公交车投币箱的自动清分系统设计与效果研究

2018-10-31 05:46肖耘亚曾宇澄神翠楠陈思宇陈泽童
韶关学院学报 2018年9期
关键词:投币纸币硬币

肖耘亚,曾宇澄,神翠楠,陈思宇,陈泽童

(韶关学院 物理与机电工程学院,广东 韶关 512005)

近年来我国城市公共交通事业取得了快速发展[1],硬币和小面额纸币等零钞被广泛使用.传统的公交车投币箱只有一个投币口,人们乘车时,无论是纸币还是硬币,也不管币值大小,从一个投币口投入箱内后,投币箱中纸币和硬币混杂在一起,杂乱无章.由于银行对现金存储有严格的分类要求,需要把纸币和硬币分离开来,特别是公交公司这样有大量零钞交易的企业.零钞存在清分整理、存款难等情况,导致了硬币和小面额纸币回笼银行工作量大且繁琐.

目前的清分方式主要有人工清分和机器清分两种.为应对大量的零钞清点工作,公交公司专门设有分钞中心,投入大量人力或简易清分装置进行分钞,存在劳动强度大、耗时长及存在卫生隐患等问题,而且人力成本高,清分效率低下,不能满足公交正常运行的需求.目前国内银行业、公交系统使用的纸币清分装置多为进口产品,价格昂贵、结构复杂、维护成本高.

为进一步提高清分效率,减轻工人劳动强度,需要优化公交车投币箱的结构,将清分工作分散到每一台投币箱里完成.国内有学者对纸币和硬币分类清分等方面进行了部分研究[2-10],但现有的国产清分装置尚不成熟,存在分拣效率低、出错率高、可靠性差等问题,特别是具有自动清分功能的公交车投币系统,长久以来都因为技术原因没有被广泛应用.

针对上述问题,设计了一款新型公交车投币系统,具有零钞自动清分的功能.为此,本文首先就零钞清分工作量进行调研,明确了设计思路;然后,确定了零钞清分机构和收纳机构;最后,试制样机并开展了实验验证,为具有自动清分功能的公交车投币系统的推广使用提供参考.

1 问题分析

1.1 数据调研

以广东省韶关市为例,根据韶关市公交公司分钞中心的调研数据,韶关市公交公司日营业产生的现金额有11.2万元,纸币占比91.2%,硬币占比8.8%.1元、5角和1角硬币清分工作量分别占比分别是86.7%、0.9%和0.9%;1元新币(半新)、1元旧币和非1元纸币清分工作量占比分别是49.7%、27.2%和13.1%.

经调研数据可知,1元纸币占硬、纸币总清分工作量的79.3%.由此可见,点钞人员花费时间精力最多的工作就是清分1元纸币.

1.2 设计思路

根据分钞中心的工作内容,希望开发出具有自动清分功能的新型公交车投币系统,它应有以下功能:

(1)能实现纸币和硬币的分离;

(2)能将纸币清分成“一元新钞”“一元旧钞”“非一元”三类;

(3)能将硬币清分成“一元”“五角”“一角”三类.

2 组成结构及工作原理

投币箱安装在公交车内,要考虑箱子所占的空间.依据传统投币箱的尺寸,外形尺寸确定为:长×宽×高(300 mm×300 mm×870 mm).投币口的设置,需考虑乘客投币的便利性.由于实际投币往往是在车门入口处或台阶踏步位置进行,传统投币箱的入口设在箱顶,往往需要乘客举抬手臂来进行,结合人机工程学,将投币口高度降低,纸币口高度为695 mm,硬币口高度为790 mm,其外观如图1所示.投币系统内部结构由三大部分组成:纸币清分机构、硬币清分机构和纳币筒,如图2所示.

图1 投币箱外观的三维模型

图2 投币系统内部结构的三维模型

2.1 纸币清分机构

纸币在流通过程中自然产生磨损,也会受到污染.流通次数少的钞票,票面或有少许污染和色斑,但仍保持光泽,或有几条折痕,但仍比较坚挺不垂软;长期流通使用的旧钞,票面哪怕没有被污染太多,但四角己圆,特别是票面不再坚挺,而是呈垂软状,如图3所示.因此,纸币新旧可以利用重力影响下的平夹纸币垂角不同来进行分类.

图3 新旧纸币平夹下垂情况

为此设计出由捻钞轮组、送钞轮、压钞轮、接钞轮、分币台、分币板、接钞盒、机架、电机、带传动机构、光电传感器和控制电路等多部分组成的新、旧纸币自动分币机构如图4所示.

图4 纸币清分机构的三维模型

纸币投入口设计为水平放置的等宽缝式入口,最窄处高度为5 mm,方便容纳纸币投入,且在入口处及内部设有数个光电传感器(预设平展纸币的判断条件),在检测到平展纸币投入后,启动电机,通过带传动驱动捻钞轮、送钞轮、接钞轮旋转,纸币被卷入分币机构,在送钞轮与压钞轮的夹持与送进作用下,旧币因垂角大而无法跨越分币板直接掉落到旧币纳币筒;新币则因其坚挺和垂角较小,在接钞轮辅助下跨过分币板,落入新币纳币筒.当次分钞结束后,电机自动停转并等待下一次启动.硬币虽然也能置放在入口处,但会被检测出不是纸币从而不会启动电机,以此阻止硬币的误投.

若投入的纸币不是平展状态,同样不会启动电机.如果有非平展纸币触发电机启动,在其被撵钞轮卷入的过程中也始终处于传感器的检测下,一旦检测到不符合条件,则会使电机反转,将纸币吐出.在1元纸币和非1元纸币的投入区分上,则未作技术处理,有赖于乘客投币时依投币箱上标注的提示自觉进行分类.这种设计方式是希望人们养成良好的乘车习惯,自觉遵守秩序,促进社会和谐发展.此外,若公交公司有需要,还可以在非一元投币口内加装防伪设备.

2.2 硬币清分机构

借助不同硬币在重量与尺寸上的差异实现不同币值的自动分类,硬币的尺寸和质量的主要参数,见表1.

表1 硬币主要参数

为此设计的硬币分币机构由宽槽收口式投币口、带“之”字形流道的有孔斜板和盖板组成,如图5所示.斜板倾斜角度约26°,流道槽宽26 mm,槽深2 mm,斜板上开有2组孔筒,开孔位置贴近槽的下边,流道前1组孔的直径为20 mm,用于筛选1角硬币,后一组孔的直径为22 mm,用于筛选5角硬币,流道贯穿斜板,用于筛选1元硬币.

图5 硬币清分机构的三维模型

图6 纳币筒的三维模型

硬币投入口设计为斜置的宽槽收口式入口,最窄处宽度为26 mm,刚刚好能容纳1元硬币投入,且在硬币投入后,借助硬币重力顺着斜板滑入分币槽,而纸币宽度较大,即使投入也无法滑入分币槽,以此阻止纸币的误投.

2.3 纳币筒

通过隔板将纳币筒分隔为1元新币、1元旧币、非1元币和硬币纳币筒放置区四个区域,如图6所示,从纸币分币流道中清分出来的各类型纸币分别进入相应的区域.设置三个纳币筒,如图6所示,分别对应1元硬币、5角硬币和1角硬币,从“之”字形带孔斜流板中清分出来的各类型硬币,通过软管分别进入对应的纳币筒,由于硬币掉落到纳币筒中时会自然平躺,以此实现硬币的整理;纳币筒上带有刻度,可直观的读出硬币数量,以此实现计数功能;纳币筒与软管间有可拆卸接头,纳币筒布置在纳币筒中,司机交班时,将纳币筒抽出,由于软管可变形,且纳币筒与软管间的接头可分离,故可方便的拆开并将纳币筒取出然后收集到公司.

3 实验验证

3.1 样机试制

依据改进后的投币箱结构设计制作了实验样机,实验样机外观及其内部结构如图7和8所示.箱体框架采用金属角连接件连接铝型材制成.纸币分币机构在其两侧金属板上打孔后用螺栓固定在箱体框架上,通过塑料片制成的纸币滑道与纳币筒相连.硬币清分机构先用螺栓与角块形3D打印件相连,然后通过螺栓将3D打印件固定在箱体框架上.纳币筒用亚克力制成,上装有3D打印制成的可拆卸接头,并通过塑料软管与硬币清分机构相连.纳币筒由多块PVC硬板拼成,用自攻螺丝紧固连接.在保证可靠性和强度要求的同时,有效节约了成本.

图7 实验样机

图8 样机内部结构

3.2 纸币清分实验

用一元纸币通过不同给币方式测试投币系统纸币接收速度,实验结果见表2.由表中数据可知,投币系统的纸币接收速度最低可达35张/min,1分钟至少可满足17人上车(以乘车费用为2元计),不会影响乘客上车速度.

表2 纸币清分速度实验结果

公交公司提供的原币30张(新旧各半),依次对3种给币方式通过多次实验进行检验,实验结果见表3.由表中数据可知,新旧纸币的清分准确率达96.7%,投币系统可以满足大幅减轻点钞员工作量的需求.

表3 纸币清分准确率实验结果

3.3 硬币清分实验

用不同面额的硬币通过不同给币方式测试投币系统硬币接收速度,实测结果见表4.由于完全以1角硬币乘车的概率极低,由表中数据可知,投币系统的硬币接收速度最低可达60枚/分钟,1分钟至少可满足15人上车(以乘车费用为2元计),不会影响乘客上车速度.

表4 硬币清分速度实验结果

各种币值的硬币各20枚,由3名不同的操作者反复多次进行投币实验来进行检验,由实验结果可知,硬币币值的清分准确率达到100%,投币系统完全免去了点钞员清点硬币的工作,并且硬币投币必然是间歇的,所以不会出现卡币现象.

4 结论

本文对国内现有的公交车投币箱进行改进,设计了一款自动清分功能的新型公交车投币系统,具有工作高效、分钞精确、性能可靠、成本低廉的特点,十分符合市场需求,具有广阔的推广应用前景.

(1)通过对调研后的数据进行分析,确定了公交车投币系统实现自动清分所具有的功能要求,提出了一种由纸币清分机构、硬币清分机构和纳币筒三个部分组成的公交车投币系统.

(2)根据新旧纸币平夹产生的不同下垂情况,设计出由机械结构、光电传感器和控制电路等多部分组成的能够完成新、旧纸币分类的纸币清分机构.

(3)硬币分币机构由宽槽收口式投币口、带“之”字形流道的有孔斜板和盖板组成,借助不同硬币在重量与尺寸上的差异实现不同币值的自动分类.硬币投入口设计为斜置的宽槽收口式入口,方便硬币借助重力滑入分币槽,也防止纸币的误投.

(4)试制了样机,保证投币箱的可靠性和强度的同时,有效节约了成本.

(5)经实验验证,该新型公交车投币系统通过自动化操作,可对市而上流通的一元纸币以及一角、五角和一元等三类硬币进行高效、准确的清分.

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