В таком прессе ползун с закреплённым штемпелем приводится в движение вращением винта. Так как для чеканки необходимо значительное усилие, старинные винтовые прессы оснащались большими маховиками и могли иметь в качестве привода конную тягу или механизмы, использующие энергию воды (водяные мельницы). Усилие на ползуне также зависит от шага винта: оно тем больше, чем меньше шаг. В старинных прессах извлечение готовых монет осуществлялось путём разборки гуртильного кольца. Позднее прессы стали оснащаться эжектором, приводимым винтом или рычагом. Эжектор приподнимал опорный штемпель, и тот выталкивал монету.
В конструкции прессов с эксцентриком – элементом, смещённым относительно оси маховика, – для увеличения усилия используется «правило рычага»: чем короче плечо рычага, тем больше сила. Роль эксцентрика может исполнять кулачковый или кривошипный механизм.

Вращение маховика преобразуется в возвратно-поступательные движения ползуна за счёт изменения радиуса поверхности кулачка или через кривошип, смещённый относительно оси маховика. Усилие на ползуне тем больше, чем меньше эксцентриситет по сравнению с диаметром маховика. Для механической связи кривошипа с ползуном могут применяться различные промежуточные звенья.

В кривошипно-рычажном механизме используется качающийся рычаг, в кривошипно-шатунном механизме – шатун. Несколько промежуточных звеньев используют кривошипно-кулисный и коленно-рычажный механизмы.

В кривошипно-кулисном механизме шатун, приводимый в движение кулачком, связан с кулисой, скользящей по штоку. Шток шарнирно закреплён на верхней балке станины, а его нижний конец связан с ползуном. Шток совершает качающиеся движения, вынуждая ползун то опускаться, то подниматься. В коленно-рычажном механизме шатун воздействует на коленный шарнир, объединяющий два качающихся рычага – колена. Верхнее колено опирается на ось в верхней балке станины, нижнее колено связано с ползуном. При перемещении шатуна оба колена, поворачиваясь, совмещаются по оси ползуна, и тот совершает рабочий ход. При дальнейшем движении шатуна коленные рычаги «ломаются», а ползун поднимается вверх.
С развитием электротехники, в последней четверти XIX века начали изготавливаться кривошипные прессы с электроприводом. Оснащение кривошипных прессов механизмами подачи заготовок позволило автоматизировать процесс чеканки монет.

В механических прессах энергия вращения преобразуется в поступательную энергию механическими способами.
В гидравлических прессах вращение приводных элементов – двигателя и гидронасоса – преобразуется в прямолинейное движение поршня и ползуна за счёт давления рабочей жидкости – масла. Управление потоками рабочей жидкости осуществляется переключением гидроклапанов.

Маховик приводится электродвигателем через ременную передачу и передаёт вращение кривошипу посредством редуктора с зубчатыми колёсами. Ползун получает возвратно-поступательное движение через коленно-рычажный механизм (КРМ). С движением ползуна согласовано движение траверсы, обеспечивающей выход монет из матрицы с гуртильным кольцом. Эксцентриковая ось предназначена для регулировки КРМ. Маховик оснащён муфтой сцепления, а приводной вал кривошипа – тормозом. Пресс снабжён механизмом, обеспечивающим подачу заготовок и выход готовых монет. На рубеже XIX-XX веков производительность автоматических прессов достигала 60 монет в минуту.

Конструкция прессов претерпевала лишь частные изменения, связанные с повышением надёжности и производительности, с удобством обслуживания и настройки, с улучшением дизайна, с уменьшением вибрации и шума, с внедрением электроники и компьютеров.
Автоматические монетные прессы отличаются по величине максимального усилия и по компоновке: горизонтальной или вертикальной. В первом случае ползун движется в горизонтальной плоскости, во втором – в вертикальной.

Принципиальной разницы между горизонтальной и вертикальной чеканкой нет, зато имеются различия, связанные с подачей заготовок. Система подачи заготовок горизонтального автоматического монетного пресса использует собственный вес заготовок (отдельные специальные термины переведены с английского языка «по смыслу»).

Заготовки засыпаются в верхний бункер, откуда по трубчатому желобу поступают в барабанный питатель. Питатели могут быть вибрирующими или вращающимися, они установлены с небольшим наклоном. За счёт вибрации либо вращения барабана, заготовки перемещаются к началу канала подачи, имеющего плоское сечение, в положении «плашмя». Применение вращающихся питателей предпочтительнее, так как сводит к минимуму абразивный износ заготовок. Канал подачи, опускаясь, изгибается и переворачивает заготовки «на ребро». В таком положении нижняя заготовка поступает в узел «револьверной подачи». Он включает плату револьверной подачи – диск с полукруглыми вырезами – и отсекатель – качающийся сектор с прорезью для заготовки и с отверстием для прохода штемпеля. Под платой револьверной подачи установлен приёмный лоток. На схеме представлено положение, когда ползун с ударным штемпелем отведён назад, а отсекатель повёрнут вправо и вниз, перекрывая доступ заготовке из канала подачи.

Плата совершает поворот на один шаг (на схеме – по часовой стрелке), и очередная заготовка устанавливается на оси штемпелей, а ранее отчеканенная монета падает в приёмный лоток. Отсекатель поворачивается против часовой стрелки, заготовка из канала подачи падает через прорезь отсекателя в верхний вырез платы. Одновременно отверстие отсекателя совмещается с осью штемпелей, и ползун совершает рабочий ход. Ударный штемпель вталкивает заготовку, находящуюся в противолежащем вырезе платы, в гуртильное кольцо и чеканит монету. Ползун отходит назад, отсекатель возвращается в исходное положение, перекрывая вырезы платы. Опорный штемпель (на схеме не показан) выталкивает только что отчеканенную монету обратно в вырез платы.
Данная конструкция может иметь различные варианты исполнения. Например, опорный штемпель может быть жёстко закреплён, и тогда выход монет обеспечивают перемещения платы, отсекателя и узла гуртильного кольца в горизонтальной плоскости.
Рабочие ходы ползуна обеспечивает кривошипный механизм, а другие подвижные детали приводятся различными способами. Эжектор перемещается кулачком, получающим вращение от кривошипа. На одном валу с кулачком установлено приводное колесо револьверного редуктора, устроенного подобно механизму поворота барабана револьвера.

Когда кулачок выдвигает эжектор (на схеме не показан), эксцентричный ролик приводного колеса воздействует на правое плечо коромысла – качающегося рычага, поворачивая его вниз. Левое плечо коромысла шарнирно связано с корпусом собачки, перемещающимся вверх. Зуб собачки толкает храповое колесо редуктора: оно поворачивается на определённый угол и стопорится подпружиненным фиксатором. Приводное колесо продолжает вращение, и ролик выходит из зацепления с правым плечом коромысла. Под воздействием возвратной пружины коромысло и корпус собачки возвращаются в исходное положение, зуб собачки входит в следующий вырез храпового колеса. С левым плечом коромысла тем или иным способом связан отсекатель (на схеме не показан), получающий качающиеся движения.
Для привода платы револьверной подачи могут использоваться и другие механизмы, обеспечивающие пошаговый поворот, например: «мальтийский механизм». Равномерное вращение приводного колеса, установленного на одном валу с кулачком, преобразуется в прерывистое вращение («скачки») следующим образом.

Приводное колесо снабжено роликом и фиксатором – «полулунным» выступом, входящим в округлый внешний вырез скачкового барабана, напоминающего по форме «мальтийский крест». Когда ролик заходит в радиальную прорезь «мальтийского креста» и перемещается к его центру, «крест» начинает поворот. Ролик достигает конца прорези, проворачивает «крест» и выходит из прорези. При этом фиксатор поворачивается так, что стопорит «крест». На одном валу со скачковым барабаном установлена ведущая шестерня с коническим зубчатым зацеплением: она передаёт «скачковый» поворот колесу платы револьверной подачи.
Как правило, «мальтийский крест» имеет от 3 до 12 пазов. Передаточное отношение шестерни и колеса рассчитывается, исходя из числа пазов «креста» и количества вырезов платы. Например, если мальтийский механизм имеет 4 паза, а плата – 8 вырезов, то передаточное отношение конического зацепления должно быть 1:2.
В настоящее время вместо механического привода применяется сервопривод с электронным управлением, то есть – «следящий» привод с отрицательной обратной связью, позволяющей точно управлять параметрами движения.

В состав сервопривода входят: электродвигатель, энкодер – датчик угла поворота вала электродвигателя (датчик обратной связи), редуктор, блок питания и управления, датчик положения платы револьверной подачи (датчик управляющего сигнала). Вместо электродвигателя и редуктора может применяться шаговый двигатель, система управления которого отсчитывает необходимое количество импульсов (шагов). Самой простой разновидностью сервопривода является пневмоцилиндр, обеспечивающий два положения управляемого элемента.
Расчёт требуемых характеристик сервопривода производится с учётом количества «зубьев» (выступов) платы револьверной подачи. Например: если количество выступов – 22, а энкодер обеспечивает десять положений вала электродвигателя, то передаточное отношение редуктора составит 1:2,2. Такая плата будет иметь 21 вырез для заготовок и монет. Шаговый двигатель можно настроить на нужный угол поворота не в любом случае: в данном примере угол одного поворота платы составит 17, 1428... градусов. Он также уступает электрическому сервоприводу по ряду параметров: мощности, скорости и другим.

У современного автоматического пресса согласование движения узлов, непосредственно участвующих в процессе чеканки, с ходами ползуна осуществляется с помощью пневмоцилиндров и сервомоторов. Привод платы может быть оборудован «беззазорным механизмом индексации», обеспечивающим высокую точность угла поворота платы, с оптимальным уровнем ускорения и замедления. Все системы пресса управляются компьютером.
Горизонтальная компоновка позволяет достичь очень высокой производительности – до 850 ударов в минуту, но может применяться только для чеканки цельнометаллических монет.

Подающая система вертикального автоматического пресса тоже использует силу тяжести для предварительной подачи заготовок. Верхний желоб и барабанный питатель устроены так же, как в горизонтальном прессе, но канал подачи имеет круглое сечение. Поштучное разделение заготовок на выходе из канала может осуществляться отсекающими устройствами различного типа, приводимыми в движение либо пневматически, либо механически от ползуна или от платы револьверной подачи. В частности, может применяться следующая конструкционная схема.

Стопка заготовок в канале подачи опирается на отсекатель – качающийся сектор с отверстием. Нижняя заготовка входит в отверстие отсекателя, а её дальнейшему движению препятствует фланец загрузочной трубки. При повороте отсекателя (на схеме – по часовой стрелке) заготовка сбрасывается в загрузочную трубку и падает на верхнюю плоскость толкателя – пластины, перемещающейся в пазу, ширина которого соответствует диаметру заготовки. Толкатель отходит (на схеме – влево), открывая снизу трубку, и заготовка ложится в паз. Толкатель перемещается вправо и вталкивает заготовку в вырез платы револьверной подачи. При повороте платы (по часовой стрелке) одна из ранее поступивших заготовок совмещается с осью штемпелей. Опорный штемпель опускается вниз, а заготовка входит в отверстие гуртильного кольца. Сверху плату прикрывает пластина, она сдвигается (на схеме – влево), и её отверстие тоже совмещается с осью штемпелей. Ползун с закреплённым в нём верхним штемпелем совершает рабочий ход, чеканит монету и поднимается вверх. Пластина сдвигается вправо, препятствуя выбросу монеты из выреза платы при подъёме опорного штемпеля. Плата поочерёдно подаёт монеты в приёмный лоток.
Движения всех элементов системы подачи заготовок может быть согласовано с ходами ползуна посредством механических связей. В современных автоматических прессах, как упоминалось выше, подающая система управляется пневмоцилиндрами и сервомоторами, и синхронизируется с движением ползуна с помощью датчиков.
Размещение канала подачи, отдалённого от оси штемпелей у вертикальных прессов, связано со значительными габаритами ползуна и узла крепления штемпеля, который включает несколько деталей и дополнительные механизмы. Более сложное устройство механизма подачи заготовок несколько снижает максимальную производительность (до 700 обычных монет в минуту).
Зато вертикальный пресс более универсален, чем горизонтальный. Он может чеканить в автоматическом режиме цельнометаллические и составные монеты, а в полуавтоматическом режиме – монеты повышенного качества. Для чеканки «биметалла» или «триметалла» достаточно установить дополнительные подающие механизмы.

Механизмы подачи заготовок для колец и для вставок монтируются радиально по отношению к плате револьверной подачи, имеющей отверстия вместо вырезов. Пресс может быть оснащён досылателем – поршнем, устраняющим вероятный перекос заготовок. С той же целью могут применяться и другие приспособления: как механические, так и пневматические. Во втором случае досылатель управляется бесконтактным датчиком и срабатывает, только если зафиксирован перекос заготовок. Для чеканки триметаллических монет монтируется третий механизм подачи. При этом обеспечивается достаточно высокая производительность (для «триметалла» – до 500 монет в минуту).
Для настройки пресса на чеканку монет другого диаметра нужно поменять механизмы подачи заготовок и плату револьверной подачи в сборе с редуктором, обеспечивающим требуемый шаг поворота.
Вертикальный пресс может чеканить в автоматическом режиме и многогранные монеты: для этого нужно установить плату с соответствующими отверстиями, редуктор и механизм подачи заготовок, обеспечивающий их угловую ориентацию. То есть, канал подачи, отверстие отсекателя, загрузочная трубка и отверстие толкателя должны иметь согласованное сечение.

Необязательно снабжать их сечение столькими же гранями, как у заготовок, а достаточно сделать одну (1), две (2) или три направляющие плоскости (3).
Для чеканки монет повышенного качества пресс может быть оснащён системой «многократного удара», который обеспечивает несколько «мягких» ударов пресса (от 1 до 9) по одной заготовке. В этом случае узел крепления верхнего штемпеля монтируется на суппорт, с которым взаимодействует ползун. В обычном режиме ползун жёстко связан с суппортом сцепными рычагами, и они совершают возвратно-поступательные движения совместно (на схеме – слева). Верхняя ось коленно-рычажного механизма (КРМ) крепится на верхнюю балку пресса с возможностью перемещения в вертикальном направлении. В обычном режиме верхняя ось заклинивается демпфером – поворотным рычагом, при этом ось демпфера может сдвигаться в горизонтальной плоскости.

В режиме чеканки «PRUF» сцепные рычаги поворачиваются пневмоцилиндрами 1, и суппорт разъединяется с ползуном, а верхний штемпель остаётся в контакте с заготовкой при подъёме ползуна. Это исключает попадание пыли и смещение штемпеля относительно рельефа при повторных ударах. Ползун совершает запрограммированное количество ударов, которые передаются на штемпель через суппорт. После этого сцепные рычаги включаются, и штемпель отводится вверх.
Смягчение ударов осуществляется за счёт демпфера, на левое плечо которого опирается верхняя ось КРМ. Правое плечо демпфера шарнирно связано с пневмоцилиндром 2, а ось демпфера сдвигается пневмоцилиндром 3 (на схеме – вправо). При распрямлении рычагов КРМ ползун опускается, вступая в контакт с суппортом, а верхняя ось КРМ поднимается, поворачивая демпфер и преодолевая сопротивление пневмоцилиндра 2. Усилие на штемпеле возрастает постепенно, и продолжительность воздействия на заготовку увеличивается. В режиме «PRUF» механизм подачи заготовок и автоматика эжектора отключаются, и прессом управляет оператор.

В современных автоматических прессах применяются различные устройства и механизмы с целью повышения качества продукции, для обеспечения безопасности работы, для облегчения обслуживания и настройки. Прессы оснащаются централизованной системой смазки, обеспечивающей подачу масла под давлением во все движущиеся узлы. Гидросистема пресса управляет гидравлическими механизмами. Пневмосистема снабжает сжатым воздухом все пневматические устройства, а также осуществляет охлаждение инструментов. Так как рабочая зона пресса закрывается съёмными панелями, обеспечивается «подпор воздуха», препятствующий попаданию в рабочую зону пыли, грязи и посторонних объектов.
Для быстрой смены штемпелей применяются гидравлические зажимные приспособления. С целью исключения возможности попадания пыли и примесей на штемпеля в процессе их замены, используется система «верхнего крепления» инструмента. Замена штемпелей производится через люки в полости ползуна и нижнего стола, а рабочая зона остаётся закрытой. Для регулировки положения штемпелей применяются клиновые втулки, а контроль точности установки осуществляется бесконтактными датчиками. Эти и другие дополнительные элементы весьма усложняют конструкцию пресса, повышают его себестоимость, но окупаются за счёт высокой производительности в сочетании с высоким качеством при массовой чеканке монет.
Автоматические прессы могут дополняться транспортируемыми механизмами загрузки заготовок.

Такие прессы включаются в автоматические линии полного цикла изготовления монет. Например: линия «Schuler Blankmaster SAK».

Станок подачи ленты приводится сервомотором и может работать с лентой толщиной от 40 до 420 мм. Подача согласована с частотой ударов вырубного пресса, который вырубает кружки для заготовок. Они подаются в гуртильный станок, а пробитая лента («вырубка») свёртывается в рулон. После гурчения заготовки поступают в загрузочный механизм монетного пресса. Линия управляется с единого поста, а на всех стадиях осуществляется контроль различных параметров: ширины и толщины ленты, геометрические размеры кружков и заготовок, качество чеканки монет. Для перенастройки линии на изготовление других монет достаточно поменять инструмент и подающие механизмы станков, и запустить другую программу.

06.07.2017
Григорий Большаков

Основные источники информации:
О металле: Принцип работы и устройство гидравлического пресса
Promplace.ru: Кривошипный пресс – устройство и характеристики
Schuler: Minting – System solutions for the minting industry
Grabener: Cost-efficient embossing of superior quality coins and medals