课程论文课程名称现代设计理论与方法姓名XXXX班级研1949学号123456789日期: 2016 年12 月24 日硬币分拣机的分析1. 课题的研究背景及意义硬币作为一种世界范围内常用的流通货币之一，以坚固耐用、不易磨损、制作精美、规格统一、易于识别、方便使用等诸多优点广泛应用在商业、交通、通讯、娱乐以及各种自动售货系统中。

我国迄今为止已经发行了套种硬币，并都参与流通。

可以说任何国家的金融系统都离不开硬币，据统计，日本人均硬币达枚，美国人均枚，德国人均枚而我国以生产入库量计算，人均仅十几枚。

从发展的角度看，硬币取代小面额纸币将成为一种趋势。

随着国内外金融市场的快速发展，货币结算呈现出了大额货币电算化，小额货币硬币化的便捷式结算发展趋势[1]。

作为货币流通的金属硬币具有规格统一，使用方便，流通寿命长，范围广等优点[2]，除此之外，还有很高的艺术欣赏和收藏保值功能，深受人们的喜爱。

但是银行、零售企业以及公交系统的大量硬币堆积给分拣、计数工作带来了巨大难题[3]，需耗费大量人力资源进行清分，且出错率较高。

我国目前只有少数银行网点配备了少量价格昂贵的进口硬币处理机器，无法满足大量硬币的分拣和计数工作，这样也为后期的钱款入账和资金回笼带来了极大的不便，影响工作效率，同时也造成了资源浪费。

目前，市场上的硬币分拣机大多采用物理技术和性能指标两大类指标进行清分，原理虽然相同，但是各国硬币的种类和规格均有差异，因此硬币分拣机的研制需要根据各国的硬币体系，进行有针对性的研究[4]。

数量庞大的硬币后期分类整理工作成为了一个不小的麻烦，一方面硬币种类杂乱，需一一识别；另一方面，大量数量的硬币手工分拣工作不仅耗时费力，而且人为因素造成的误差较多，因此硬币分拣自动化将会成为迫切的社会需求。

鉴于此，我们设计了用于解决硬币分拣整理的自动分拣装置。

该装置具有结构巧妙、运行稳定、高效便捷、价格低廉等特点，下面我们详细介绍该装置的研究与制作过程[5]。

2. 国内外硬币处理机的发展现状2.1 我国硬币流通中的现状及存在的问题目前，硬币在我国流通中面临了很严峻的考验。

主要表现为：假币泛滥、人工清点费力费时、清分识别设备陈旧[6]。

(1)假币泛滥由于小额假币的突然泛滥，市民商贩防不胜防，超市、巴士深受其害，公交车曾受 1 元假币困扰(广东佛山公交公司向社会通报了当前公交假币和假证乘车泛滥的现象：2004 年以来，佛山公交公司收到假币约192 万元，其中硬币188万元[6]，难以处理的假币在库房内堆积如山。

) 深圳人人乐超市与沃尔玛超市方面表示，假一元硬币每天都会发现。

(2)人工清点费力费时目前一些金融业、服务业和商业等部门会大量与硬币打交道，银行又不大愿意受理清点业务，虽然收取一定的手续费，但硬币的人工清点不仅费时，而且严重影响办公效率。

另外包装机具不统一，不便于清点、包装、运输。

一些大型的商业和服务企业，尤其是金融机构的基层服务网点，每天都要接触数量较大的金属硬币，其清点、包装、运输都是比较麻烦的事，但现在硬币包装机具不统一，许多工序仍停留在手工操作水平上，增大了劳动强度，影响了他们的工作效率。

因此而一度出现过公交公司将“沉甸甸”的工资发到员工手中。

(3)清分识别设备陈旧金融部门大多采用国外进口识别清分设备，不仅价格昂贵，而且对国内的硬币的识别也存在很大缺陷。

综观来看，当今国内外硬币清分装置，或者设计原理简单，抗振动、抗电磁干扰能力差，识别伪币能力差，要么制造复杂、价格昂贵、缺少实用价值。

在国内[7]，清华大学、北京科技大学、上海交通大学、杭州电子科技大学、苏州大学、福州大学等多家单位均对如何进行正确的硬币识别做过深入研究，在机理上普遍采用电涡流法。

这些单位的研究在可能涉及的硬币范围内取得了较好的效果，但对硬币的鉴别都局限于项目本身，存在不系统和不完整，对伪币识别效果不好等问题。

2.2 国内外硬币清分识别系统状况在这个领域里，国外较早的开展了研究，并且做了大量的工作。

开发的产品大致也分为三个档次，低档、中档和高档。

低档清分速度在1000 枚/min 以下，中档为1000～1500 枚/min 左右，高档则在1500 枚/min 以上。

所使用的清分方法上主要有两大类，一类是根据物理技术进行清分，另一类是根据性能指标进行清分。

高速清分基本上都是采用性能指标来进行清分。

在此领域比较有代表性的是著名的瑞典SCAN COIN AB[15]公司，它是一家专业生产各种银行器具的公司，成系列地研制了针对不同货币体制下的清分系统，SCAN COIN AB 公司有专业的产品在国内使用，误判率≤0.5%。

但其价格昂贵且进行技术垄断，同时针对材质相近甚至一致的伪币，其检测显得无能为力[6]。

不仅如此，国外的一些学校还开展了硬币分辨新方法的探索。

大学的研究者们提出利用图像传感器传来的硬币图像分辨硬币的半径，并与数据库中的原有数据进行比较来确定通过的硬币类型。

具体过程参照图一。

首先由正反面的图像分析出半径范围，然后分析细节部分，例如磨损等，之后与数据库中资料进行比对，得出它所属的范围，然后分辨出它是何种硬币，当然这可能还包括之后的厚度等的检测并最终确定其类型。

虽然该设计提出了一种新型的硬币区分技术，但仅是理论研究，仍然需要应用在设备上才能继续改进和发展。

不管在国外还是国内，目前对高速硬币清分机的研制都普遍偏少，主要原因之一是该产品的客户是大量处理硬币的单位，比较单一；其二，随着硬币清分速度的提高，遇到的技术难题也会相应增加，加之由于我国的硬币体系与其他国家的相比具有材质差异大、币种多、版本多且各版本的同种硬币的制造参数差异大等特点，因此硬币清分系统的高速化对自动化检测系统提出了更高的要求。

硬币的高效批量识别在国内尚未很好地解决，国内在高速清分领域基本上是空白[6]。

3.硬币识别方法目前，流通在市面上的硬币，各种材质并存，80 年代前后生产的较少见。

市面上流通的各种面值硬币的正、背面外形图可浏览图1。

图 1 目前我国硬币各种面值外形图3.1传统硬币识别清分方法早期的硬币识别系统是通过对不同的硬币的重量、大小以及颜色等特点进行比较，利用硬币的这些特点，出现了下面几种检测识别方法：(1)机械式检测识别此种方法为早期硬币识别主要手段之一，如早期利用硬币质量不一而制成的转盘分离，从而判定是何种面值的硬币，但由于硬币质量差别不大，很难保证识别率，识别速度慢，且机器运转噪声大等缺点，如果出现重量及大小和真币一样的游戏币便不能识别了。

(2)电涡流传感器检测识别利用传感器对硬币进行识别，主要利用硬币具有特殊的金属材质进行识分选，只能通过从材料的性能指标上来判别，性能指标包括合金成分、组织状态、强度特性(硬度)、韧性、有无外来杂质(纯度)等。

涡流检测法是以电磁感应为基础的检测方法，作为硬币的材料，铁磁性或非铁磁性材料的不连续性的缺陷、电导率、磁导率等的变化都能影响电涡流效应。

涡流检测的优点：对于金属材质的检测，不需要接触，也无需耦合介质，所以检测速度高，易于实现自动化检测。

影响涡流的因素很多，如裂纹、材质、尺寸、形状及电导率和磁导率等，采用特定的电路进行处理，可筛选出某一因素而抑制其它因素，由此有可能对上述某一单独影响因素进行有效的检测。

涡流检测的缺点：涡流检测的对象必须是导电材料，且由于电磁感应的原因，只适用于检测金属表面缺陷，不适用于检测金属材料深层的内部缺陷；探头式涡流检测方法可准确探出缺陷位置，灵敏度和分辨率也很高，但检测区域狭小，检测时需要合理布置检测部位；涡流检测至今还是处于当量比较检测阶段，对缺陷做出准确的定性定量判断尚待开发。

综合上述优缺点，由于电涡流传感器检测可实现无接触检测和高灵敏度，它在无损检测技术领域中具有重要的地位，但同时它的识别率受工作环境，包括温度、湿度和振动等因素的影响。

(3)基于硬币图像的检测识别基于硬币的图像检测识别技术是最近发展起来的一种识别方法，传统的硬币图像识别方法是基于试错法，即人工寻找特征，找出不同硬币的差异，完成特征提取。

该方法由于周期长，缺乏系统性，所以识别效果不理想。

目前一些科研院所基于BP 神经网络对硬币识别作了相关研究，人工神经网络图像识别技术是随着当代计算机技术、图像处理、人工智能、模式识别理论等发展起来的一种新型图像识别技术。

该算法主要通过一边向后传播误差，一边修正误差的方法来不断调节网络参数(权，阀值)，以实现或逼近所希望的输人输出映射关系。

缺点是该算法收敛速度慢，隐层节点难以确定，且在特征值的选取上是根据经验和模糊实验的基础上确定的，没法满足实时识别的要求。

4. 硬币分拣机的功能及设计4.1 机械系统功能划分按照实现的功能将整个机械系统划分为个部分。

其中包含了大主体机构，即为进币机构、分拣机构、硬币导向机构、包装出币机构和伪币分离机构，还包括了辅助性的支撑机构。

前五大主体机构的作用前面己有所述，而支撑机构的作用则是给大机构提供支撑力，并给所有的电子元器件提供安装位置。

4.2 进币机构4.2.1进币机构总体设计进币机构是将混杂的硬币堆分离成一个一个的硬币序列，从而方便分拣机构进行分拣。

目前已有的进币机构设计包括三种一是利用传送带和硬币容器之间的间隙实现硬币的平铺分离二是利用倾斜带有凹槽的转盘穿过硬币堆三是利用离心力原理将硬币分离。

由于传送带的结构设计相对复杂，并不适合小型机器的需要，倾斜转盘与分拣机构之间的接口设计复杂，因此采用离心力的原理。

如图2所示，硬币堆放入进币盘中，在重力作用下滑落到分币盘上，分币盘旋转产生离心力，促使硬币进入硬币筒。

图 2 进币机构4.2.2 分币盘其中进币盘相对于分币盘设计为偏心25mm ，目的是防止硬币掉落在转动中心处，周围的离心力相等而无法运行到圆周处实现分离。

对硬币的受力进行分析。

首先查机械设计手册确定摩擦因数，分币盘材质为铝合金。

查阅机械设计手册知道摩擦因数在手册中并不全面，因此一些材料间的摩擦因数按照较大值来估算。

旧版一角和部分新版一角为铝镁合金材质，而两种一元都为钢芯镀镍材质，对着两种材质均以较大的铝对钢的摩擦因数来估算其余的一角为不锈钢材质，以钢对铝的摩擦因数0.17来估算：旧版5角为铜锌合金，以较大的铝对黄铜的摩擦因数0.27来估算：新版5角为钢芯镀铜，因此同样以铝对黄铜的摩擦因数0.27来估算。

如图3所示为硬币受力图，当离心力大于摩擦力时，硬币产生滑动，并实现一一分离。

查阅物理书籍得公式如下：mg f μμ==G22mr rmV ϖ==F 联立得：mg f mr 2μϖ=>=F0/>>r g μϖ （4-1） 由于最小半径各不相同，摩擦因数也有不同，经计算可知，所需要的极限转速最大为168r/min ，这还是很容易达到的，因为是估算的数值，故取分币盘转速为而200r/min。