钱币自动分类、清点机设计

摘要

本设计主要针对目前城市公交公司、商贸和银行关于钱币的分类、清点、整理需求而设计。目前以上场合的钱币分类主要依赖于人工，人力成本高且效率低下。本机械设备的主要功能是对混杂在一起的各种纸币和硬币进行分类、清点、整理。本设计准确、实用。可部分或者全部替代人工，减少人力成本。

本设计的创新点主要有：（1）功能齐全，可同时实现硬币和纸币的分类、清点、整理。（2）结构紧凑，该设计中各模块排列紧凑。（3）该设计过程采用模块化设计，较多采用成熟技术，开发周期短。可靠性高。

本文运用大学所学的知识，提出了钱币自动分类、清点机的结构组成、工作原理以及主要零部件的设计中所必须的理论计算和相关强度校验，构建了钱币自动分类、清点机的设计总的指导思想，从而得出了该钱币自动分类、清点机的设计的优点是高效，经济。

关键词：钱币；机械设备；钱币自动分类；经济

Abstract

This design is mainly for the current urban public transport companies, trade and banking on the classification of coins, inventory, finishing needs and design. At present, the classification of the coin is mainly dependent on the manual, the human cost is high and the efficiency is low. The main function of this machine is to classify, count and sort all kinds of notes and coins that are mixed together. The design is accurate and practical. Can be part or all of the alternative, reduce labor costs.

The innovation points of this design are: (1) the function is complete, and can realize the classification, counting and sorting of coins and paper money. (2) compact structure, the design of various modules arranged compact. (3) the design process uses a modular design, more mature technology, the development cycle is short. High reliability.

This paper puts forward the structure, working principle and relative intensity of the structure, working principle and the design of main parts of the paper. It also constructs the guiding ideology of the design.

Key words：Machine manufacture;Crankshaft;Processing craft;Fixture;

目录

摘要................................................................. I Abstract............................................................ II 1引言 (1)

1.1课题的来源与研究的目的和意义 (2)

1.2本课题研究的主要内容 (3)

2 纸币识别、整理、计数及储存模块设计 (5)

2.1识别方案 (6)

2.2计数及储存模块设计方案 (7)

3 钱币自动分类、清点机的结构设计 (9)

3.1系统方案结构框图的确定 (10)

3.2系统的工作原理 (12)

4 机械传动部分的选型计算 (14)

4.1驱动电机的选型计算 (15)

4.2平带传动的选型计算 (18)

4.3滚珠丝杆传动的设计计算 (21)

5各重要组成部分的强度校核 (22)

5.1 机架强度的校核 (23)

5.2 转轴强度的校核 (24)

5.3 轴承强度的校核 (28)

结论 (29)

致谢 (31)

参考文献 (32)

1引言

1.1 课题的来源与研究的目的和意义

钱币自动分类、清点机是一种一体的自动分类，清点，计数和包装的机械设备，主要用在银行的硬币、纸币的分类和清点方面。通过设计出钱币自动分类、清点机，使银行对于散钞，硬币的处理更加方便，以解决目前的社会硬币逐渐增加循环量，以及钱币的清点、分类不便的问题。通过市场上的产品的调查，现有的硬币分选机构不具有包装的功能。在此设计中，为了克服该缺陷，设计有一个分选体和滚筒输送线，电磁振动送料器的位置装有往复直线纸币滑槽，三垂直密封包装机，一推杆机构和三个机械手，自动硬币分类和电子计数器计数机制。自动分拣硬币清点机的方向，安排和由电磁振动给料机的振动分选硬币。螺旋槽加捻型电磁振动给料机熊本设计中是主要取向硬币分类直槽往复电磁振动送料器和布置主要是用在硬币，垂直密封包装机，机械手和一个推杆机构由一个纵向和横封封口包装机，电子计数器使用硬币清点。根据电磁震动给料机，立式封口包装机和机械电磁铁吸选择和参数设计，机械手夹持力参数设计和推杆机构设计和强度校核的参数，机械工作由当地设计所需的设计和计算，它证明了钱币自动分类、清点机的设计理论是可行的，与它的实用性，这将是比其他硬币分选机更有效。

1.2 本课题研究的主要内容

本论文主要研究运用SolidWorks对钱币自动分类、清点机进行设计。主要是设计出了该钱币自动分类、清点机的进币、分选、输送、检测、存储等等几个部分。具体的研究内容如下：

1、钱币自动分类、清点机的进币装置的设计，包括其中电机的选型以及旋转体的设计。

2、硬币分选部分的设计，包括硬币分选板的结构设计以及存储盒的设计。

3、纸币输送单元的设计，包括出币口的设计以及输送线的设计。

4、纸币分选、清点部分的设计，包括检测传感器的选型以及分选存储装置的设计。

2 纸币识别、整理、计数及储存模块设计

2.1识别方案

图像采集系统主要是南图像传感器对在传送带上高速传送的钞票进行采样、缓存，然后送至DSP图像处理模块。该系统是以CPLD完成钞票图像信息采集时序控制和数据缓存，采用接触式图像传感器(CIS)SV233A4W和模数转换器AD9822实现图像的采样和量化功能。另外，使用码盘和对管来实现传送带与采样的同步。清分机的图像采集系统主要由码盘、对管、传感器、A／D转换器、CPLD等组成。CPLD是系统核心，控制各部分时序及数据采集。当无钞票时，系统处于等待状态；当有钞票经过对管时，将产生一个触发信号，CPLD接收到触发信号后，将控制接触式图像传感器对钞票进行采样，采样间隔由码盘信号分频控制。采集到的图像信息经A／D转换后，存储到内部RAM中，为图像处理单元DSP的后续处理、识别提供数据。该系统原理框图如图1所示。

图1方案一原理图

方案2 ：

该系统以DSP为核心处理器，结合图像传感器CCD和复杂可编程逻辑器件CPLD，并辅以高性能的模/数转换器AD9200，进行纸币图像的采集、处理。该系统主要针对人民币第四版和第五版的5元、10元、20元、50元、100元九种

纸币进行识别，利用数字图像处理技术和改进的自组织映射神经网络(SOFM)提取纸币图像的长度、宽度、方向块特征，区分纸币的面值、正反面与正反向。终极完成的系统能达到较高的识别速度和识别率。

识别系统的总体硬件结构如图1所示。人民币的图像首先通过传感器CCD 扫描后得到光电转换信号，并经过AMP的三倍放大；然后将放大的模拟信号经过模数转换器AD9200转换成为标准的数字信号，送进到CPLD缓存；最后通过EDMA通道输进到DSP的RAM中，在DSP中进行图像的处理和识别。整个系统的信号逻辑时序由CPLD来控制。另外，还有一些辅助环节，如纸币输进输出装置、用户检测装置、复位装置等。

纸币图像的采集由CCD与A/D转换器组成。本系统采用线阵型CCD[1]，它的采样速度较快、电路设计比较简单、体积小、时序也易于实现。根据系统对采集速度的要求，设置横向分辨率为4像素/毫米，共采集800个像素点；纵向的分辨率为1像素/毫米。每张图像的高度不超过76毫米，两张纸币之间还有一定的间隔，实际采集100列。这样，每张图像的像素为800×100。纸币的进进与离开的判定使用红外线光电管检测。系统原理框图如图2所示。

图2方案二原理图

2.2计数及储存模块设计方案

计数利用DSP的计数器实现，识别出相应币种，开相应计数器，软件易于实现。储存利用储存盒储存。待清分结束，可取出储存盒中的纸币，完成清分。

3钱币自动分类、清点机的结构设计

3.1系统方案结构框图的确定

本次设计的任务是对钱币自动分类、清点机进行设计，本次设计主要采用模块化设计，通过查找相关资料和文献，对于几种方案作了比较，最终得出的系统结构框图如下图3所示。

图3 系统结构框图

3.2系统的工作原理

钱币自动分类、清点机的工作原理为人工将纸币、硬币放入进币筒，进币筒里面有分选体装置，电机带动其不断地旋转，上面开有可容纳1元，5角，1角的硬币漏出的孔，当各种面值的硬币从孔里面漏出来后会顺着硬币分选板进入到存储箱体里面，而硬币分选板旁边装有光电传感器，是用来对分选的下来的硬币进行计数，与此同时也实现了硬币的分类和清点。对于纸币，在分选体旋转的同时，在分选体圆周表面与纸币摩擦的同时，由于惯性力的作用，将纸币从进币筒里的缺口里面落到分选输送带上面，通过检测传感器针对纸币的颜色和大小的判别从而通过PLC系统控制电机带动滚珠丝杆螺母副移动，利用真空吸盘来吸住不同面值的纸币到各自的滑槽里面，纸币会随着滑槽在其重力的作用下落入到存储箱里面。具体结构原理图如下图所示：

4 机械传动部分的选型计算

4.1 驱动电机的选型计算

已知整个设备上工件与零件的重量，我们取总重量为200Kg ，滚珠丝杆转

动速度为1~2r/min 。即：

mm s G =mg =200×10=2000N

V =1-2m/min =16.6-33.3/

具体的电机设计计算如下:

1、确定运行时间 本次设计加速时间

01(t -t )60=Vl l Vl 负载速度（m/min ）

有速度可知每秒上升50mm ，

0.0331.2=1.2360

=-÷l s

电机转速

3.负载惯量 左右水平运动

2220.005()2000.000126779(.)22??=== ???

PB JLM M kg m ππ

电机惯量434527.87100.40.2 3.7210(.)3232-=

=???=?B B JB L D kg m ππρ

总惯量

20.00032(.)

=+=L LM B J J J kg m 4.电机转矩

启动转矩

12()2636.9(0.00032) 1.25.6060 1.2

+?+===?S NM JM JL JM T N m t ππ

必须转矩() 2.36.=+=TM TL TS S N m

S 为安全系数，这里取1.0。

根据以上得出数据，我们选用直流无刷电机型号为92BL-A ，此无刷直流步

进电机厂家为南京森宇机电的产品。根据电机的特性曲线以及参数表如下：

根据计算和特性曲线以及电机基本参数表，我们选用电机型号为

92BL-4030H1-LK-B，电机额定功率为0.37KW，额定转矩为75N.m，最大转矩为80N.m，额定转速为3000r/min。外形尺寸80x80x148，电机输出轴径为16mm。

4.2 平带传动的选型计算

(1)传动名义功率P_=0.37kW

(2)主动轮转速n1=1500r／min，从动轮=350r／min

(3)中心距a=100mm左右

(4)工作情况，24小时运转．

求设计功率P=K0 Pm=0.4×2= 0.8Kw，式中Ko为载荷修正系数

由设计功率0.8Kw 和n =1500r／min，由查得带的型号为L型，对应节距P =9.525mm

（1）选择平带齿数

由平带转速n=1500r/min，L型带，查表得平带最小许用齿数Z1=14，则大带轮齿数Z2= i Z1，其中i= n1／n2=1500／350=4．286

Z2=4．286×14=60取标准带轮齿敦==60

（2）确定带轮节圆直径

dI==Pb Z1/π=42.736mm

d2= Pb Z2/π=182mm

（3）确定平带的节线长度L，

L= 2acosψ+π(d2+d1 )／2+πψ( d2-d1)／180

式中：ψ=sin-1 (d2-d1)/2a =0．218；12．6 (以a=100mm代入) 则L =150.54 选择最接近计算值的标准

节线长(见表4)L=160.20mm

（4）计算平带齿数z

Zb=Lp/Pb=160.20/9.525=17

（5）传动中心距n的计算

a=Pb( Z2-Z1)／2zcosθ

式中：inV =3．14l6 inVθ=tgθ-θ用逐步逼近法计算，θ=1．351 8(弧度)代入上式

得出a=102.45与精确计算结果相似。

最后测量装置平带选用L型平带P= 9.525mm

ZB=17，L,= 150．20ram b．= 25.4mm

平带轮：Z1=14，Z2=60，dI==Pb Z1/π=42.736mm

d2= Pb Z2/π=182mm

4.3 滚珠丝杆传动的设计计算

在材料选取的基本原则的前提下，可以满足一部分性能，良好的工艺性和经济性。这种材料的特性是机械，机械部分应在正常工作条件下，其物理和化学性能，是保证其可靠性的基础。一般的机械零件，主要考虑的是材料的机械性能；而非金属材料零件，还应考虑对零件性能的环境效应。

根据零件选择的力学性能，首先要对工作条件的正确分析，形状和大小和应力状态，结合这类零件的主要失效形式，对原发性和继发性失效抗力指标的实际使用中，由于物质基础。

1) 丝杆螺母强度的校核计算

滚动螺旋传动主要承受轴向力。螺母与螺钉间滑动摩擦较大，所以磨损失效的主要形式。基本尺寸（直径滚珠丝杠和螺母高度），通常基于条件的耐磨性测定。滚珠丝杆驱动力较大，还应检查滚珠丝杆和螺母的螺纹强度的危险截面，以

防止塑性变形或断裂的发生；自锁螺钉的要求，检查自锁螺钉；传动精度，应检

查的刚度，以免造成传输降低音高变化的应力的精度；滚珠丝杆长径比大，应检

查其稳定性，以防止轴心受压失稳；长滚珠丝杆转速也应该检查的临界转速，以

防止过大的横向振动。设计应根据驱动型，工作条件和失效模式，选同的设计标

准，无需逐一检查。

表2.1螺旋传动的常用材料

（1）滚珠丝杆螺母副，横向丝杆的最大轴向载荷为2000N ，支承间最大距离为

400mm ，，要求定位精度为0.001mm ，滚珠丝杆的负荷包括运动部件的重量所

引起的进给抗力。应按额定静载荷选用。

'0m a x d H C f f P 3 d f 载荷性质系数为1

'H f —动载荷硬度影响系数，'H f =1

max P —最大轴向载荷

定静载荷为C032000N ，查表得使用寿命时间T=15000h ，初选丝杆螺距

t=5mm ，得丝杆转速

1000max 100012002V n t ′=== n/min

由于丝杆螺距为5，可选W 系列完循环丝杆副尺寸系列W2005-2.5圈一列

滚珠丝杆螺母副的几何参数计算，见表2.6所示：

表2.2 滚珠丝杆螺母副几何参数

（2）传动效率计算

()tg tg g h g j =+ （2.23）

式中：?—摩擦角；γ—丝杆螺纹升角。

0.96()tg tg g h g j ==+

（3）刚度验算，滚珠丝杆受工作负载P 引起的导程

p L 的变化量 EF PLp K DL =1 （2.24）

Y 向所受牵引力大，故应用Y 向参数计算

400=P （N ） 0.5p L = （cm ）

620.610E =? (2cm N ) (材料为45钢)

221.6513.14() 2.2132F R p === （2cm ）

所以 662000.512.1941020.6102.213

-??=±=±???L （cm ）

丝杆因受扭矩而引起的导程变化量2L D 很小，可以忽略。所以导程误差

61001001 2.19410 4.9700.5-?=?=??=L L )/(m m μ

查表知C 级精度的丝杆允许误差6m μ，故强度足够。

2) 梯形丝杆螺母的设计计算

滚动螺旋传动主要承受轴向力。螺母与螺钉间滑动摩擦较大，所以磨损失

效的主要形式。基本尺寸（直径滚珠丝杠和螺母高度），通常基于条件的耐磨性

测定。螺杆驱动力较大，还应检查螺杆和螺母的螺纹强度的危险截面，以防止塑

性变形或断裂的发生；自锁螺钉的要求，检查自锁螺钉；传动精度，应检查的刚

度，以免造成传输降低音高变化的应力的精度；螺杆长径比大，应检查其稳定性，

以防止轴心受压失稳；长螺杆转速也应该检查的临界转速，以防止过大的横向振

动。设计应基于。的类型，工作条件和失效模式，选择不同的设计标准，无需逐

一检查。

表2.1螺旋传动的常用材料

立向丝杆的设计

（1）滚珠丝杆螺母副，横向丝杆的最大轴向载荷为2000N ，支承间最大距离

为400mm ，，要求定位精度为0.001mm ，滚珠丝杆的负荷包括运动部件的重量

所引起的进给抗力。应按额定静载荷选用。

'0max d H C f f P 3 d f 载荷性质系数为1

'H f —动载荷硬度影响系数，'H f =1

max P —最大轴向载荷

定静载荷为C032000N ，查表得使用寿命时间T=15000h ，初选丝杆螺距t=5mm ，

得丝杆转速

1000max 100012002V n t ′=== n/min

由于丝杆螺距为5，可选W 系列完循环丝杆副尺寸系列W2005-2.5圈一列

滚珠丝杆螺母副的几何参数计算，见表2.6所示：

表2.2 滚珠丝杆螺母副几何参数

（2）传动效率计算

()tg tg g

h g j =+ （2.23） 式中：?—摩擦角；γ—丝杆螺纹升角。

0.96()tg tg g h g j ==+

（3）刚度验算，滚珠丝杆受工作负载P 引起的导程

p L 的变化量

1p PL L EF D =? （2.24）

Y 向所受牵引力大，故应用Y 向参数计算

400=P （N ） 0.5p L = （cm ）

620.610E =? (2N ) (材料为45钢)

221.6513.14() 2.2132F R p === （2cm ）

所以 662000.512.1941020.6102.213

-??=±=±???L （cm ）

丝杆因受扭矩而引起的导程变化量2L D 很小，可以忽略。所以导程误差

61001001 2.19410 4.9700.5-?=?=??=L L )/(m m μ

查表知C 级精度的丝杆允许误差6m μ，故刚度足够。

（4）稳定性验算，由部件自重产生的使丝杆回转的扭矩

f M 为

'2f GS M h p ='2000.50.9615.28722 3.14?==?=?f GS M ηπ 式中G ——移动部件自重

S ——导程（cm ）

'h ——逆传动效率，由于滚珠丝杆副的正传动效率和逆传动效率近似相等，

因此，一般用正传动效率h 代替'h 。

'2000.50.9615.28722 3.14?==?=?f GS M ηπN.cm 可知110BF004反应式步进电动

机带动丝杆螺母副时不会发生逆向传动 。

（5）轴承的选择，初选6002，工作时为轻度冲击，正常工作温度，预

期寿命为5000h ，丝杆在工作的过程中受轴向载荷作用，且最大轴向载荷为

Fa=200N.查手册可知道2002的基本额定负载Cr=4.32kN,基本额定负载荷

Cor=2.50Kn 。

为了能安装方便本次设计中6002轴承可以用带座轴承代替，选用轴承的型

号为UCFU203轴承。Fa/Cor=e=0.228查表可知道e=0.38；当量负载的计算P=200N

可算得轴承寿命[6] 16667??=

? ???t h p f C L n f P ε

（2.25） 温度系数t f =1，载荷系数

p f =1，UCFU203轴承座，寿命指数为e =3 得316667125001627635000200200???==≥ ???h L （h ）所以该轴承适合。

3) 滚珠丝杆螺母的支承方式的选择

滚珠丝杠的支承主要有以下四种，由于支承方式不同，使容许轴向载荷及

容许回转转速也有所不同。

（1）固定-固定，适用于高速，高精度；

（2）固定轴承适用于中高速，高精度；

（3）支持，中速的支持，精度；

（4）固定-自由，低速度，精度，短轴螺钉本次设计中丝杆螺母的固定方式

如下所示：

4)滚珠丝杆螺母的润滑和防尘隔离

（1）为了提高滚珠丝杠副的精度和使用寿命，通过滚珠丝杆的轴向力对滚珠丝杆的影响，保证轴承的受力均匀，避免倾覆力。

（2）反逆向的滚珠丝杠驱动器对效率高，应在电机功率的考虑，和逆螺旋传动由于其成分的重量（尤其是驱动在垂直方向上，当逆方法）可以用来防止动力传动电机，蜗轮自锁：切割离合器，等。

（3）在行程两端的滚珠丝杠应该旅游保护装置，以防止滚珠丝杠过程的冲击和影响精度，使用寿命甚至损坏。

（4）防止热变形对定位精度的丝杠热变形精度的重要影响。热源不仅是摩擦热产生的螺丝，和其他机械零件热时，滚珠丝杆的热膨胀和伸长率。因此有必要对热源的因素，控制热源的措施，也可用于预拉伸，强制冷却，减少滚珠丝杆伸长的热变形的影响。

（5）水平螺旋，而造成弯曲变形的轴，是影响齿距累积误差的因素，会导致不均匀的载荷螺母。螺杆的设计需要考虑到螺杆的材料和它的强度的问题。

（6）密封圈是重要的密封气体和液体的标准件，所以密封圈的防尘措施是必须要考虑的。滚珠丝杠螺母安装在防尘圈的两端，以避免螺钉外露，但还需要滚珠丝杆选择保护装置。

（7）合理的润滑是减小驱动力矩的重要环节，提高传动效率，延长滚珠丝杆的使用寿命，接触面和油膜减振效果，降低传动噪音和尘土等杂物在螺旋洗。所以你想注入润滑脂。螺母和油孔，用户可以拧入水口，其他合适的润滑油的使用。（8）的预紧力的正确选择，滚珠丝杠厂一直需要调整预紧力要求，严禁自行拆卸滚珠滚珠丝杆零件，以免影响准确性。非冲击管和拔除，以免球塞，运行平稳。（9）推荐的大型轴承的使用适用于数控机床为了提高传动刚度。

（10）内循环滚珠丝杠，滚珠丝杠必须两端的齿和一端连接了至少一个螺纹，所有圆螺纹底径尺寸小于D2，否则无法安装螺母。

（11）外循环滚珠滚珠丝杆位置，最好是放在滚珠丝杆轴以上插管。

（12）加工螺纹，外圆直径大于1的外径最好不要螺钉。