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摘 要：截至目前，相关硬币分离装置已经能够很好解决硬币分离困难，现在基本具备了噪声小、传动稳定、性能可靠等特点，大多采用电涡流法，但是仍然不够全面，不够系统。针对这一现象，通过机械设计创新实践，设计一款硬币分离装置精细化实现分离、防伪、辨别、计数、打包等一体化功能。
关键词：机械 硬币 分离 创新
College Students Mechanical Design Innovation Practice Coin Separation Device
Liu Ning
Abstract：Up to now， related coin separation devices have been able to solve the difficulty of coin separation very well. Now they basically have the characteristics of low noise， stable transmission and reliable performance. Most of them adopt eddy current method， but they are still not comprehensive and systematic enough. In view of this phenomenon， the article through mechanical design innovation practice， designed a coin separation device refined to achieve separation， anti-counterfeiting， discrimination， counting， packaging and other integrated functions.
Key words：mechanical， coin， separation， innovate
1 基本工作原理与设计思路
硬币分离机主要利用各种规格的硬币物理尺寸的差异设计出不同大小的特定分离孔来进行分离。由上往下分别为：上端盖，挡板，回转板，上箱体，法兰盘，分离盘，导流槽及收集容器。
硬币进入投入口后由挡板转动缓冲，分离至四周通过挡板与机体壳之间5mm的缝隙平缓滑入至回转板上，随着回转板回轉的离心力与硬币之间的相互碰撞，进入回转板与上箱体的5mm的缝隙，实现硬币横向进入。
上箱体四周设有四个倾斜导轨，每个导轨分出两个并列轨道连接至下方法兰盘，以分开叠放一起的硬币。硬币在下滑过程中后由横置变为竖直，落入下方法兰盘的硬币运输槽中。
下落后进入法兰盘运输槽，其中上箱体下部挡板与法兰盘留有1.5mm间隙，在法兰盘旋转过程中对法兰盘上方进行横扫，使未成功插入法兰盘运输槽中的硬币进入法兰盘中间四个圆形收容口，经轨道落入专门收集容器中，以便进行再次分离。
法兰盘下方为1mm间隙的分离盘，轨道正好对正法兰盘运输槽，硬币在运输槽带动下首先落在分离盘板上。各孔径大小比对应的硬币直径略大，滑轨留有足够运动轨道，以保证各种硬币充分分离。
相同的硬币由从四个不同导流区域经由导流槽汇入同一个收集容器。其中未分离硬币经由此处中间环形孔继续滑落，进入下方特定收集容器，等待再次进行硬币分离任务。
该装置既可以满足小型商店及自动售货机的使用要求，又可以满足超市、银行等地的大规模需求。
2 具体零件结构展示及功能分析
2.1 上端盖
上端盖由顶部漏斗和底部壳体组成，直径分别为280mm，324mm，中部为硬币掉落孔，内部设计与挡板和回转盘相互配合，实现了漏斗，缓冲，导流的功能。特别是底部为回转环形槽设计，在回转盘运转过程中，通过孔上方与挡板与挡板之间仅有的5mm距离，限制硬币一次性通过的数量，防止在回转盘造成堆积，可对硬币进行缓和导流，使硬币顺序进入下方。
2.2 挡板
挡板为上方带有弧度，底部有支撑肋板的盘状，整体直径为90mm，中间孔采用螺纹与主轴链接，在硬币落下时起到缓冲作用。
通过其弧度及旋转产生的离心力作用使落下的大量硬币减速并分散开后由预留空隙滑落到下方回转盘上，避免堆积。
2.3 回转盘
回转盘顶部带有倾斜弧度，而且设有八条凹槽，起到分割导流的作用，下方为内齿轮和支撑座。工作过程中通过主轴带动减速器与底部内齿啮合，产生回转运动，实现与挡板相反方向旋转。运转过程中硬币通过离心力和与硬币之间的相互碰撞，在顶部凹槽带动下横置滑入回转盘与箱体间隙，进入上箱体倾斜轨道。
2.4 上箱体
上箱体的设计顶部开口较宽，底部为两条狭窄的通道，分别对应法兰盘外侧的两圈深槽。上箱体四周设有四个倾斜导轨，每个导轨分出两个并列轨道连接至下方法兰盘，以分开叠放一起的硬币，两轨道之间有隔板分开，使硬币进入不同轨道，避免混乱，保证每个轨道进入一枚硬币。
硬币在下滑过程中后由横置变为竖直，落入下方法兰盘的硬币运输槽中。从回转盘滑落进入轨道的硬币，在下落过程随机进入下方狭窄通道，调整为竖直姿态，随下方法兰盘的转动掉入其深槽中。狭窄通道的设计为每次只允许一枚硬币掉落，避免硬币掉落进法兰盘时发生堆积、卡顿现象。
其中上箱体下部挡板与法兰盘留有1.5mm间隙，并有特制的挡板在法兰盘旋转过程中对其上方进行横扫，使未成功插入到硬币运输槽中的硬币进入法兰盘中间四个圆形收容口，经轨道落入专门收集容器中，以便进行再次分离。
2.5 法兰盘
法兰盘主要作用是带着从上箱体的滑轨中滑落出的硬币转动，并使其逐个经过下方分离盘上四种大小的硬币分离孔，达到硬币分离的目的。该盘的总体直径276mm，由外向里分别为两圈插入硬币的深槽，使硬币未能成功插入深槽时可以掉落到下方容器的漏币孔和主轴保护套。运转过程中上方与带滑轨的上箱体连接，通过旋转将导轨中的硬币装入外侧运币槽中，下方与硬币分离盘连接，使硬币随着转动经过不同大小的分离口，完成分离。 其中用来插入硬币的两圈深槽分布在直径为140mm到276mm的圆环之间，长30mm、宽4.76mm、深30mm。其中4.76mm为上方最大开口宽度，槽内尺寸为4mm，用来限制硬币下落数目，使其最多同时插入两枚硬币。由于在圆环中挖槽时越往外宽度越大，而过大和不协调的宽度容易造成在法兰盘转动过程中硬币的脱落、变位。因此在设计时采用多个截面相互配合，确保深槽的宽度由内向外宽度保持不变，使硬币在插入深槽后不因产生偏转、变位而影响与分离盘的结合。
运转过程中，因为硬币从上方旋转的回转盘上進入到上箱体滑轨时具有一定的方向性，并不是完全竖直的，而是顺着上方回转板的旋转方向产生一定的倾斜。此时若是下方法兰盘转向与硬币倾斜方向一致，则容易产生硬币插入深槽失败的情况。针对这一情况，将法兰盘与下方分离盘的装配距离定为1.5mm，并且通过传动齿轮和减速器的配合，既达到减速的目的，又实现了该盘转动方向与滑轨底部硬币的倾斜方向相反。这样在该盘运转的过程中，深槽的槽壁首先接触到露出滑轨底部一小部分的硬币，随着转动将倾斜的硬币摆正，使其掉落到的深槽中。然后随着法兰盘转动依次经过由小到大的分离孔，在对应的孔中掉落，进入下方收集容器。
仍未能顺利插入深槽的硬币，将由与上箱体相连的挡板阻挡，最后滚动到法兰盘中部区域的漏币掉落孔中进入下方专门的收集容器。漏币掉落孔直径为40mm，共有5个，围绕主轴保护套均匀分布，运转中可以确保漏币充分掉落。最中央部分是直径为36mm，高度为50mm的主轴保护套，用来防止未成功插入深槽的影响主轴转动。
2.6 硬币分离盘
硬币分离盘主要是实现对不同种类硬币的分离功能，该盘总体直径324mm，在其外侧有与上方法兰盘深槽对应的两条环状槽，槽内按不同种类的硬币由小到大的顺序分布着对应的分离口。分离口的宽度比对应硬币的直径略大，有效防止其他非对应硬币的错误分离。
分离盘轨道正对上方法兰盘的两圈运币槽，硬币在运币槽带动下首先落在分离盘板上，而后在环形槽上方滑动，依次经过与1角、5角、老式一角和1元硬币，各分离口宽度均比对应类别的硬币直径略大，环形槽留有足够运动距离，以保证各种硬币在符合条件的分离口上充分掉落。
由于要分离的各种尺寸的硬币直径相差不大，且上方运币槽的宽度为4mm，略大于硬币厚度，使硬币在运转过程中易发生倾斜变位，因此可能出现直径较大的硬币在未到达正确的分离口之前与较小分离口之间的卡位现象，造成硬币的脱落和错误分离。为避免此类问题的发生，除了进一步精确法兰盘运币槽和分离口宽度外，将分离盘与法兰盘的装配间隙定为1mm，这就使得硬币在未到达正确的分离口之前只有一小部分与分离口的壁相接触，在运转过程中上方大部分保留在运币槽中，在运币槽的推力作用下顺利通过各口径的分离口。同时为使硬币下落后进入槽内，更好的在分离轨道上滑行，各分离口之间的交界处设计为两边高中间低的倒三角形，使硬币能够顺利通过。
分离盘中间区域围绕主轴均匀分布四个扇形通口，使未分离硬币通过法兰盘经由此处掉落至下方。而且盘上各个位置开有倒角，确保硬币滑动顺利。
2.7 导流槽
导流槽主要功能是将从上方硬币分离盘的四个分离区域中分离出来的同种硬币汇集到一起，按装配后与上方分离盘上各种硬币分离口的角度对应关系划分为四块导流区域，每块导流区域有各自设有对应四种硬币的导流口。为使上方运币盘内的硬币在通过硬币分离口过程中顺利滑动，各导流口之间的隔板在对应位置挖有供硬币通过的凹槽。中间区域为供上方未成功分离的硬币掉落的圆形漏币口。
导流槽底部接四个环状的收集容器，由于市场上流通的硬币主要以1元居多，结合底部环形存储容器由内向外半径不同而造成存储容量不同。因此不同硬币的导流口内的挡板依靠其倾斜角度将硬币按流通占有率的大小导入不同的环形容器当中，其中1元硬币通过四个导流区域的汇集到最外面的环形储存容器中，由外向里依次为1元，5角，1角和老式1角。
2.8 盛装盒与下底盘
硬币收集装置由四个90度的扇形盛装盒组成，扇形圆心位置留有放置发动机和主轴的空间，四个盛装盒拼凑成一个圆形的盛放装置，每个盛装盒之间用销子连接。盛装盒安装在下方的旋转盘上，最底部为下底盘，中间有一突起的台柱，旋转盘通过中心的轴承与下底盘台柱连接。四个盛放盘可通过在下箱体开口处人为拨动进行旋转，有选择的将不同的盛装盒抽出进行硬币的清理。每个扇形盛装盒分为五个盛装区域，分别与上方导流槽上不同硬币的出口对应，由外到里盛放的硬币为1元、5角、1角、老式1角以及在上箱体与法兰盘连接处未能成功插入运币槽的漏币。
参考文献：
[1]安子军.机械原理教程.北京：机械工业出版社，2003.
[2]许立忠，周玉林.机械设计.北京：机械工业出版社，2009.9.
[3]韩晓娟.机械设计课程设计指导手册，北京：机械工业出版社，2009.9.
[4]徐庆，王章中.硬币·硬币材料·硬币流通[J].机械制造与研究，2000.
关键词：机械 硬币 分离 创新
College Students Mechanical Design Innovation Practice Coin Separation Device
Liu Ning
Abstract：Up to now， related coin separation devices have been able to solve the difficulty of coin separation very well. Now they basically have the characteristics of low noise， stable transmission and reliable performance. Most of them adopt eddy current method， but they are still not comprehensive and systematic enough. In view of this phenomenon， the article through mechanical design innovation practice， designed a coin separation device refined to achieve separation， anti-counterfeiting， discrimination， counting， packaging and other integrated functions.
Key words：mechanical， coin， separation， innovate
1 基本工作原理与设计思路
硬币分离机主要利用各种规格的硬币物理尺寸的差异设计出不同大小的特定分离孔来进行分离。由上往下分别为：上端盖，挡板，回转板，上箱体，法兰盘，分离盘，导流槽及收集容器。
硬币进入投入口后由挡板转动缓冲，分离至四周通过挡板与机体壳之间5mm的缝隙平缓滑入至回转板上，随着回转板回轉的离心力与硬币之间的相互碰撞，进入回转板与上箱体的5mm的缝隙，实现硬币横向进入。
上箱体四周设有四个倾斜导轨，每个导轨分出两个并列轨道连接至下方法兰盘，以分开叠放一起的硬币。硬币在下滑过程中后由横置变为竖直，落入下方法兰盘的硬币运输槽中。
下落后进入法兰盘运输槽，其中上箱体下部挡板与法兰盘留有1.5mm间隙，在法兰盘旋转过程中对法兰盘上方进行横扫，使未成功插入法兰盘运输槽中的硬币进入法兰盘中间四个圆形收容口，经轨道落入专门收集容器中，以便进行再次分离。
法兰盘下方为1mm间隙的分离盘，轨道正好对正法兰盘运输槽，硬币在运输槽带动下首先落在分离盘板上。各孔径大小比对应的硬币直径略大，滑轨留有足够运动轨道，以保证各种硬币充分分离。
相同的硬币由从四个不同导流区域经由导流槽汇入同一个收集容器。其中未分离硬币经由此处中间环形孔继续滑落，进入下方特定收集容器，等待再次进行硬币分离任务。
该装置既可以满足小型商店及自动售货机的使用要求，又可以满足超市、银行等地的大规模需求。
2 具体零件结构展示及功能分析
2.1 上端盖
上端盖由顶部漏斗和底部壳体组成，直径分别为280mm，324mm，中部为硬币掉落孔，内部设计与挡板和回转盘相互配合，实现了漏斗，缓冲，导流的功能。特别是底部为回转环形槽设计，在回转盘运转过程中，通过孔上方与挡板与挡板之间仅有的5mm距离，限制硬币一次性通过的数量，防止在回转盘造成堆积，可对硬币进行缓和导流，使硬币顺序进入下方。
2.2 挡板
挡板为上方带有弧度，底部有支撑肋板的盘状，整体直径为90mm，中间孔采用螺纹与主轴链接，在硬币落下时起到缓冲作用。
通过其弧度及旋转产生的离心力作用使落下的大量硬币减速并分散开后由预留空隙滑落到下方回转盘上，避免堆积。
2.3 回转盘
回转盘顶部带有倾斜弧度，而且设有八条凹槽，起到分割导流的作用，下方为内齿轮和支撑座。工作过程中通过主轴带动减速器与底部内齿啮合，产生回转运动，实现与挡板相反方向旋转。运转过程中硬币通过离心力和与硬币之间的相互碰撞，在顶部凹槽带动下横置滑入回转盘与箱体间隙，进入上箱体倾斜轨道。
2.4 上箱体
上箱体的设计顶部开口较宽，底部为两条狭窄的通道，分别对应法兰盘外侧的两圈深槽。上箱体四周设有四个倾斜导轨，每个导轨分出两个并列轨道连接至下方法兰盘，以分开叠放一起的硬币，两轨道之间有隔板分开，使硬币进入不同轨道，避免混乱，保证每个轨道进入一枚硬币。
硬币在下滑过程中后由横置变为竖直，落入下方法兰盘的硬币运输槽中。从回转盘滑落进入轨道的硬币，在下落过程随机进入下方狭窄通道，调整为竖直姿态，随下方法兰盘的转动掉入其深槽中。狭窄通道的设计为每次只允许一枚硬币掉落，避免硬币掉落进法兰盘时发生堆积、卡顿现象。
其中上箱体下部挡板与法兰盘留有1.5mm间隙，并有特制的挡板在法兰盘旋转过程中对其上方进行横扫，使未成功插入到硬币运输槽中的硬币进入法兰盘中间四个圆形收容口，经轨道落入专门收集容器中，以便进行再次分离。
2.5 法兰盘
法兰盘主要作用是带着从上箱体的滑轨中滑落出的硬币转动，并使其逐个经过下方分离盘上四种大小的硬币分离孔，达到硬币分离的目的。该盘的总体直径276mm，由外向里分别为两圈插入硬币的深槽，使硬币未能成功插入深槽时可以掉落到下方容器的漏币孔和主轴保护套。运转过程中上方与带滑轨的上箱体连接，通过旋转将导轨中的硬币装入外侧运币槽中，下方与硬币分离盘连接，使硬币随着转动经过不同大小的分离口，完成分离。 其中用来插入硬币的两圈深槽分布在直径为140mm到276mm的圆环之间，长30mm、宽4.76mm、深30mm。其中4.76mm为上方最大开口宽度，槽内尺寸为4mm，用来限制硬币下落数目，使其最多同时插入两枚硬币。由于在圆环中挖槽时越往外宽度越大，而过大和不协调的宽度容易造成在法兰盘转动过程中硬币的脱落、变位。因此在设计时采用多个截面相互配合，确保深槽的宽度由内向外宽度保持不变，使硬币在插入深槽后不因产生偏转、变位而影响与分离盘的结合。
运转过程中，因为硬币从上方旋转的回转盘上進入到上箱体滑轨时具有一定的方向性，并不是完全竖直的，而是顺着上方回转板的旋转方向产生一定的倾斜。此时若是下方法兰盘转向与硬币倾斜方向一致，则容易产生硬币插入深槽失败的情况。针对这一情况，将法兰盘与下方分离盘的装配距离定为1.5mm，并且通过传动齿轮和减速器的配合，既达到减速的目的，又实现了该盘转动方向与滑轨底部硬币的倾斜方向相反。这样在该盘运转的过程中，深槽的槽壁首先接触到露出滑轨底部一小部分的硬币，随着转动将倾斜的硬币摆正，使其掉落到的深槽中。然后随着法兰盘转动依次经过由小到大的分离孔，在对应的孔中掉落，进入下方收集容器。
仍未能顺利插入深槽的硬币，将由与上箱体相连的挡板阻挡，最后滚动到法兰盘中部区域的漏币掉落孔中进入下方专门的收集容器。漏币掉落孔直径为40mm，共有5个，围绕主轴保护套均匀分布，运转中可以确保漏币充分掉落。最中央部分是直径为36mm，高度为50mm的主轴保护套，用来防止未成功插入深槽的影响主轴转动。
2.6 硬币分离盘
硬币分离盘主要是实现对不同种类硬币的分离功能，该盘总体直径324mm，在其外侧有与上方法兰盘深槽对应的两条环状槽，槽内按不同种类的硬币由小到大的顺序分布着对应的分离口。分离口的宽度比对应硬币的直径略大，有效防止其他非对应硬币的错误分离。
分离盘轨道正对上方法兰盘的两圈运币槽，硬币在运币槽带动下首先落在分离盘板上，而后在环形槽上方滑动，依次经过与1角、5角、老式一角和1元硬币，各分离口宽度均比对应类别的硬币直径略大，环形槽留有足够运动距离，以保证各种硬币在符合条件的分离口上充分掉落。
由于要分离的各种尺寸的硬币直径相差不大，且上方运币槽的宽度为4mm，略大于硬币厚度，使硬币在运转过程中易发生倾斜变位，因此可能出现直径较大的硬币在未到达正确的分离口之前与较小分离口之间的卡位现象，造成硬币的脱落和错误分离。为避免此类问题的发生，除了进一步精确法兰盘运币槽和分离口宽度外，将分离盘与法兰盘的装配间隙定为1mm，这就使得硬币在未到达正确的分离口之前只有一小部分与分离口的壁相接触，在运转过程中上方大部分保留在运币槽中，在运币槽的推力作用下顺利通过各口径的分离口。同时为使硬币下落后进入槽内，更好的在分离轨道上滑行，各分离口之间的交界处设计为两边高中间低的倒三角形，使硬币能够顺利通过。
分离盘中间区域围绕主轴均匀分布四个扇形通口，使未分离硬币通过法兰盘经由此处掉落至下方。而且盘上各个位置开有倒角，确保硬币滑动顺利。
2.7 导流槽
导流槽主要功能是将从上方硬币分离盘的四个分离区域中分离出来的同种硬币汇集到一起，按装配后与上方分离盘上各种硬币分离口的角度对应关系划分为四块导流区域，每块导流区域有各自设有对应四种硬币的导流口。为使上方运币盘内的硬币在通过硬币分离口过程中顺利滑动，各导流口之间的隔板在对应位置挖有供硬币通过的凹槽。中间区域为供上方未成功分离的硬币掉落的圆形漏币口。
导流槽底部接四个环状的收集容器，由于市场上流通的硬币主要以1元居多，结合底部环形存储容器由内向外半径不同而造成存储容量不同。因此不同硬币的导流口内的挡板依靠其倾斜角度将硬币按流通占有率的大小导入不同的环形容器当中，其中1元硬币通过四个导流区域的汇集到最外面的环形储存容器中，由外向里依次为1元，5角，1角和老式1角。
2.8 盛装盒与下底盘
硬币收集装置由四个90度的扇形盛装盒组成，扇形圆心位置留有放置发动机和主轴的空间，四个盛装盒拼凑成一个圆形的盛放装置，每个盛装盒之间用销子连接。盛装盒安装在下方的旋转盘上，最底部为下底盘，中间有一突起的台柱，旋转盘通过中心的轴承与下底盘台柱连接。四个盛放盘可通过在下箱体开口处人为拨动进行旋转，有选择的将不同的盛装盒抽出进行硬币的清理。每个扇形盛装盒分为五个盛装区域，分别与上方导流槽上不同硬币的出口对应，由外到里盛放的硬币为1元、5角、1角、老式1角以及在上箱体与法兰盘连接处未能成功插入运币槽的漏币。
参考文献：
[1]安子军.机械原理教程.北京：机械工业出版社，2003.
[2]许立忠，周玉林.机械设计.北京：机械工业出版社，2009.9.
[3]韩晓娟.机械设计课程设计指导手册，北京：机械工业出版社，2009.9.
[4]徐庆，王章中.硬币·硬币材料·硬币流通[J].机械制造与研究，2000.