离心式硬币分拣机说明书

第七届全国大学生机械创新设计大赛
参赛作品说明书
作品名称：离心式硬币分拣机
设计者：方之遥黄雪昆谢玉霞管彦鹏安邦宇
指导教师：杜春平黎向荣
参赛单位：桂林航天工业学院
2016年04月12日
目录
作品内容简介 (3)
1研究的背景及意义 (3)
1.1研究背景 (3)
1.2作品的设计思路 (3)
1.2.1项目研究的目标和主要内容 (3)
1.2.2拟解决途径 (3)
1.2.3预期成果 (4)
1.3作品实际意义 (4)
2作品设计方案 (4)
2.1总体设计构想 (4)
2.2整体材料选择 (4)
2.3作品工作原理 (4)
2.4作品设计方案 (5)
2.4.1分离装置设计方案 (5)
2.4.2回收装置设计方案 (6)
2.4.3光电计数装置设计方案 (6)
2.5使用方法及注意事项 (7)
3理论设计与计算 (7)
3.1总体尺寸设计 (7)
3.2关键零件设计与校核 (7)
3.2.1电机的选择 (7)
3.2.2分离盘出币口的尺寸设计 (8)
4创新点及市场应用 (8)
参考文献 (9)
离心式硬币分拣机
设计者：方之遥黄雪昆谢玉霞管彦鹏安邦宇
指导教师：杜春平黎向荣
（桂林航天工业学院机械工程学院，桂林541004）
【摘要】离心式硬币分拣机是基于目前传统人工硬币分类困难，费时费力效率不高，现有硬币分拣机价格较昂贵的问题来设计制作的，该作品利用第五套人民币硬币的厚度与直径大小的不同点，以离心运动为工作原理，把不同的硬币分类开来。

通过光电计数器实现准确的计数，并且此作品结构紧凑美观，原理高效易懂，且造价低廉，性价比高。

充分解决了目前硬币分离的困难，给人们的工作生活带来了极大的便利。

【关键词】硬币、离心运动、分类、高效、计数、整理、性价比高
作品内容简介
本作品根据本届机械创新设计大赛的主旨要求而设计，属于“钱币的分类、清点、整理”。

此硬币分拣机主要材料为铝合金，整体装置由分离装置、回收装置、光电计数装置和外壳支架四部分组成。

其原理是钱币根据硬币厚度与直径大小不同，在高速离心作用下甩入渐开线式内圈轨道，内圈轨道设有三个尺寸不同的出币口，硬币在内圈轨道做离心运动，甩入对应的轨道内圈壁出币口，当硬币通过轨道内圈币口撞击到轨道外圈壁之后，做自由落体运动，使不同的硬币掉落在下方对应的回收装置中，从而达到硬币分离的效果。

利用安装在回收装置中的光电计数器统计硬币数量，实现计数功能。

1研究的背景及意义
1.1研究背景
随着国家近年来对小面额纸币逐渐硬币化的推广，硬币越来越多的应用于我们生活当中。

基于目前硬币分类的难题，我们通过调查了解得知大多数企业的硬币分类大都是由人工来完成，需要过多的人力物力且效率比较低。

国外硬币分离机已有30年历史，目前已有非常完善的功能，其智能化设计技术已非常成熟，国内的也取得一定的成绩。

但就目前市场上已有硬币分离装置而言，普遍价格比较昂贵。

此离心式硬币分拣机是基于快速分离，高效计数、价廉物美这三项要求来设计制造的。

通过离心运动快速的把不同的硬币分离开来，通过光电感应计数器可以准确的实现同步计数，更重要的是此装置结构简单美观，原理清晰，却可以高效的发挥其效果，给人们带来便利。

1.2作品的设计思路
1.2.1项目研究的目标和主要内容
针对市场需求研制出性价比高的硬币分拣装置，供需求者高效利用，减轻劳动成本，提高工作效率。

此项目的结构简单且目的性强，可以实现不同硬币的分离，并可同时计算出其数量。

1.2.2拟解决途径
1)查找文献和初选方案
2)绘制三维模型，做运动仿真实验
3)初定各装置结构尺寸
4)初选材料并购买
5)绘制二维图纸，加工零件
6)零件装配，做出实物进行实验
7)解决实验中出现的问题
8)做出符合要求的硬币分拣机
1.2.3预期成果
1)制作出一台硬币分拣机，能够至少以600枚/分钟的速度准确分离出硬币；
2)能够实现计数；
3)能够将分类的硬币集中收集。

1.3作品实际意义
随着国家近年来对小面额纸币逐渐硬币化的推广，硬币越来越多的应用于我们生活当中，而普通人工分拣硬币耗费人力物力且效率低。

目前已有的硬币分拣机价格略高。

为了方便公交车、超市、银行、地铁等行业对硬币进行分类、清点、整理，减少工作量和劳动成本以及提高工作效率。

我们制作的离心式硬币分拣机可以高效的解决该难题，它不仅可以通过离心方式快速的把不同的硬币分离开来，而且通过计数器可以准确的实现计数，并且此作品结构简单美观，原理易懂，充分解决了目前硬币分离的困难，给人们带来了极大的便利，该硬币分拣机具有广阔的市场前景。

2作品设计方案
2.1总体设计构想
为减轻人们的工作量，提高工作效率，且实现设备体积小，不易损坏，造价低廉。

将充分利离心运动的特性，设计符合离心运动轨迹的出币轨道，根据硬币直径厚度的不同而设置尺寸不一的出币口。

为节省空间，将采用通过联轴器连接电机主轴来带动转动轴旋转的传动方案来转递动力。

2.2整体材料选择
硬币分拣机的主要功能就是实现将不同的硬币快速分类、整理、计数。

同时尽可能做到作品外观小巧，方便搬运，造价低廉。

经综合分析和全面考虑，本作品选取铝合金材料做分离装置、回收盘和底座支架。

选用45#钢做转动轴、连接盘和联轴器。

外壳和抽屉采用木板。

漏斗则选取塑性材料。

铝合金具有以下特点：1、密度低：使硬币分拣机的重量得以大大降低，容易搬运，。

2、强度比较高：使硬币分拣机的承载能力得以提高，减少了断裂和变形的几率，在搬运过程或者过程时可以承受更大的压力。

3、塑性好：使硬币分拣机不至于在外力的作用下马上发生微小变形而破坏整体性能，加工方便。

4、因铝合金中的铝在空气中会在自身表面形成一种致密的氧化物薄膜，从而阻止进一步氧化，使硬币分拣机在大多数的环境不会轻易被腐蚀，运作性能得以保障，增加使用寿命。

45#钢综合力学性能好，满足轴既承受转矩又承受弯矩
的要求，易于加工，价格便宜，且当其配合有轴承时还有较好的耐磨性。

2.3作品工作原理
本作品是离心式硬币分拣机，该机器由
分离装置、回收装置光电计数装置和外壳支
架四大部分组成。

其工作原理是当硬币从漏
斗进入后，通过与分离盘相接触的压盖内圈
圆锥面斜度将堆叠的硬币一个个推平，且压
盖下端面与分离盘轨道底面间隙不超过两个
硬币厚度。

保证分离盘在高速旋转中，硬币
不会有跳动或重叠的情况发生，实现单个硬
币依次进入分离盘的渐开线式轨道中。

根据
不同的硬币直径和厚度大小的不同点，在渐
开线式内圈轨道开有一角硬币分离槽，伍角
硬币分离槽，一元硬币分离槽。

之后不同的
硬币根据其直径厚度大小依次甩入对应的轨
道内圈硬币分离槽，当硬币撞击到轨道外圈
壁后，做自由落体运动，使不同的硬币掉落
在下方对应的回收装置中，回收装置里的回收盘设有三条不同直径的同心环形轨道用于接收从分离盘上掉落的已分类的硬币。

保证硬币不会二次混杂。

在三条环形轨道内各设一个腰槽，每个相隔120度。

连接在分离盘背面的三个扫币刷对应不同直径的环形轨道，将环形轨道内的硬币赶至腰槽出下落进抽屉中，从而实现硬币的分类及整理功能。

安装在回收盘底面各腰槽旁的光电感应计数器可统计每种硬币的个数，从而实现计数功能。

2.4作品设计方案
2.4.1分离装置设计方案
分离装置由压盖和分离盘两部分组成。

a)分离盘设计方案
该硬币分拣机的主要工作原理是硬币在分离盘中做离心运动。

离心运动的轨迹并非沿半径方向飞出去，而是运动的半径变大，或沿切线方向飞出，逐渐远离圆心。

因此我们将分离盘的轨道设计成渐开线式，如图2所示。

根据硬币直径厚度的大小在渐开线式内圈轨道开有一角硬币分离槽、伍角硬币分离槽和一元硬币分离槽三个尺寸不一分离槽。

进入轨道的硬币依次甩入对应的轨道内圈硬币分离槽，当硬币撞击到轨道外圈壁后，做自由落体运动，进而硬币落在收集装置中。

在各个落币轨迹直径内，与落币口相隔180°钻安装扫币刷的螺纹孔，保证落币口和扫币刷同步工作。

如图3所示。

b)压盖设计方案
压盖和分离盘通过M5的螺钉固定一起，压盖上表面的沉头孔放置漏斗，沉头直径略大于漏斗外表直径，使分离装置在高速旋转时，漏斗不会转动，避免了因漏斗旋转而硬币飞出的安全隐患，如图4所示。

当硬币从漏斗进入后，通过与分离盘相接触的压盖内圈圆锥面斜度将堆叠的硬币一个个推平，且压盖下端面与分离盘轨道底面间隙不超过两个硬币厚度。

保证分离盘在高速旋转中，硬币不会有跳动或重叠的情况发生，实现单个硬币依次进入分离盘的渐开线式轨道中。

如图5所示。

图4.压盖剖视图
图5.压盖、分离盘装配图
2.4.2回收装置设计方案
回收装置由回收盘和抽屉两部分组成。

a)回收盘设计方案
回收盘设有三条不同直径的同心环形轨道用于接收从
分离盘上掉落的已分类的硬币。

保证硬币不会二次混杂。

在
三条环形轨道内各设一个腰槽，每个相隔120度。

连接在分
离盘背面的三个扫币刷对应不同直径的环形轨道，将环形轨
道内的硬币赶至腰槽出下落进抽屉中，从而实现硬币的分类
及整理功能。

如图6所示。

2.4.3光电计数装置设计方案
光电计数装置由光电传感器，计数器和单片机三部分。

将光电传感器安装在回收盘底面各腰槽旁，当硬币从腰槽口掉落时，感光系统被遮住，通过单片机内的程序，计数器加一累加出硬币的总数，如图7所示。

2.5使用方法及注意事项
使用方法：使用者将调速开关打开，该分拣机开始运转后，将硬币投入硬币分拣机的漏斗中，等放入的硬币分类结束后，拿出放在底座支架中的抽屉，记录各个计数器显示的数值，随后关闭电源即可
注意事项：1、使用时必须保证底座外壳安装到位，不可遗漏，以防硬币分拣机出现故障时硬币飞出，造成人财损失；2、使用时打开调速开关应缓慢提速，不可瞬间将开关拧到最大，避免因瞬时速度过快而产生的机体晃动；3、定期检查光电计数装置。

3理论设计与计算
3.1总体尺寸设计
外部整体结构设计为长方体，根据分离盘∅300mm的直径，设计外壳的长宽为320mm×320mm,因本作品的传动方式采用联轴器连接电机轴和转动轴，电机垂直悬空放置，所以总高度为各零件高度累加得出479mm，如图8所示
3.2关键零件设计与校核
3.2.1电机的选择
因硬币分拣机所需的转速较高,因此计算电机所需功率PW,电机实际输出功率Pd和传动装置总效率η来选择合适减速电机
P W=
T×n
9550×ηw
=
1350×1.59
9550×0.98
≈0.23KW
η=η
圆锥滚子×η
深沟球
×η
联轴器
≈0.96
P d=P W
η
=
0.23
0.96
≈0.24KW
经过上式计算选择外形100mm可逆式K系列螺旋齿轴电机6RK250GV-CF。

3.2.2分离盘出币口的尺寸设计
分离盘背面的出币孔是该硬币分拣机分类硬币的
关键，根据硬币直径大小关系，依次排列出币口的位置，
先确定第一个出币口的位置来计算确定其他出币口位
置。

小直径硬币出币口在前，大直径硬币出币口在后。

测量得出一角硬币的直径尺寸为19mm，厚度1.67mm，
伍角硬币直径尺寸为20.5mm，厚度1.65mm，一元硬币
直径尺寸为25mm，厚度1.85mm。

故确定第一个出币
口为一角硬币出币口，第二个出币口为伍角硬币出币口，
第三个出币口为一元硬币出币口。

如图9所示。

一角硬币出币口尺寸为长22mm，宽20mm，高度为
1.7mm，最大落币轨迹直径为174mm，保证一角出币
口只能一角硬币通过，而其他硬币无法通过。

伍角硬币出币口尺寸为长25mm，宽22mm，高度1.7mm，最大落币轨迹直径为
一角落币最大直径+伍角落币槽宽=174mm+56mm=230mm
一元硬币出币口尺寸为长29mm，宽28mm，高度2mm，最大落币轨迹直径为
伍角落币最大直径+一元落币槽宽=230mm+64mm=294mm
4创新点及市场应用
离心式硬币分拣机的创新点在于利用压盖将入币口处硬币推平不重叠，实现单个硬币依次进入渐开线式轨道、分离装置采用渐开线式双轨道，在离心力作用下实现硬币分离、三环同心式回收装置使不同的硬币从旋转的分离装置落下后不会混杂。

该硬币分拣机不仅可以将不同硬币分离开来还可以实现计数，结构简单，外部美观，维护方便，体积小，分离效率高，若大规模生产则造价低廉。

参考文献
[1] 邓昭铭，张莹. 机械设计基础. 北京：高等教育出版社，2007
[2] 李国斌，梁建和. 机械设计基础. 北京：清华大学出版社，2007
[3] 成大先. 机械设计手册. 北京：化学工业出版社，2004
[4] 周开勤，唐蓉城，杨景惠. 机械设计师实用手册. 天津：天津科学技术出版社，1995
[5]单片机原理及应用技术（第三版）.北京：高等教育出版社，2009.。