一种点验钞机过钞运动状态可视化研究的实验装置

摘要

本发明公开了一种点验钞机过钞运动状态可视化研究的实验装置，包括有可视化点验钞样机，可清晰观察到样机内部走钞轮组结构；角度调节机构，使第一滚轮组中的从动轮相对其主动轮的位置可调，通过调整从动轮与主动轮间的相对角度实现不同的进钞位置，从而得到不同的进钞轨迹；高速相机，用于捕捉纸币在过钞过程中的运动姿态；聚光灯，用于确保高速相机能捕捉到清晰图像；PC机，用于对高速相机采到的图片进行处理，绘出纸币运动轨迹，并拟合出整个过钞过程的纸币位移曲线图。本发明可重构纸币在不同结构参数走钞轮组中的整个运动轨迹，进而研究得出纸币传送平顺性能最好的最佳相对偏转角。

说明书

技术领域

本发明涉及点验钞机动力学实验的技术领域，尤其是指一种点验钞机过钞 运动状态可视化研究的实验装置。

背景技术

对点验钞机走钞轮组的研究一般从力学的方面为基础来进行研究的，进而 为更好的研究其平顺性及其它一些性能。目前，对走钞轮组的研究方法主要如 下几种：1)基于力学的研究方法，对于弹性滚轮与纸张的接触问题，利用应力 函数结合简单的理论算法以及迭代程序，获得可用来表现接触区域的方程式， 借助弹性体的非线性理论推导弹性体受力，建立其之间力的模型。根据其得出 的力学结果来进一步研究其相对应的结构的优化和升级。但这种纯理论的研究 方法虽然看似很精准其实是与实际情况不能完全相符，不能为优化开发结构新 结构提供具体清晰的数据依据。2)利用计算机软件仿真的方法，基于实验和力 学关系，测算出必要的参数，建立其内部间关系的力学模型。利用动力学仿真 软件进行仿真分析。在一定程度上可以显现其运动状态及传送姿态。进而来研 究走钞机构的升级和优化。但是这种方法跟实际情况仍然存在一些不同，对于 一些重要的参数只能有限的设定和假定，有些参数不能完全与真实情况一致， 且在仿真过程中是将纸币设定为刚体，但实际情况不是刚体，所以这种方法只 能在一定程度上反应大体情况，而纸币是一种容易变形的柔性体无法用仿真软 件进行完全模拟。

现有的方法均在某种程度和方面存在着一些缺陷，而本实验装置在这些方 面可以弥补其不足的地方，对于研究点钞机的走钞机构具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高精度、操作简单、实 用性强的点验钞机过钞运动状态可视化研究的实验装置，可以避免前人研究时 的理论或仿真不能完全与实际情况相符的弊端，并可避免在原机采集时的视野 限制问题。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种点验钞机过钞运动状 态可视化研究的实验装置，包括有：

可视化点验钞样机，其外壳采用透明材料制作，可清晰观察到样机内部走 钞轮组结构，包括有捻钞轮、第二滚轮组及设在捻钞轮和第二滚轮组之间的第 一滚轮组；

角度调节机构，使所述第一滚轮组中的从动轮相对其主动轮的位置可调， 通过调整从动轮与主动轮间的相对角度实现不同的进钞位置，从而得到不同的 进钞轨迹；

高速相机，用于捕捉纸币在过钞过程中的运动姿态；

聚光灯，用于确保所述高速相机能捕捉到清晰图像；

PC机，用于对所述高速相机采到的图片进行处理，绘出纸币运动轨迹，并 拟合出整个过钞过程的纸币位移曲线图。

所述PC机配置有autocad软件和matlab软件，其中，利用autocad软件的 图片编辑功能对高速相机导入的图片进行标注测量，其过程为：在autocad软件 界面的主菜单栏中选择插入—光栅图像参照，会弹出图像文件对话框，找到需 要测量的图片确认后，制定插入点，即可插入图片，然后用软件的SC缩放命令 调整大小，将图像调整比例至机构实际尺寸，之后再利用软件的测绘功能对纸 币前缘点进行标定；如此循环，即可插入大量高速相机图片，实现设定插入点、 缩放比例、获得图片中结构尺寸与实际结构尺寸相等的目的，并在此过程中对 图片进行编辑处理，标出大量纸币前端标定点，它们的分布大致为一条曲线， 这样就重现了纸币过钞的轨迹，从而获得纸币前缘端点相对参考原点的位移和 每个前缘端点之间的位移变化量；利用matlab软件编程实现曲线拟合的最小二 乘法，对实验数据进行处理，进而得到整个过钞过程的纸币位移曲线图。

所述角度调节机构采用三角刻度转板来精确调整第一滚轮组中从动轮与主 动轮间的相对角度，所述从动轮位于主动轮的下方，并装配在从动轴上，所述 主动轮装配在主动轴上，所述相对角度为从动轮轴线与经过主动轮轴线的竖直 线间的夹角大小；其中，所述三角刻度转板有两块对称设在可视化点验钞样机 的两侧板内侧，每块三角刻度转板上从顶角开始从上往下依次设有主动轴轴承 定位孔、从动轴轴承定位孔、销钉定位滑槽，所述可视化点验钞样机的两侧板 上设有对称的销孔及供从动轴端部轴承滑动的滑槽，所述两块三角刻度转板通 过各自主动轴轴承定位孔固定在主动轴的两端轴承上，所述从动轴通过其两端 轴承安装在两三角刻度转板上，所述三角刻度转板可以主动轴轴线为旋转中心 进行偏转，从而带动从动轮偏移，进而实现调节从动轮与主动轮间的相对角度， 所述销孔与各自相应的销钉定位滑槽相适配，调节好从动轮与主动轮间的相对 角度后，通过插入销孔和销钉定位滑槽中的定位销钉可对已调节好的偏转角度 进行定位，固定三角刻度转板。

所述三角刻度转板的偏转角度范围为左右偏转10°。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

本发明基于实验的思路上，避免了目前研究时的理论测算或仿真不能完全 与实际情况相符的弊端。可以清晰地捕捉到纸币在点验钞机内高速传送过程， 实时捕捉过钞运动状态，并且通过设置角度可调机构，可调节第一滚轮组中的 从动轮相与主动轮的相对角度，以实现传送轨迹的改变，最后通过计算机的软 件处理，可重构纸币在不同结构参数走钞轮组中的整个运动轨迹，进而研究得 出纸币传送平顺性能最好的最佳相对偏转角，从而实现纸币传送最平顺，传输 效率最高，纸币翘曲程度最少。

附图说明

图1为本发明所述可视化点验钞样机的结构简图。

图2为本发明所述三角刻度转板的结构示意图。

图3为在autocad中光标所处位置坐标精度显示图。

图4为纸币全程传输前缘端点轨迹图。

图5为连接纸币前缘端点绘制运动轨迹图。

图6为纸币运动位移曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本实施例所述的点验钞机过钞运动状态可视化研究的实验装置，包括有：

可视化点验钞样机，其结构参数和尺寸都与原机一样，如图1所示，能达 到一致的效果，唯一区别是采用透明度高的有机玻璃板代替原机的钣金板，即 使其外壳可视化，以可清晰观察到样机内部走钞轮组结构，所述样机内部走钞 轮组结构包括有捻钞轮3、第二滚轮组2及设在捻钞轮3和第二滚轮组2之间的 第一滚轮组1；

角度调节机构，使所述第一滚轮组1中的从动轮101相对其主动轮102的 位置可调，通过调整从动轮101与主动轮102间的相对角度实现不同的进钞位 置，从而得到不同的进钞轨迹；

高速相机，用于捕捉纸币在过钞过程中的运动姿态，采用美国Vision  Research公司针对100万像素级推出的高速摄像机，满幅拍摄速率为1630帧/ 秒，最高拍摄速率可达到400000帧/秒，500ns两次曝光最小时间间隔可满足PIV 应用的需要；

聚光灯，用于确保所述高速相机能捕捉到清晰图像，保证实验成功进行；

PC机，用于对所述高速相机采到的图片进行处理，绘出纸币运动轨迹，并 拟合出整个过钞过程的纸币位移曲线图。

所述角度调节机构采用三角刻度转板来精确调整第一滚轮组中从动轮与主 动轮间的相对角度，所述从动轮位于主动轮的下方，并装配在从动轴上，所述 主动轮装配在主动轴上，所述相对角度为从动轮轴线与经过主动轮轴线的竖直 线间的夹角大小；其中，所述三角刻度转板有两块对称设在可视化点验钞样机 的两侧板内侧，每块三角刻度转板上从顶角开始从上往下依次设有主动轴轴承 定位孔401、从动轴轴承定位孔402、销钉定位滑槽403，如图2所示，所述可 视化点验钞样机的两侧板上设有对称的销孔及供从动轴端部轴承滑动的滑槽， 所述两块三角刻度转板通过各自主动轴轴承定位孔401固定在主动轴的两端轴 承上，所述从动轴通过其两端轴承装配在两三角刻度转板的从动轴轴承定位孔 402上，进而安装在该两块三角刻度转板上，并由该两块三角刻度转板带动偏移； 所述三角刻度转板可以主动轴轴线为旋转中心进行偏转，从而带动从动轮偏移， 进而实现调节从动轮与主动轮间的相对角度，所述三角刻度转板的偏转范围为 左右偏转10°；所述销孔与各自相应的销钉定位滑槽403相适配，调节好从动 轮与主动轮间的相对角度后，通过插入销孔和销钉定位滑槽中的定位销钉可对 三角刻度转板进行固定，进而实现对已调节好的偏转角度进行定位。

所述PC机配置有autocad软件和matlab软件，高速相机拍摄完毕后，要做 的就是将数据放到PC机软件中进行处理，具体是：利用高速相机采集到纸币传 输图像是JPG格式的，将该数据图像导入到PC机的autocad软件中，利用autocad 软件的图片编辑功能对高速相机导入的图片进行标注测量，其过程如下：

在autocad软件界面的主菜单栏中选择插入—光栅图像参照，会弹出图像文 件对话框，找到需要测量的图片确认后，制定插入点，即可插入图片，然后用 软件的SC缩放命令调整大小，将图像调整比例至机构实际尺寸，之后再利用软 件的测绘功能对纸币前缘点进行标定，标定后去除原图片，在autocad底图中留 下标定，为了更加精准地进行纸币前缘端点位置标定，可以采用软件的图像缩 放功能放大后进行标定，在autocad中光标所处位置坐标精度可达到小数点后四 位满足测量测量要求，如图3所示；如此循环，即可插入大量高速相机图片， 实现设定插入点、缩放比例、获得图片中结构尺寸与实际结构尺寸相等的目的， 并在此过程中对图片进行编辑处理，标出大量纸币前端标定点，它们的分布大 致为一条曲线，用圆圈标记标出，如图4所示，这样就重现了纸币过钞的轨迹， 后连接纸币前缘端点绘制运动轨迹，如图5所示。

根据测得的大量实验数据需寻求一种较简单的函数逼近求解，曲线拟合的 最小二乘法在解决这类实验数据处理和误差分析中应用非常广泛，可提高数据 处理的效率和精确度。在本发明中利用matlab软件编程实现曲线拟合的最小二 乘法，对实验数据进行处理，进而得到整个过钞过程的纸币位移曲线图。

此外，为了减少点验钞机专用电动机运转所产生的振动对纸币运动状态有 所影响，为平台配备的驱动电机是设计型号为YYD40R-4H专用电动机且与平 台的连接方式为非接触方式。齿轮之间的传动不是齿皮带而是圆形皮带传动， 这样可以增加传动的平稳性，防止皮带打滑现象。

实验时，主要分成以下三个步骤：第一步骤是测量从动轮与主动轮的相对 角度为0°时，检验纸币是否能够顺利过钞，且利用高速相机采集纸币的过钞情 况；第二步骤是测量从动轮与主动轮的相对角度在左右动态变化时(不同角度， 1°，2°，3°....10°)是否能够顺利过钞，且利用高速相机采集纸币过钞情况；第 三步骤是整理高速相机所捕捉到的图片，并导入到PC机中处理。

具体的实施方法如下：

1)首先将实验测试设备连接完成，再将高速相机及聚光灯定位。

2)将PC机、高速相机、聚光灯打开，暖机大约半个小时，确定在实验测 试过程中仪器保持稳定的状态。

3)实验开始前最重要的工作是调节聚光灯的照射位置，调整其至适当的位 置使其光线强度达到高速相机能够采集到清晰图像的目的，调整过后高速相机 能够获得清晰的视场。

4)调节可视化点验钞样机侧板上的三角刻度转板，确定从动轮与主动轮的 相对位置关系，启动实验台电机，从入钞口放置纸币确定纸币完全通过走钞轮 组，将实验台电机停止，确定采集到整个走钞过程的全部图像。

5)将上述步骤所采集到的图像数据整理保存在PC机上，以便进行下一步 的处理。

6)在PC机中按照上述软件的图片处理方法，对每张图片中纸币前缘端点 进行逐一的标定，从而获得纸币前缘端点相对参考原点的位移和每个前缘端点 之间的位移变化量。其中，左偏10°下通过高速相机采集实验整个纸币传输过程 一共采集到44张纸币运动图片，其中33张反应了纸币在走钞轮组的作用下传 输的整个过程，高速相机采样频率选择设定的是500帧/秒，也即是0.002s/张。 经过分析高速相机采集33张图像所用时间大约为0.002×33＝0.066s，也即是单张 纸币运动的时间为0.066s。获得纸币前缘端点相对参考原点的位移和每个前缘端 点之间的位移变化量如下表1所示。

表1-纸币前缘端点位移

参考点 时间t(s) 位移S(mm) 位移量ΔS 1 0.000 0.0000 0.0000 2 0.002 1.4924 1.4876 3 0.004 3.0313 1.5389 4 0.006 5.2297 2.1984 5 0.008 7.4281 2.1984 6 0.010 9.7584 2.3303 7 0.012 11.6270 1.8686 8 0.014 13.5675 1.9405 9 0.016 15.5061 1.9386 10 0.018 17.2993 1.7932 11 0.020 19.1762 1.9469 12 0.022 21.1578 1.9816 13 0.024 24.0010 2.8432 14 0.026 26.7522 2.7512 15 0.028 29.1506 2.3984 16 0.030 31.4080 2.2574 17 0.032 34.5832 1.9396 18 0.034 40.8058 6.2226 19 0.036 46.2376 5.4318 20 0.038 50.7524 4.5148 21 0.040 54.4707 3.7183 22 0.042 59.6870 5.2163 23 0.044 63.9781 4.2911 24 0.046 69.2704 5.2923 25 0.048 74.1336 4.8632 26 0.050 84.1461 5.0063 27 0.052 88.5802 4.4341 28 0.054 92.4422 3.8620 29 0.056 96.3041 3.8611 30 0.060 102.1686 5.8645 31 0.062 107.3219 5.1533 32 0.064 119.1899 7.8600 33 0.066 124.4822 5.2923

利用matlab软件编程实现最小二乘法，对实验数据的进行处理，处理后的 结果如图6所示，由图中可看出实际拟合出的曲线趋势与模型仿真曲线大致相 同，纸币成加速运动状态，仿真模型中在0.03s时进钞阶段完成，接下来进行 走钞阶段。因为之前进行推导的纸币运动方程是根据修正的摩擦模型建立的， 一些模型中所设定的参数值跟实际参数肯定会有所不同。而且仿真是在假设纸 币为薄膜刚体的条件下进行的不能观测纸币姿态变化，仿真模型中纸币运动的 初始条件也与实际纸币运动的初始条件不相同，对实际设计指导意义不大，没 有直接实际测出的数据得出的运动曲线对研究纸币运动状态更有说服力。

选取三角刻度转板在0°，左偏2°、5°、10°，右偏2°、5°、10°， 这七组典型的不同位置关系走钞过程所消耗的传输纸币的时间如下表2所示， 纸币出钞角的翘起情况如下表3所示，高速相机的采集频率设定为500帧/秒， 也就是一张图片消耗的时间为0.002s。

表2-七组不同角度走钞过程统计

在设计点验钞机时希望设计的机构能够顺利过钞且传输速度越快越好，这 样可以大大提高点钞速度，提高工作效率。通过以上表格中的数据对比分析， 传输时间随着右偏角度的增加而增加，随左偏角度的增加而减小，保证传输过 程顺利过钞且不卡钞的情况下，左偏某一度数存在最小值，保证走钞传输过程 消耗最短的时间。

表3-偏转角与出钞角测量结果

测量组别 主动轮与从动轮中心线转角(°) 出钞角(°) 1 0° 0° 2 右偏2° 3° 3 右偏5° 6° 4 右偏10° 12° 5 左偏2° -4° 6 左偏5° -3° 7 左偏10° -10°

通过以上表格归纳总结，通过改变从动轮与主动轮相对位置关系可以改变 出钞角，也即是纸币下一时刻传输的方向。且从动轮与主动轮的相对角度大小 跟出钞角存在密切的关系，从表中可以看到从动轮偏转角基本上跟纸币出钞角 大小相等。

综上所述，通过以上实验方法可以得出结论：纸币在不同偏转角度下纸币 前缘在即将运动离开滚轮副时会发生翘曲，翘曲角度与偏转角度大致相同。在 从动轮相对位置左偏时，纸币传输最平顺，传输效率最高，纸币翘曲程度最少， 单张纸币传输时间最短为0.076s。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实 施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范 围内。