摘 要： 点钞机的卡钞现象是影响点钞速度的主要因素，这种类似现象也存在于传真机、自动取款机、冲印机等介质传送系统中。为解决该问题，以HT?9000A型点钞机的纸币进给机构为研究对象，仿真分析点钞机纸币在进钞机构中的动态行为，利用多体系统动力学仿真软件RecurDyn，根据建立的点钞机纸币传送机构的几何模型，分析在此过程中纸币与捻钞轮之间的接触力，对不同进钞角度的纸币运动速度以及运动轨迹进行运动仿真。结果表明选择11.5°～12.5°范围内的进钞角度能使纸币按照理想轨迹运动，同时能使纸币的进钞速度稳定，从而降低了卡钞现象发生的概率。
关键词： 点钞机； 进钞机构； 运动仿真； RecurDyn
中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）08?0124?04
Dynamic analysis and simulation research on speed and stability of banknote feeding mechanism in cash?counting machine
LIU Ming， ZHAO Zuo?xi， SUN Dao?zong， LIU Xiong， SHI Lei， JIN Jun?dong
（1. South China Agricultural University， Guangzhou 510642， China； 2. Guangzhou Kangyi Electronics Co.， Ltd.， Guangzhou 510235， China）
Abstract： The blocking phenomenon of cash?counting machine is the main factor to affect the counting speed. The similar phenomenon also exists in the automatic teller machine， fax machine， printing machine and other media delivery systems. In order to solve this problem， taking the paper money feeding mechanism of HT?9000A type currency?counting machine as the research object， the dynamic behavior of the paper money feeding mechanism is simulated and analyzed. By using multi?body system dynamics simulation software RecurDyn， based on the geometric model of currency?counting machine’s transmission mechanism， the contact force between paper money and money entwisting wheel is analyzed. The results show that the money feeding angle range of 11.5°～12.5° can make the notes move in the ideal trajectory， make the machine keep stable note feeding speed， and make the occurrence probability of the blocking phenomenon reduced.
Keywords： cash?counting machine； banknote feeding mechanism； motion simulation； RecurDyn
0 引 言
随着社会、经济的快速发展，纸币大量流通，假币泛滥给国家经济社会带来了很大的危害[1?3]，市场需求能更大量的点钞和更准确的验钞的点钞机出现[4?8]。进钞机构是影响点钞机走钞平顺性及鉴伪能力关键部件之一。因此，有必要对点钞机走钞机构进行研究分析，目前，通过制造样机进行试验的方式设计周期长、成本高[8]。通过软件建立虚拟样机的设计方法可以缩短设计周期、降低成本[9?10]。本文以广州康艺HT?9000A型点钞机的进钞机构进行点钞机进钞机构动态分析和仿真研究。得到在不同的进钞角度下，纸币在传送过程中的速度变化及纸币前端的运动轨迹。通过对仿真结果进行分析得到最合适的进钞角度范围，供设计参考。
1 进钞机构进钞介绍
目前，我国市面上生产的点钞机的进钞机构大多采用上分钞式进钞机构[11]，故本文以康艺JBYD?HT?9000系列点钞机为研究对象，其具体的机械结构及装配框架如图1（a）所示。点钞机走钞机构具体的机构主要包括入钞部分，走钞部分和接钞部分。入钞部分主要由滑钞板、送钞舌、阻力橡皮、落钞板、调节螺丝、捻钞胶圈等组成。走钞部分主要由出钞胶轮、出钞对转轮组成。接钞部分主要由接钞爪轮、托钞板、挡钞板等组成。这种点钞机的走钞轨迹具体如图1（b）所示。
本文实验平台、仿真及研究是针对进钞台走钞滚轮，利用Pro/E对其进行三维制图，具体如图2所示。图中黑色部分为进钞橡胶捻轮，图右下角齿轮为传动齿轮。
以进钞台后可调螺丝与进钞台平面间的直线为基准，其与进钞台平面之间的夹角即为进钞角度，如图2所示，纸币前端的理想运动轨迹应为：纸币前端沿着进钞台滑钞板进入走钞通道，沿着进钞台底座上平面边界点与第一对送钞滚轮组接触点连线方向进入第一对送钞滚轮组，后经高速传送经过第二对送钞滚轮组。最后经过接钞叶轮到挡超板，纸币前端如果偏离了理想运动轨迹就容易与送钞滚轮组发生碰撞，造成纸币前端与后端速度不一致，纸币发生折弯导致卡钞现象。故点钞机纸币传送机构的设计显得尤为重要。而纸币传送机构中进钞机构的进钞角度的选择对纸币的运动轨迹有很大的影响。 2 重要参数的试验测算
为了能够精准地仿真分析，主要对送纸机构各部件（纸张、捻钞轮、管轮组）进行物性分析以及对各部件参数进行实验测量。
2.1 纸币挠性分析
纸张在机械负荷作用下具有一般力学拉伸、压缩、扭转、弯曲、弹性等性质。有必要首先研究纸张挠曲特性。得出纸币挠性参数。以供仿真的精确。对于纸张的挠性分析分别从搭建实物实验和放到RecurDyn仿真软件里两个方面进行分析，具体如图3所示。图中在一水平桌面上将新版100元纸币置于纸盒上方1 mm处释放，形成自由落体和弯曲后，测量纸张边缘距离桌面的高度以及纸张边缘距离纸盒中心的横向距离分别是41 mm和82 mm。在RecurDyn软件的机构分析仿真中，试验中假设纸张在刚体下可变形，纸张的尺寸为新版100元人民币，长为165 mm，宽为77 mm，厚为0.1 mm。在仿真软件中设定钞票用纸的物性参数，大小支撑物上方1 mm 处的模型，得到自由落下后，钞票所产生的挠曲图形，仿真结果是测量纸张边缘距离桌面的高度以及纸张边缘距离纸盒中心的横向距离分别是40.52 mm和82.31 mm。
通过对比仿真与实验结果表明，改纸币的模型的建立是合理的。
2.2 捻钞轮转动惯量的计算与实验验证
为准确地仿真，本文利用三维制图软件SolidWorks对捻钞轮各部件进行实体建模测算出转动惯量，按照其实际位置关系进行装配，并通过扭摆法实验测量捻钞轮的转动惯量以此来验证软件计算的正确性。
2.2.1 用SolidWorks计算捻钞轮的转动惯量
转动惯量又称惯性力矩，是刚体转动时惯性的量度，其量值取决于物体的形状、质量分布及转轴的位置。质量分布均匀、外形简单的零件可以用公式计算出其转动惯量，而外形尺寸比较复杂、形状不规则、由多个零部件组成的旋转体，如本文中的捻钞轮，无法通过计算公式来算其转动惯量，就可以用SolidWorks来对其三维建模，并设定其每个零部件的质量参数从而计算捻钞轮的转动惯量。
在SolidWorks中建模完成后，打开SolidWorks选择工具栏中的“质量特性”命令，应逐一设定零件的密度、质量、体积、表面积、重心及转动力矩等数据信息。结果显示三维建模后捻钞轮转动惯量为48.857 kg·mm2，如图4所示。
2.2.2 扭摆法验证捻钞轮的转动惯量
根据虎克定律，可知若要测量任何一种物体的转动惯量，测出摆动周期T，就可算出其转动惯量I，因此本文采用扭摆法来测得捻钞轮的摆动周期，进而测算出其转动惯量。实验如图5所示，将物体在水平面内转过一角度后，在弹簧的恢复力矩作用下，物体就开始绕垂直轴作往返扭转运动。
本实验通过带有光电门的转动惯量测试仪来记录扭摆弹簧做简谐运动的周期，多次实验求平均值，每次实验记录5组数据，最后取平均数算得简谐运动周期。在金属载物盘上放置所研究的捻钞轮，测量扭摆弹簧做简谐运动的周期，所得实验数据如表1所示。
根据原理公式计算出捻钞轮的转动惯量： [I=KT24π2-I0]=47.4 kg·mm2。
通过对比发现通过软件计算所得出的捻钞轮转动惯量值与实验所得相差3%，所以本文得到的转动惯量真实可靠，可以为接下来的软件仿真提供数据支持。
2.3 滚轮间压力测定
如图6所示，将压力传感器置于送钞滚轮组之间，用两条信号线分别连接压力传感器的两个引脚，把万用表调节到电阻测量档位，两根表笔分别与两根信号线相连，读取并保存万用表数据，根据万用表读取的数据查压力电阻变化曲线得到对应的压力值。
3 仿真建模与分析
根据第2节中建立的点钞机纸币传送机构简化模型，在仿真软件中建立点钞机纸币传送机构三维模型。之后依次建立纸币模型、驱动轮模型从动轮模型、进钞台模型及添加运动、添加部件之间的约束副。在建立模型时分别对各部分的物性参数进行设置，根据之前实验测定的纸币挠性、捻钞轮转动惯量、滚轮轴间压力及存在可查的物性参数进行设定，最后进行运动、运动副的设定。这样整个仿真分析模型就可以得到正确建立，如图7所示。
点钞机作为一种纸币鉴伪、清点装置，其鉴伪的准确率及清点速度的快慢是评价其性能优劣的两个重要指标。纸币在走钞通道运动过程中应尽量靠近磁头通过。否则，纸币在运动过程中如果与其发生碰撞则容易发生卡钞现象，影响清点速度。而进钞角度正是影响过钞是否平顺和卡钞的重要因素，因此，本文基于康艺JBYD?HT?9000型点钞机利用仿真软件分析进钞角度对于纸币运动轨迹的影响，纸币理想的运动轨迹为：纸币沿着进钞台导轨进入走钞通道，沿送钞滚轮组接触点方向进入送钞滚轮组。如图8（a）所示，以驱动轮中心转轴点向右平移14.08 mm，向下平移50 mm为原点建立平面直角坐标系，在此坐标系中绘制纸币前端点在走钞通道中的理想运动曲线如图8（b）所示。
在仿真软件中设定捻钞轮的角速度为30 rad/s，滚轮对中主动轮的角速度为40 rad/s，滚轮对之间的正压力设为15 N。设定4种不同的进钞角度，10.5°，11.5°，12.5°，13.5°，后进行仿真求解，得到纸币的运动速度如图9所示。运动轨迹如图10所示。
4 结 论
通过以上仿真结果分析，可以得到如下结论：
（1） 随着进钞角度的增大，纸币前端的运动轨迹与理想运动轨迹更加接近，有利用点钞机的清点、鉴伪过程。
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图10 纸币仿真运动轨迹
（2） 随着进钞角度的增大，纸币的进钞速度加快，可以加快点钞速度。同时随着进钞角度增大，纸币在进钞阶段速度抖动增大，影响进钞的平顺性。
（3） 综合以上两点考虑，选择11.5°～12.5°范围内的进钞角度能使纸币按照理想轨迹运动，同时能使纸币的进钞速度稳定。
注：本文通讯作者为赵祚喜。
参考文献
[1] 卢进军，魏来生，赵韬硕.基于RecurDyn的履带车辆高速转向动力学仿真研究[J].现代机械，2008（1）：13?15.
[2] 毛立民，于海涛.基于RecurDyn的四履带足机器人运动学仿真[J].微计算机信息，2009（1）：213?215.
