公交車投幣箱的自動(dòng)清分系統(tǒng)設(shè)計(jì)與效果研究

肖耘亞，曾宇澄，神翠楠，陳思宇，陳澤童

（韶關(guān)學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005）

近年來我國城市公共交通事業(yè)取得了快速發(fā)展［1］，硬幣和小面額紙幣等零鈔被廣泛使用.傳統(tǒng)的公交車投幣箱只有一個(gè)投幣口，人們乘車時(shí)，無論是紙幣還是硬幣，也不管幣值大小，從一個(gè)投幣口投入箱內(nèi)后，投幣箱中紙幣和硬幣混雜在一起，雜亂無章.由于銀行對(duì)現(xiàn)金存儲(chǔ)有嚴(yán)格的分類要求，需要把紙幣和硬幣分離開來，特別是公交公司這樣有大量零鈔交易的企業(yè).零鈔存在清分整理、存款難等情況，導(dǎo)致了硬幣和小面額紙幣回籠銀行工作量大且繁瑣.

目前的清分方式主要有人工清分和機(jī)器清分兩種.為應(yīng)對(duì)大量的零鈔清點(diǎn)工作，公交公司專門設(shè)有分鈔中心，投入大量人力或簡易清分裝置進(jìn)行分鈔，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗時(shí)長及存在衛(wèi)生隱患等問題，而且人力成本高，清分效率低下，不能滿足公交正常運(yùn)行的需求.目前國內(nèi)銀行業(yè)、公交系統(tǒng)使用的紙幣清分裝置多為進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)成本高.

為進(jìn)一步提高清分效率，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，需要優(yōu)化公交車投幣箱的結(jié)構(gòu)，將清分工作分散到每一臺(tái)投幣箱里完成.國內(nèi)有學(xué)者對(duì)紙幣和硬幣分類清分等方面進(jìn)行了部分研究［2-10］，但現(xiàn)有的國產(chǎn)清分裝置尚不成熟，存在分揀效率低、出錯(cuò)率高、可靠性差等問題，特別是具有自動(dòng)清分功能的公交車投幣系統(tǒng)，長久以來都因?yàn)榧夹g(shù)原因沒有被廣泛應(yīng)用.

針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了一款新型公交車投幣系統(tǒng)，具有零鈔自動(dòng)清分的功能.為此，本文首先就零鈔清分工作量進(jìn)行調(diào)研，明確了設(shè)計(jì)思路；然后，確定了零鈔清分機(jī)構(gòu)和收納機(jī)構(gòu)；最后，試制樣機(jī)并開展了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為具有自動(dòng)清分功能的公交車投幣系統(tǒng)的推廣使用提供參考.

1 問題分析

1.1 數(shù)據(jù)調(diào)研

以廣東省韶關(guān)市為例，根據(jù)韶關(guān)市公交公司分鈔中心的調(diào)研數(shù)據(jù)，韶關(guān)市公交公司日營業(yè)產(chǎn)生的現(xiàn)金額有11.2萬元，紙幣占比91.2%，硬幣占比8.8%.1元、5角和1角硬幣清分工作量分別占比分別是86.7%、0.9%和0.9%；1元新幣（半新）、1元舊幣和非1元紙幣清分工作量占比分別是49.7%、27.2%和13.1%.

經(jīng)調(diào)研數(shù)據(jù)可知，1元紙幣占硬、紙幣總清分工作量的79.3%.由此可見，點(diǎn)鈔人員花費(fèi)時(shí)間精力最多的工作就是清分1元紙幣.

1.2 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)分鈔中心的工作內(nèi)容，希望開發(fā)出具有自動(dòng)清分功能的新型公交車投幣系統(tǒng)，它應(yīng)有以下功能：

（1）能實(shí)現(xiàn)紙幣和硬幣的分離；

（2）能將紙幣清分成“一元新鈔”“一元舊鈔”“非一元”三類；

（3）能將硬幣清分成“一元”“五角”“一角”三類.

2 組成結(jié)構(gòu)及工作原理

投幣箱安裝在公交車內(nèi)，要考慮箱子所占的空間.依據(jù)傳統(tǒng)投幣箱的尺寸，外形尺寸確定為：長×寬×高（300 mm×300 mm×870 mm）.投幣口的設(shè)置，需考慮乘客投幣的便利性.由于實(shí)際投幣往往是在車門入口處或臺(tái)階踏步位置進(jìn)行，傳統(tǒng)投幣箱的入口設(shè)在箱頂，往往需要乘客舉抬手臂來進(jìn)行，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)，將投幣口高度降低，紙幣口高度為695 mm，硬幣口高度為790 mm，其外觀如圖1所示.投幣系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)由三大部分組成：紙幣清分機(jī)構(gòu)、硬幣清分機(jī)構(gòu)和納幣筒，如圖2所示.

圖1 投幣箱外觀的三維模型

圖2 投幣系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維模型

2.1 紙幣清分機(jī)構(gòu)

紙幣在流通過程中自然產(chǎn)生磨損，也會(huì)受到污染.流通次數(shù)少的鈔票，票面或有少許污染和色斑，但仍保持光澤，或有幾條折痕，但仍比較堅(jiān)挺不垂軟；長期流通使用的舊鈔，票面哪怕沒有被污染太多，但四角己圓，特別是票面不再堅(jiān)挺，而是呈垂軟狀，如圖3所示.因此，紙幣新舊可以利用重力影響下的平夾紙幣垂角不同來進(jìn)行分類.

圖3 新舊紙幣平夾下垂情況

為此設(shè)計(jì)出由捻鈔輪組、送鈔輪、壓鈔輪、接鈔輪、分幣臺(tái)、分幣板、接鈔盒、機(jī)架、電機(jī)、帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、光電傳感器和控制電路等多部分組成的新、舊紙幣自動(dòng)分幣機(jī)構(gòu)如圖4所示.

圖4 紙幣清分機(jī)構(gòu)的三維模型

紙幣投入口設(shè)計(jì)為水平放置的等寬縫式入口，最窄處高度為5 mm，方便容納紙幣投入，且在入口處及內(nèi)部設(shè)有數(shù)個(gè)光電傳感器（預(yù)設(shè)平展紙幣的判斷條件），在檢測到平展紙幣投入后，啟動(dòng)電機(jī)，通過帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)捻鈔輪、送鈔輪、接鈔輪旋轉(zhuǎn)，紙幣被卷入分幣機(jī)構(gòu)，在送鈔輪與壓鈔輪的夾持與送進(jìn)作用下，舊幣因垂角大而無法跨越分幣板直接掉落到舊幣納幣筒；新幣則因其堅(jiān)挺和垂角較小，在接鈔輪輔助下跨過分幣板，落入新幣納幣筒.當(dāng)次分鈔結(jié)束后，電機(jī)自動(dòng)停轉(zhuǎn)并等待下一次啟動(dòng).硬幣雖然也能置放在入口處，但會(huì)被檢測出不是紙幣從而不會(huì)啟動(dòng)電機(jī)，以此阻止硬幣的誤投.

若投入的紙幣不是平展?fàn)顟B(tài)，同樣不會(huì)啟動(dòng)電機(jī).如果有非平展紙幣觸發(fā)電機(jī)啟動(dòng)，在其被攆鈔輪卷入的過程中也始終處于傳感器的檢測下，一旦檢測到不符合條件，則會(huì)使電機(jī)反轉(zhuǎn)，將紙幣吐出.在1元紙幣和非1元紙幣的投入?yún)^(qū)分上，則未作技術(shù)處理，有賴于乘客投幣時(shí)依投幣箱上標(biāo)注的提示自覺進(jìn)行分類.這種設(shè)計(jì)方式是希望人們養(yǎng)成良好的乘車習(xí)慣，自覺遵守秩序，促進(jìn)社會(huì)和諧發(fā)展.此外，若公交公司有需要，還可以在非一元投幣口內(nèi)加裝防偽設(shè)備.

2.2 硬幣清分機(jī)構(gòu)

借助不同硬幣在重量與尺寸上的差異實(shí)現(xiàn)不同幣值的自動(dòng)分類，硬幣的尺寸和質(zhì)量的主要參數(shù)，見表1.

表1 硬幣主要參數(shù)

為此設(shè)計(jì)的硬幣分幣機(jī)構(gòu)由寬槽收口式投幣口、帶“之”字形流道的有孔斜板和蓋板組成，如圖5所示.斜板傾斜角度約26°，流道槽寬26 mm，槽深2 mm，斜板上開有2組孔筒，開孔位置貼近槽的下邊，流道前1組孔的直徑為20 mm，用于篩選1角硬幣，后一組孔的直徑為22 mm，用于篩選5角硬幣，流道貫穿斜板，用于篩選1元硬幣.

圖5 硬幣清分機(jī)構(gòu)的三維模型

圖6 納幣筒的三維模型

硬幣投入口設(shè)計(jì)為斜置的寬槽收口式入口，最窄處寬度為26 mm，剛剛好能容納1元硬幣投入，且在硬幣投入后，借助硬幣重力順著斜板滑入分幣槽，而紙幣寬度較大，即使投入也無法滑入分幣槽，以此阻止紙幣的誤投.

2.3 納幣筒

通過隔板將納幣筒分隔為1元新幣、1元舊幣、非1元幣和硬幣納幣筒放置區(qū)四個(gè)區(qū)域，如圖6所示，從紙幣分幣流道中清分出來的各類型紙幣分別進(jìn)入相應(yīng)的區(qū)域.設(shè)置三個(gè)納幣筒，如圖6所示，分別對(duì)應(yīng)1元硬幣、5角硬幣和1角硬幣，從“之”字形帶孔斜流板中清分出來的各類型硬幣，通過軟管分別進(jìn)入對(duì)應(yīng)的納幣筒，由于硬幣掉落到納幣筒中時(shí)會(huì)自然平躺，以此實(shí)現(xiàn)硬幣的整理；納幣筒上帶有刻度，可直觀的讀出硬幣數(shù)量，以此實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能；納幣筒與軟管間有可拆卸接頭，納幣筒布置在納幣筒中，司機(jī)交班時(shí)，將納幣筒抽出，由于軟管可變形，且納幣筒與軟管間的接頭可分離，故可方便的拆開并將納幣筒取出然后收集到公司.

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 樣機(jī)試制

依據(jù)改進(jìn)后的投幣箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)外觀及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7和8所示.箱體框架采用金屬角連接件連接鋁型材制成.紙幣分幣機(jī)構(gòu)在其兩側(cè)金屬板上打孔后用螺栓固定在箱體框架上，通過塑料片制成的紙幣滑道與納幣筒相連.硬幣清分機(jī)構(gòu)先用螺栓與角塊形3D打印件相連，然后通過螺栓將3D打印件固定在箱體框架上.納幣筒用亞克力制成，上裝有3D打印制成的可拆卸接頭，并通過塑料軟管與硬幣清分機(jī)構(gòu)相連.納幣筒由多塊PVC硬板拼成，用自攻螺絲緊固連接.在保證可靠性和強(qiáng)度要求的同時(shí)，有效節(jié)約了成本.

圖7 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

圖8 樣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.2 紙幣清分實(shí)驗(yàn)

用一元紙幣通過不同給幣方式測試投幣系統(tǒng)紙幣接收速度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2.由表中數(shù)據(jù)可知，投幣系統(tǒng)的紙幣接收速度最低可達(dá)35張/min，1分鐘至少可滿足17人上車（以乘車費(fèi)用為2元計(jì)），不會(huì)影響乘客上車速度.

表2 紙幣清分速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

公交公司提供的原幣30張（新舊各半），依次對(duì)3種給幣方式通過多次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3.由表中數(shù)據(jù)可知，新舊紙幣的清分準(zhǔn)確率達(dá)96.7%，投幣系統(tǒng)可以滿足大幅減輕點(diǎn)鈔員工作量的需求.

表3 紙幣清分準(zhǔn)確率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3 硬幣清分實(shí)驗(yàn)

用不同面額的硬幣通過不同給幣方式測試投幣系統(tǒng)硬幣接收速度，實(shí)測結(jié)果見表4.由于完全以1角硬幣乘車的概率極低，由表中數(shù)據(jù)可知，投幣系統(tǒng)的硬幣接收速度最低可達(dá)60枚/分鐘，1分鐘至少可滿足15人上車（以乘車費(fèi)用為2元計(jì)），不會(huì)影響乘客上車速度.

表4 硬幣清分速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

各種幣值的硬幣各20枚，由3名不同的操作者反復(fù)多次進(jìn)行投幣實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行檢驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，硬幣幣值的清分準(zhǔn)確率達(dá)到100%，投幣系統(tǒng)完全免去了點(diǎn)鈔員清點(diǎn)硬幣的工作，并且硬幣投幣必然是間歇的，所以不會(huì)出現(xiàn)卡幣現(xiàn)象.

4 結(jié)論

本文對(duì)國內(nèi)現(xiàn)有的公交車投幣箱進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)清分功能的新型公交車投幣系統(tǒng)，具有工作高效、分鈔精確、性能可靠、成本低廉的特點(diǎn)，十分符合市場需求，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景.

（1）通過對(duì)調(diào)研后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定了公交車投幣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清分所具有的功能要求，提出了一種由紙幣清分機(jī)構(gòu)、硬幣清分機(jī)構(gòu)和納幣筒三個(gè)部分組成的公交車投幣系統(tǒng).

（2）根據(jù)新舊紙幣平夾產(chǎn)生的不同下垂情況，設(shè)計(jì)出由機(jī)械結(jié)構(gòu)、光電傳感器和控制電路等多部分組成的能夠完成新、舊紙幣分類的紙幣清分機(jī)構(gòu).

（3）硬幣分幣機(jī)構(gòu)由寬槽收口式投幣口、帶“之”字形流道的有孔斜板和蓋板組成，借助不同硬幣在重量與尺寸上的差異實(shí)現(xiàn)不同幣值的自動(dòng)分類.硬幣投入口設(shè)計(jì)為斜置的寬槽收口式入口，方便硬幣借助重力滑入分幣槽，也防止紙幣的誤投.

（4）試制了樣機(jī)，保證投幣箱的可靠性和強(qiáng)度的同時(shí)，有效節(jié)約了成本.

（5）經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該新型公交車投幣系統(tǒng)通過自動(dòng)化操作，可對(duì)市而上流通的一元紙幣以及一角、五角和一元等三類硬幣進(jìn)行高效、準(zhǔn)確的清分.