五点式全自动捆钞机的原理与实现
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增大字体摘要：介绍了五点式全自动捆钞机的原理与实现，并给出了相应的硬件结构框图和部分软件框图以及各种非正常情况的处理方法。
关键词：五点式 全自动 捆钞机 可靠性
捆钞机是金融系统中的办公用品，其功能是将现钞打把每百张纸币为一把、打捆每十把为一捆，以便进行现钞的清点、运输和保存。国内的捆钞机主要分为三类。第一类是机械式的，即通过杠杆、螺旋或液压机械按压后由手工捆扎，因此工作人员劳动强度较大，且操作不规范。第二类是半自动的，即用电脑控制实现其中连续的一个或两个动作，然后在工作人员配合下完成捆钞。第三类捆钞机是全自动的，由工作人员把捆扎的现金放在工作台上，按下自动捆扎键后，自动捆钞机将完成全部动作。采用全自动方式可以真正地把操作人员从重复的劳动中解放出来，同时大大提高效率。目前金融部门用的捆钞机大部分是三点式的半自动捆钞机，由于三点式捆钞机会引起现钞的丢张现象，因此金融部门要求捆钞机能实现现金的五点捆扎。基于以上原因，开发了五点式的全自动捆钞机，在实际应用中达到了良好的效果。
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１ 五点式全自动捆抄机的工作原理
五点式全自动捆钞机连续捆钞的动作可以分为两步：第一步把现钞进行横向捆扎，第二步将现钞进行两次纵向捆扎。具体实现过程如下：
（１）将现钞放在工作台上，按下自动捆扎键，压币电机开始动作，将现钞压紧。当检测到现钞被压紧时，压币电机停止工作。
（２）启动进带电机，进带机构开始进带，当带头碰到带道上的“进带到位”行程开关时，进带电机停止工作。同时，凸轮电机开始动作，将带头压住。压好带头后，凸轮电机停止转动。
（３）进带电机反转紧带，将带抽紧，当检测到带被抽紧时，进带电机停止工作。同时，凸轮电机开始工作，带动焊接头将带焊接好，焊完后凸轮电机又带动切刀将带切断，当检测到凸轮电机达到初始位置时，凸轮电机停止工作。焊接点如图１(ａ)中①所示。
（４）压币电机反转，当工作台下降到一定程度时，压币电机停止转动。同时，机械手电机带动机械手左转。当检测到现钞已被放置成纵向时，机械手电机停止工作。
（５）压币电机压币，然后进行进带、压带、紧带，凸轮电机和下焊点电机同时动作，将上下焊点进行焊接。最后进行切带，完成第一个纵向的捆扎。上焊接点如图１(ａ)中②所示，下焊接点如图１(ｂ)中④所示。
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（６）机械手将现钞旋转１８０度后，进行第二次纵向捆扎，第二次捆扎后的上焊点如图１(ａ)中③所示，下焊接点如图１(ｂ)中⑤所示。
图１(ａ)为焊接完后的现钞正面效果，图１(ｂ)为焊接完后现钞的反面效果图，黑点表示焊接点。
横向捆扎过程可用图２来表示。其中，灰色部分为现钞，细线为捆扎带。
全自动捆钞机的硬件控制电路主要包括显示部分、键盘部分、电机驱动部分及各个电机的位置检测四大部分。其硬件框图如图３所示。
电机的位置检测包括：钱币种类５元、５０元、１００元等钱币的尺寸不一位置检测；机械手位置检测；压币电机位置检测；下焊点位置检测；凸轮电机位置检测；进带电机位置检测等。
电机包括：币种位置电机、机械手驱动电机、压币电机、下焊点驱动电机、凸轮电机、进带电机等。
电机控制部分的电路如图４所示。
当Ｐ１．０为高电平时，Ｕ１截止，Ｋ１闭合，进而Ｋ２闭合，电机转动。而当Ｐ１．０为低电平时，电机失电停转。
在图４的电路中采取以下几点措施来增强抗干扰功能：
（１）控制回路和驱动部分不共地，控制回路采用信号地，驱动部分采用模拟地，应用光电耦合器进行隔离。而对于交流部分采用的是交流地，并且把交流部分放在控制板外部。
（２）在直流继电器Ｋ１的线圈两端并一个二极管，在交流继电器Ｋ２的线圈两端并一个阻容吸收回路，用来吸收线圈通断电时产生的很高的反电势，从而减小对单片机系统的干扰。
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２ 自动捆钞机的软件实现
由于捆钞机的工序是顺序控制，因此对于实现捆钞机动作的子程序可以独立编制，然后根据工艺要求将各个部分串接起来。由于各个模块的功能主要是对对应的位置进行精确定位，实现方法基本相同，因此本文只画出进带电机进带的软件框图，如图５所示。
对于一个系统来说，除了要实现正常的功能外，还要能检测整个电路的工作情况是否正常。因此在软件的开始部分是检测设备能否正常工作。若机械部分不是在复位状态，则要驱动相应的电机使捆钞机复位。在运行过程中要能检测出各种非正常情况。下面列举几种非正常情况的处理方法。
（１）软件首先应该检测出各个位置检测传感器是否正常。若作为位置检测的传感器开路或断路，在单位时间内无信号接收到，则停机并开始报警，从而提高了设备的可靠性。
（２）捆钞机检测到带梢时，表示一盘带子将用尽。这时自动把机器中的带梢退出，然后报警，告诉用户带已用完，需要重新安装一盘新的带子。
（３）进带时，若由于带子的缺陷使其卡在捆钞机中，捆钞机能检测到带子是有缺陷的。
作为金融器具，安全性也是一个重要指标。因此要求捆钞机能处理一些特殊的情况，如当压币电机刚开始松币时压币电机的传感器突然发生故障。若按正常处理各种异常情况的方法，则压币电机停机并报警。此时现金将被压在设备中，等维修人员到现场处理，这可能有一两天时间。但是把现金放在外部是金融部门不允许的。本捆钞机处理该异常情况的方法是按住某一按键数秒钟后，压币电机即松币，直到该键放开。
另外在设计捆钞机时，对于每一个单独的动作，都可以通过面板上对应的按键来完成。通过这种设计，使捆钞机的维修变得简单。
图4 电机控制部分的电路图
３ 提高电机控制精度的实现方法
由于单相异步机的价格很低，因此在本系统中全部采用单相异步电机。但从位置控制的角度讲，单相异步接上页）
机很难精确定位（开环控制）。单相异步电机快速停车的实现原理如下：当异步电机在正常工作状态下时，异步电机两相绕组上的相位相差９０°，因而在异步电机定子上产生一个旋转磁场。在旋转磁场中的转子切割磁力线而使电机旋转。当在电机的两相绕组上同时加同相电压时，则在定子中产生一个静止的磁势，而此时电机的转子由于电流的存在也产生一个磁势。该磁势随转子旋转。根据磁路最近原理可知，当两个磁势产生的磁路最短时，磁路达到稳定。因而当电机定子的磁势和转子的磁势重合时，磁路达到最短。这样就使电机在最短的时间内停止工作。其原理即电磁刹车的原理。硬件中没有增加刹车部分，但其系统的性能却得到很大的提高。使用该方法不但减少成本，而且增加了整个系统的可靠性。
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４ 机械手功能的实现
由于在捆钞机中，机械手需要完成的动作很简单，只是把现钞从横向放置成纵向，然后再将现钞从纵向放置成横向，各个动作之间是９０度关系，因此机械手动作可以通过电机带动机械手的凸轮结构来完成。当检测部分检测到凸轮机构完成９０度旋转后，电机停转，完成捆钞机机械手部分的动作。
五点式智能捆钞机从硬件和软件上采取了各种抗干扰措施，使该设备抗干扰能力增强，工作稳定性提高，同时具备多种自诊断功能，如出现各种意外情况，也不会损坏现金。该设备在实际工作中性能可靠，是一款理想的金融器具。
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作者：佚名
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