机器分拣速度为 4001000 枚/min 左右，高档分拣机器分拣速度则在 1000 枚/min 以上。所使用的清分方
14、法 上主要有两大类，一类是根据硬币的物理特性指标进行分拣，另一类是根据硬币 性能指标进行分拣 1.4 硬币分拣装置的课题背景 众所周知，硬币作为一种流通货币，在一个国家金融系统中是不可缺少的重 要组成部分。它相比较纸币而言，规格统一，不易磨损更重要的是可以长时间的 使用流通，因此，硬币在世界各国得到了广泛的运用。我国至今为止一共发行了 过 4 套硬币，随着时代的不断发展，硬币在自动售货机，公交车等场合的广泛运 用，数量庞大的硬币的后期整理分类工作成为了一个不小的麻烦，一方面硬币种 类杂乱，需要一一识别；另一方面，分拣工作需要大量的人力，耗时费力。目前 银行等相关机构的手工分拣硬币的方法已经不能
15、满足大量硬币处理的要求。鉴于 此需要，设计了用于解决上述问题的硬币分拣装置。 硬币分拣装置是作为一种在金融行业设备中的用于分拣硬币并计数的装置， 它的主要功能是硬币币种的清分和总硬币书目的计数。主要针对于超市、公交公 司，零售业等行业。硬币清分机外型简单大方，设备原理简单清晰，操作简单。 硬币清分机的最大优点在于它不仅可以清点硬币的数目，更能将各币种清分开 来。 1.5 硬币分拣装置的特点 硬币枚数和总金额显示，可查询每一种硬币的个数和金额。 预置分拣储币筒，设定清分个数，达到预置个数后机器自动停止，显示 达到枚数和金额。 可通过轻触控制面板来实现对机器的启动、停止，便于人工操作。 主要使用范
16、围：人民币硬币 1 元、5 角、1 角。 装置具备硬币包装单元，能对分拣过的硬币进行后期的包装。 装置可实现可重构，根据币种的直径跟换不同的分拣盘，能实现对多类 硬币的分拣工作。 第 2 章 硬币分拣装置的总体方案 硬币分拣装置的总体方案设计主要是从硬币的分离、计数等方面进行全面综 合考虑。 2.1 硬币分离方案： 方案一：每次处理单个硬币 具体的分离步骤如下： 驱动电机启动后，电机带动离心盘做高速旋转的运动，离心盘上的杂乱 无章的硬币会在离心盘上做离心运动，需要分拣的硬币会向离心盘边缘运 动，落入四个储币筒中，因此，需要分拣的大量硬币会在储币筒中自动堆立 成有序的四堆硬币堆（包含一元，五角，
17、一角）。 再利用储币筒下部的扰臂装置的旋转，每次带出一枚硬币，硬币随着扰 臂装置的旋转，每次将各个将储币筒中带出一枚硬币，再落入预先设置的对 应币种的分拣筒中，并实现各个硬币筒的计数功能以及显示总硬币金额数。 其装置简图如下： 方案二：多个硬币同时分拣 具体的分离步骤如下： 首先混币通过入币口，进入到硬币分拣系统装置的分拣系统中，再通过入币 口后，硬币主要落在分键盘中心附近出（目的在于防止5 角，1 角硬币在初进入 分离盘便进过分键盘边缘的一元硬币分拣孔流出）。 混币进入到图中所示的分离盘，在第层分键盘上有若干直径为 22mm 的分 拣孔，因此在装置启动后，5 角，1 角的硬币便会经过分拣孔落
18、入到层分键盘。 因此， 1 元的硬币和其它币值的硬币就区分了出来。 同理，在层分键盘上也 有若干直径为 19mm 的分拣孔，1 角硬币会经过这些分拣孔进入层分键盘，因 而，5 角和 1 角的分拣盘便自动区分开了。 其工作原理如下：启动电动机，电动机带动扰动装置转动，则层分离盘中 的硬币由于扰动装置的作用作离心运动，5 硬和 1 角硬币开始被拨到层，层 分键盘中，从而对不同直径的硬币进行分离，依次分离 1 元，5 角，3 角的三种 硬币。其装置简图如图 1 所示： 方案对比： 方案一基本原理主要是利用高速旋转的离心盘讲杂乱无章的硬币通过在离 心盘上的离心运动将需要分拣的硬币堆立成有序的四堆硬币堆
19、（包含一元，五角， 一角）到储币筒中，再利用储币筒下部的带分拣孔的分拣盘的旋转，每次将各个 将储币筒中带出一枚硬币，再落入预先设置的对应币种的分拣筒中。 方案二基本原理主要是利用三种硬币的不同直径进行分拣，通过三层分拣盘 上不同的结构，将杂乱无章的硬币一层一层地分离，直至三类币种全部分开并由 滑道进入对应的储币筒中。 方案一、二，均是利用各种硬币的直径的不同进行分拣，但是，方案一分拣 效率与方案二的分拣效率相比，方案一的分拣效率要低，同时方案一的装置需要 较高的转速使硬币做离心运动，而方案二则仅仅需要扰动臂以降低的转速对硬币 堆进行扰动。因此，相对于装置一，装置二需要的驱动力小，且传动机构简单
20、、 紧凑。 同时，为了实现硬币的计数功能，由于装置一的储币筒有对应三类硬币的储 币筒各四个，使整个装置结构变得复杂，装置成本更高，而装置二只有三个对应 三种币种的储币筒，结构简单、紧凑，且成本要低，更易实现预期的功能。 综合以上分析，选用装置二的设计原理为本装置的主要原理。 2.2 硬币计数步骤： 光敏二极管和光敏三极管的对比： 光敏二极管在没有受到光照时，反向电阻很大，反向电流却很小，反向电流 就暗电流。当光照射到其时，光子打在 PN 结附近，使 PN 结附近产生光电子空穴 对，这些光电子和光生空穴在 PN 结的闪电场作用下，会作定向运动，形成光电 流。光的照射越强，光电流越大。因此，在不受
21、光照射时，光敏二极管处于截止 状态，而受光照时，光敏二极管处于导通状态。 光敏三极管具有 PNP 型和 NPN 型两种，其结构和一般三极管相似。，仅 仅只是它的发射极一般做的很小，以扩大光的照射面积。 当光照射到 PN 结附近时，使 PN 结附近产生光生电子空穴，它们在 PN 结内电场的作用下，做定向运动形成光电流，因此,PN 结的反向电流大大增加。 由于光照射发射结产生的光电流相当于三极管的基极电流，因此，集电极电流时 光电流的倍，则光敏三极管比光敏二极管有更高的灵敏度。 本装置是采用光敏传感器作为基本的传感器来实现计数的，计数部分以光 电三极管作为装置中的检测元件，当分拣后的硬币陆续经过导
22、槽到达指定储币筒 口处，储币筒口处的光敏传感器的接受端会收到光信号，通过一枚硬币就会收到 一个光信号，通过 N 个硬币就会接收到 N 个光信号，对应在输出端也会输出 N 个脉冲信号。之后使用一单片机对输出的电脉冲信号的下降沿进行计数，并且通 过 LED 数码显示管将分拣后的硬币的计数最终结果在显示屏上显示出来。 第 3 章 传动部分设计 3.1 电动机的选型 考虑到设计的硬币分拣装置的使用对象是零售行业，公交公司，银行业以及 个体商户等等。故选用 220V 电源电压，再考虑到装置所承受的载荷不大，所需 动力也不是很大，。而且转速也不需要很高，故选用直流减速电机。 综合各方面因素，选用 J-55
23、ZYT-PX 系列直流减速电机。 JSZ（ZYT）PX 系列微型直流减速电动机，分别由 SZ ZYT 系列直流电动 机与 PX 型普通精度行星减速器构成，能够实现无级调速，同时，其调整范围宽、 体积小、重量轻、效率高、结构紧凑、广泛使用于各类机械产品中。比如：印刷 机、塑料平封机、食品包装机、输油管道保暖检测装置、焊接设备以及其它需要 低速高转矩、无级调速的驱动装置，所配电源采用脉宽调制技术，使电动机转速 实现无级变速等优点。 J-55ZYT-PX 系列直流减速电机电动机的主要参数： 型号: J-55ZYT-PX 电压:27V 功率:29W 外形尺寸:72 72 199 电动机的安装方式： A
24、3 法兰安装 电机外形如图： 3.2 V带传动的设计 带传动的主要优点：带传动的中心距比较大 传动带是弹性体结构，具有能缓冲，吸振，传动平 稳，噪声小的特点 带传动的结构简单，成本低，装拆比较方便 带传动在发生过载时，带会在带轮上打滑，能够防 止其他零件发生损坏 综上，该装置的动力传动系统以带传动为主。 电动机V 带轮的设计 主轴 V 带轮的设计 3.2.1 、V 带轮的设计要求 设计 V 带轮时应满足的要求有：质量小；结构工艺性好，无过大的铸造内 应力，质量分布均匀，转速高时要经过动平衡，轮槽工作面要经过精细加工（表 面粗糙度一般应为 3.2 ）以减带的磨损，各槽的尺寸和角度应保持一定的精度
25、， 以使载荷分布较为均匀等。 3.2.2 、带轮的材料 此处带轮的材料，采用铸铁，材料牌号为 HT200 。 3.2.3 、 V 带轮的结构 铸铁制 V 带轮的典型结构有以下几种形式： 实心式 腹板式 孔板式 椭圆轮辐式. 当带轮的基准直径dd 2.5d 时，可采用实心式； dd 300mm 时，可采用腹板式； d ? d 100mm 时，可采用孔板式）； 1 2 dd 300mm 时，可采用轮辐式。 3.2.4 、 相关计算 已知电动机的额定功率为29KW,转速 n 83r/min,选取传动比为 i 2,采用普 1 通 V 带传动. 1.确定计算功率 P c 由参考资料1表 8-6 查得工作
26、情况系数 KA 1.1,故 Pc KA P 1.1 29 31.9W 2.选取带型: 根据 Pc ，n1 由参考资料1图5-9 确定选用 Y 型 3.确定带轮基准直径 由4表 5-10 取主动轮基准直径 d d 1 20mm 则从动轮基准直径 d d 2 i d d 1 2 20 40mm 根据参考资料1表 8-7 取 d d 2 40mm 按参考资料1式 8-13 验算带的速度 dd 1n1 20 83 V m/s 0.087 m/s 35m/s 60 1000 60 1000 带的速度合适 4.确定 V 带的基准长度和传动中心距 根据 0.7 dd1+dd2 a 0 2 dd1+dd2 ,
27、 即42 a 0 120 初步确定中心距 a 0 80mm 根据参考资料4式 5-20 计算所需的基准长度 40 ? 20 2 L d 2 a + 20+40 + 254.6mm 0 2 4 250 根据参考资料4表 5-2 选取带的基准长度 Ld 250mm 由参考资料4式 5-21 计算实际中心距 a a 0 + Ld -Ld /2 80+ 250-254.6 /2 77.7mm 5.验算主动轮上的包角 a1 由参考资料4式 5-6 ,得 dd 2 ? dd 1 a 180- 57.5 1 a 180- 40-20 57.5/77.7 165.2 120 主轮上的包角合适 6.计算 V 带
28、的根数 Z 由参考资料4式 5-22 知 P ca z P + P K K 0 0 d l 由n1 83r/min, dd1 20mm, i 2 查由参考文献4表 5-3 和参考文献4表 5-4, 得 P 0.03kw, P 0.0061kw 0 0 查参考资料4表 5-8,得 K 0.9 查参考资料4表 5-6,得 K 0.84 L 0.029 则z 1.074 0.03 + 0.0061 0.9 0.84 取 z 1 式 5-22 中 K 包角系数 K 长度系数 l P 0 单根 V 带的基本额定功率 P 计入传动比的影响时,单根 V 带额定功率的 0 增量 7.计算预紧力 F 0 由参考
29、资料4式 5-23 知 P 2.5 2 ca F 0 500 ? 1 + qv zv K 查参考资料4表 5-4, 得 q 0.06kg/m,故 0.0319 2.5 2 F 0 500 ? 1 + 0.06 0.087 311.8N 1 0.087 0.9 8.计算作用在轴上的压轴力 F p 由参考资料4式 5-24 , 得 d 165.2 1 F z 2 1 311.8 sin 618.4N 2 F sin p 0 2 2 五 、带轮的结构设计 带轮的结构设计，主要是根据带轮的基准直径选择结构形式，根据带的截 型确定轮槽尺寸，参考文献4表（5-10 ），带轮的其它结构尺寸可参照参考文献 1
30、图（5-12 ）所列经验公式计算，确定了带轮的各部分尺寸后，即可绘制出零件 图，并按工艺要求注出相应的技术条件等。 由以上的计算可知：电动机的V 带轮选实心式；主轴 V 带轮选腹板式。 六 、V 带轮的结构参数 V 带轮的轮槽尺寸 V 带轮的结构参数如表： 第4章 分拣盘的结构设计 本装置主要利用币种不同的硬币在直径上的区别，通过直径不同的分拣孔进 行分拣，为使装置分拣功能能够更精确，装置采用三级分拣，即在每层分拣层分 拣出一种硬币，最终实现对三种币种的硬币进行分拣，装置依次分拣一元、五角 和一角的硬币。 分键盘 1： 分键盘 1 主要是实现对 1 元硬币的分离功能，在分键盘 1 上有若干直径
31、为 22mm 的分拣孔以及一个直径为出币口，在分拣盘上有一个斜面，斜面的前半部 分有五个直径为 20mm 的分拣孔，主要防止在杂乱无章的硬币做离心运动的过程 中，一角和五角的硬币会通过 1 元硬币出币口通过，进而出现分拣工作的失败， 因此，改结构设计可以使经过扰动装置处理后，平摊在分键盘上的硬币（可能包 含 1 元，5 角，1 角）在向 1 元出币口运动过程中，1 角和 5 角的硬币会在到达 出币口前，会通过分拣口落入到后续的分拣盘上，保证分拣工作的精度。 分键盘 1 的结构图如下： 分拣盘 2： 分拣盘 2 主要实现对 5 角硬币的分拣，在经过了分拣盘 1 的分拣后，1 角和 5 角的硬币会
32、落入到分拣盘 2 上，分键盘 2 上有若干直径为 20mm 的分拣孔以及 一个直径为 21mm 的 5 角硬币出币口。 分拣盘 2 具体结构如下： 分拣盘 3： 进过分拣盘 1,2 的分拣后，落入分拣盘 3 上的只有 1 角硬币，因此，分键盘 3 上仅有一个直径为 20mm 的 1 角硬币出币口。 分拣盘 3 结构如下： 第 5 章 传动轴的结构设计 5.1 初步确定轴的直径和材料： 先初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为 45 号钢，调质处理。取 A0 10。 5.2 轴的结构设计： 1 拟定轴上零件的装配方案 为使装置的结构更加简单，考虑到具体的轴上各零件的安装细节，先将轴的固定 采取“一端固定，一端支撑”，现选用如图所示的装配方案： 2 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 为了满足扰臂装置的周向和轴向定位要求，上半轴需加工出三个定位孔，从 而使用三个开口销对扰币装置进行固定。 左端用轴端挡圈定位,按轴端直径取挡圈直径 D8mm。 初步选择滚动轴承。选用深沟球轴承。参照工作要求，下端滚动轴承采用轴 肩进行定位。