摘要：为了解决ATM存取款机闸门装置成本高、传动和自锁结构复杂、可靠性不足等问题，创新设计了一款摆臂传动升降的闸门。该闸门利用曲柄滑块原理，以直流有刷电机驱动摆臂转动，摆臂末端的滚动轴承在闸门板的滑道上滚动，致使闸门在上下方向的滑套内上下移动，实现闸门的打开和关闭。通过利用曲柄具有的自锁点，匹配限位件设计，解决闸门自锁功能；通过杠杆原理，巧妙设计微动开关与压杆的位置，解决闸门的防夹手安全问题。相较于现有技术利用齿轮齿条或传送带传动、电磁铁解锁的闸门方式而言，本方案仅采用了曲柄摆臂滑块传动、曲柄自锁和杠杆防夹手，传动结构更巧妙简单，成本更低，可靠性更高。通过分析、测试验证，该结构方案稳定可靠，能满足50万次的寿命测试，为ATM存取款机的安全、高效运行提供了有力保障。
关键词：闸门装置,ATM存取款机,防夹手机构,摆臂传动
0引言
随着科技的日新月异，金融自助服务设备[1],特别是自动柜员机(Automatic Teller Machine,ATM),已经成为我们日常生活中不可或缺的一部分。它们以全天候、无间断的服务特性，满足了人们随时随地的金融需求，无论是存款、取款，还是查询、转账，都能迅速完成。然而，这种便捷性同时也伴随着一定的安全风险。由于ATM机的无人值守特性，它们在某些不法分子眼中成为了潜在的目标，试图通过非法手段盗取或截取储户的资金。近年来，随着ATM机的广泛普及，相关的安全问题也日益凸显，犯罪活动呈现出上升趋势。为了应对这一挑战，必须寻求新的安全防护措施[2],特别是针对出钞口的安全防护。出钞口是ATM机的重要组成部分，也是犯罪分子常常试图进行非法操作的关键部位。因此，设计出一种能够抵御非法开启、具有高度安全性的出钞闸门显得尤为重要。在已有的研究中，如徐欢，谭栋[3]的发明专利“安全闸门装置及装配该安全闸门装置的自动柜员机”，提出了一种齿轮齿条的传动方式，并结合凸形锁止弧和凹形锁止弧实现自锁。然而，这种方式虽然提供了一定的安全性，但其传动和自锁结构相对复杂，成本较高，且对加工成本和组装精度有着严格的要求。此外，其可靠性也有待提升。为了解决这些问题，提出了一种基于摆臂传动的ATM存取款机闸门设计。这款新型闸门不仅结构简洁、成本低廉，而且具有防夹手功能和闸门自锁功能，极大地提高了ATM机的安全性。本研究深入分析介绍其运动原理，并通过制作样机进行各种功能测试，以验证其在实际应用中的性能和寿命。期待这款新型闸门设计能为ATM机的安全防护带来新的突破，确保每一位储户的财产安全。
1设计原理
如图1所示，摆臂A、水平方向滑块B、连杆C、竖直方向滑块D。摆臂A是一个可以围绕固定点转动的杆件，其转动范围限制在上下90°之间。水平方向滑块B固定在摆臂A的一端，用于与连杆C的一端连接，将摆臂的转动转化为连杆的直线运动[4]。连杆C是一个连接水平方向滑块B和竖直方向滑块D的杆件，它的运动轨迹由摆臂A的转动和连接点的位置决定。竖直方向滑块D在垂直方向上移动，与连杆C的另一端连接，用于实现上下往复的直线运动。
当摆臂A围绕固定点向上转动时，由于水平方向滑块B和连杆C的连接关系，连杆C会推动竖直方向滑块D向上移动。当摆臂A向下转动时，连杆C会拉动竖直方向滑块D向下移动。通过控制摆臂A的转动角度和速度，可以控制竖直方向滑块D在垂直方向上的移动距离和速度。这个装置体现了曲柄滑块机构的运动特性[5],
即将旋转运动转化为直线运动。曲柄滑块机构是一种广泛应用于机械系统中的传动机构，它具有结构简单、传动稳定等优点[6]。
由于这种装置能够将摆臂的转动转换为连杆在竖直方向上的直线运动，因此它可以用于需要实现往复直线运动的场合，如自动生产线上的工件传输、物料升降等。圆柱体表面的凹槽可能用于与竖直方向滑块D配合，以增加接触面积和摩擦力，从而提高传动的稳定性和精度。
这个机械装置通过曲柄滑块原理实现了连杆在竖直方向上的上下移动，具有结构简单、传动稳定等优点，适用于需要实现往复直线运动的场合。
2机械系统设计
2.1出钞口
如图2所示，K为ATM存取款机条形出钞口，1为ATM存取款机机柜外壳。条形出钞口可根据钞票的宽度和出钞的厚度合理设计开口的尺寸，一般可设计为长200 mm,高25 mm（此为参考数据）。
出钞功能[7]：当用户选择从ATM取款时，ATM会根据用户的指令，将相应面额的钞票从闸门出钞口送出。这个出钞过程通过内部机械装置和传感器精密控制，确保钞票能够准确、完整地到达用户手中。
安全防护：闸门出钞口在出钞时能够自动打开，出钞完成后则关闭，起到了很好的安全防护作用。它防止了外部物品或人员直接接触到ATM内部的钞票存储区域，降低了被非法获取或篡改的风险[8]。
减少误操作：闸门出钞口的设计通常考虑到了用户的易用性，通过明确的指示和提示，帮助用户顺利完成取款操作[9]。同时，它也能有效减少因误操作而导致的钞票被卡住或损坏等问题。
2.2闸门
本闸门主要由支架板、闸门板、驱动装置以及安全保护机构组成。支架板与闸门板上设有对应的条形出钞口，通过驱动装置实现闸门板的上下滑动，从而达到开启和关闭出钞口的目的。闸门装置的设计充分考虑了结构紧凑性、运动平稳性以及安全可靠性[10]。如图3闸门结构所示，闸门包括支架板2、电机3、防撞脚垫4、打开到位传感器5、滚动轴承7、传动臂8、滑套9、闸门板10、条形滑道11、拉簧12、微动开关13、摆杆14、感应部件15、滑杆16。
2.2.1支架板与闸门板
支架板作为闸门装置的基础部件，具有足够的强度和刚度，以支撑闸门板的滑动运动。闸门板则采用轻质材料制成，以减少运动过程中的惯性力，提高运动响应速度。支架板与闸门板上均设有条形出钞口，通过闸门板的滑动，实现出钞口的开启和关闭。
2.2.2驱动装置
驱动装置[11]采用电机[12]与传动臂的组合方式，电机通过转轴带动传动臂转动，传动臂的第二端设有滑动部件，滑动部件在闸门板的条形滑道中滑动，从而驱动闸门板上下滑动。这种设计简化了传动结构，降低了成本，同时提高了传动效率。
2.2.3安全保护机构
为了防止闸门板在关闭过程中夹伤用户的手或其他障碍物，本闸门装置设计了防夹手装置[13]。该装置通过摆杆、拉力弹簧和微动开关的组合实现，当闸门板在关闭过程中遇到障碍物时，摆杆会摆动，使微动开关断开，从而停止电机的工作，避免夹伤事件的发生。
2.3闸门装置的工作过程
2.3.1初始状态
闸门装置在初始状态下，闸门板处于关闭位置，即闸门板的条形出钞口与支架板的条形出钞口完全错开，此时出钞口处于封闭状态。
2.3.2开启过程
当需要开启出钞口时，电机启动，电机转轴带动传动臂转动，传动臂的第二端带动滑动部件在闸门板的条形滑道中向上滑动。滑动部件对条形滑道的侧壁产生向上的作用力，该作用力作用到闸门板上，使闸门板相对支架板向上滑动。随着闸门板的滑动，闸门板的条形出钞口逐渐与支架板的条形出钞口对齐，直至闸门板滑动到最高位置，此时闸门装置处于完全打开状态。
2.3.3关闭过程
当需要关闭出钞口时，电机反向转动，传动臂带动滑动部件在条形滑道中向下滑动。滑动部件对条形滑道的侧壁产生向下的作用力，使闸门板相对支架板向下滑动。在关闭过程中，如果闸门板遇到障碍物（如用户的手），摆杆会摆动，使微动开关[14]断开，电机停止工作，避免夹伤事件的发生。当障碍物移除后，在拉力弹簧的作用下，摆杆恢复到初始位置，微动开关重新导通，电机继续工作，直至闸门板完全关闭。
2.3.4到位检测
为了确保闸门装置的准确开启和关闭，本装置还设置了打开到位传感器和关闭到位传感器。当闸门板滑动到打开位置时，感应部件触发打开到位传感器，传感器产生感应信号发送给控制器，控制器确认闸门板打开到位并关闭电机；当闸门板滑动到关闭位置时，感应部件触发关闭到位传感器，传感器产生感应信号发送给控制器，控制器确认闸门板关闭到位并关闭电机。
3控制方案
闸门的控制原理是该设备的核心部分，其实现了对闸门运动和动作的精确控制和调节。
下面阐述闸门控制方案，如图4所示。
(1)指令接收与下发
上位机作为控制系统的核心，负责下发操作指令，这些指令分为“打开指令”和“关闭指令”，用于控制闸门的开启和关闭。
(2)执行打开指令
当闸门控制系统接收到“打开指令”时，会驱动电机进行正转。随着电机的正传，闸门开始打开。在此过程中，系统会持续监测打开到位开关的状态。
当闸门完全打开，且打开到位开关感应到这一动作完成时，电机将停止正传，闸门保持打开状态。
(3)执行关闭指令
当系统接收到“关闭指令”时，电机将启动反转（与正转方向相反），以驱动闸门关闭。在闸门关闭的过程中，系统会监测关闭到位开关的状态。
一旦闸门完全关闭，且关闭到位开关被触发，表明闸门已经到达关闭位置，此时电机将停止反转。
(4)关闭受阻的安全机制
如果在电机反转关闭闸门的过程中遇到阻碍，例如有异物阻挡或夹手等情况，会触发一个安全装置—微动开关[14]。微动开关被激活后，电机将立即停止反转，并迅速切换为正转模式，以迅速打开闸门，防止事故或损伤。当闸门重新打开至完全状态，且打开到位开关感应到闸门已完全打开时，电机将再次停止工作。
(5)重试关闭动作
在闸门因受阻而重新打开后，系统会等待约3s,以便操作人员清除障碍或检查情况。3 s后，系统会自动尝试再次执行关闭指令，重复上述关闭闸门的流程。如果在多次尝试后闸门仍然无法顺利关闭，则需要人工干预以解决问题。这个过程确保了闸门控制系统的安全性和可靠性，通过自动检测和处理异常情况，减少了潜在的安全风险。
4闸门材料的选型分析
经过综合考虑，本闸门结构设计在材料选用上进行了细致的优化。各部件的材质选择如下。
(1)闸门板：1.5 mm SUS304拉丝不锈钢，耐腐蚀、机械强度高，满足频繁开关需求。
(2)滑套：POM材料[15],自润滑，减少摩擦，确保顺畅滑动。
(3)支架板：1.5 mm SGCC热浸镀锌钢板，结构稳定、耐腐蚀，为闸门板提供坚实支撑。
(4)摆杆：SUS303,高强度、高韧性，确保传动可靠稳定。
(5)拉力弹簧：SUS304不锈钢，弹性好，耐腐蚀，确保稳定回弹力。
(6)滑动部件：不锈钢滚动轴承，低摩擦、高转速，确保顺畅传动。
(7)防撞垫：橡胶材料，缓冲减震，减少冲击力和噪声。
以上选材确保闸门稳定、耐用、安全，同时降低制造成本，提升市场竞争力。
5测试验证和结果分析
为了确保闸门能够按照设计要求正常运行，验证其各项功能是否满足预期，并对测试结果进行详细分析，以确保系统的稳定性和可靠性，需要通过大量的测试。测试项目有功能测试（闸门开启和关闭）、闸门自锁功能测试、环境测试和老化测试。寿命老化测试时间，闸门每天开关次数100次，使用10 a,寿命次数为36.5万次。通过测试验证，该方案能满足预期的设计功能。
闸门的自锁功能能够确保ATM闸门在非授权情况下无法被外部打开，这是ATM安全系统的关键组成部分。由于ATM机内存放有现金，因此其安全性至关重要。自锁闸门可以有效防止盗窃和破坏行为，保护用户和银行的财产安全。通过测试验证，当摆杆处于角度α(90。<α≤105。）的范围之内时，闸门具有自锁功能如图5所示。α=90。是临界值，所以一般选择95。<α≤105。，保证闸门的自锁功能[16]。
6结束语
本文围绕ATM存取款机闸门设计展开研究，针对现有ATM机出钞口安全性不足的问题，提出了一种基于摆臂传动的ATM存取款机闸门设计方案。通过深入分析该设计的运动原理，成功展示了该设计结构简洁、成本低廉、且具备防夹手功能和闸门自锁功能的优势。这一创新设计不仅有效提升了ATM机的安全防护性能，同时也降低了制造成本和组装难度，为ATM机的安全防护领域带来了新的突破。本研究通过制作样机并进行多种功能测试，验证了新型闸门设计的可行性和可靠性。测试结果表明，该设计不仅在实际应用中表现出色，而且具备较长的使用寿命，能够满足金融自助服务设备对安全性能的高要求。本文的研究结果充分说明了基于摆臂传动的ATM存取款机闸门设计在提高ATM机安全性方面的显著作用。该设计不仅解决了现有ATM机出钞口安全问题，而且为ATM机的安全防护提供了新的思路和方法。期待这一创新设计能够在未来得到广泛应用，为金融自助服务设备的用户带来更加安全、便捷的服务体验。
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