公交車投幣箱的自動清分系統設計與效果研究

肖耘亞，曾宇澄，神翠楠，陳思宇，陳澤童

（韶關學院 物理與機電工程學院，廣東 韶關 512005）

近年來我國城市公共交通事業取得了快速發展［1］，硬幣和小面額紙幣等零鈔被廣泛使用.傳統的公交車投幣箱只有一個投幣口，人們乘車時，無論是紙幣還是硬幣，也不管幣值大小，從一個投幣口投入箱內后，投幣箱中紙幣和硬幣混雜在一起，雜亂無章.由于銀行對現金存儲有嚴格的分類要求，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.零鈔存在清分整理、存款難等情況，導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器清分兩種.為應對大量的零鈔清點工作，公交公司專門設有分鈔中心，投入大量人力或簡易清分裝置進行分鈔，存在勞動強度大、耗時長及存在衛生隱患等問題，而且人力成本高，清分效率低下，不能滿足公交正常運行的需求.目前國內銀行業、公交系統使用的紙幣清分裝置多為進口產品，價格昂貴、結構復雜、維護成本高.

為進一步提高清分效率，減輕工人勞動強度，需要優化公交車投幣箱的結構，將清分工作分散到每一臺投幣箱里完成.國內有學者對紙幣和硬幣分類清分等方面進行了部分研究［2-10］，但現有的國產清分裝置尚不成熟，存在分揀效率低、出錯率高、可靠性差等問題，特別是具有自動清分功能的公交車投幣系統，長久以來都因為技術原因沒有被廣泛應用.

針對上述問題，設計了一款新型公交車投幣系統，具有零鈔自動清分的功能.為此，本文首先就零鈔清分工作量進行調研，明確了設計思路；然后，確定了零鈔清分機構和收納機構；最后，試制樣機并開展了實驗驗證，為具有自動清分功能的公交車投幣系統的推廣使用提供參考.

1 問題分析

1.1 數據調研

以廣東省韶關市為例，根據韶關市公交公司分鈔中心的調研數據，韶關市公交公司日營業產生的現金額有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%.

經調研數據可知，1元紙幣占硬、紙幣總清分工作量的79.3%.由此可見，點鈔人員花費時間精力最多的工作就是清分1元紙幣.

1.2 設計思路

根據分鈔中心的工作內容，希望開發出具有自動清分功能的新型公交車投幣系統，它應有以下功能：

（1）能實現紙幣和硬幣的分離；

（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 組成結構及工作原理

投幣箱安裝在公交車內，要考慮箱子所占的空間.依據傳統投幣箱的尺寸，外形尺寸確定為：長×寬×高（300 mm×300 mm×870 mm）.投幣口的設置，需考慮乘客投幣的便利性.由于實際投幣往往是在車門入口處或臺階踏步位置進行，傳統投幣箱的入口設在箱頂，往往需要乘客舉抬手臂來進行，結合人機工程學，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.投幣系統內部結構由三大部分組成：紙幣清分機構、硬幣清分機構和納幣筒，如圖2所示.

圖1 投幣箱外觀的三維模型

圖2 投幣系統內部結構的三維模型

2.1 紙幣清分機構

紙幣在流通過程中自然產生磨損，也會受到污染.流通次數少的鈔票，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行分類.

圖3 新舊紙幣平夾下垂情況

為此設計出由捻鈔輪組、送鈔輪、壓鈔輪、接鈔輪、分幣臺、分幣板、接鈔盒、機架、電機、帶傳動機構、光電傳感器和控制電路等多部分組成的新、舊紙幣自動分幣機構如圖4所示.

圖4 紙幣清分機構的三維模型

紙幣投入口設計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，且在入口處及內部設有數個光電傳感器（預設平展紙幣的判斷條件），在檢測到平展紙幣投入后，啟動電機，通過帶傳動驅動捻鈔輪、送鈔輪、接鈔輪旋轉，紙幣被卷入分幣機構，在送鈔輪與壓鈔輪的夾持與送進作用下，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.當次分鈔結束后，電機自動停轉并等待下一次啟動.硬幣雖然也能置放在入口處，但會被檢測出不是紙幣從而不會啟動電機，以此阻止硬幣的誤投.

若投入的紙幣不是平展狀態，同樣不會啟動電機.如果有非平展紙幣觸發電機啟動，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，則會使電機反轉，將紙幣吐出.在1元紙幣和非1元紙幣的投入區分上，則未作技術處理，有賴于乘客投幣時依投幣箱上標注的提示自覺進行分類.這種設計方式是希望人們養成良好的乘車習慣，自覺遵守秩序，促進社會和諧發展.此外，若公交公司有需要，還可以在非一元投幣口內加裝防偽設備.

2.2 硬幣清分機構

借助不同硬幣在重量與尺寸上的差異實現不同幣值的自動分類，硬幣的尺寸和質量的主要參數，見表1.

表1 硬幣主要參數

為此設計的硬幣分幣機構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 硬幣清分機構的三維模型

圖6 納幣筒的三維模型

硬幣投入口設計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四個區域，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入相應的區域.設置三個納幣筒，如圖6所示，分別對應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，通過軟管分別進入對應的納幣筒，由于硬幣掉落到納幣筒中時會自然平躺，以此實現硬幣的整理；納幣筒上帶有刻度，可直觀的讀出硬幣數量，以此實現計數功能；納幣筒與軟管間有可拆卸接頭，納幣筒布置在納幣筒中，司機交班時，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 實驗驗證

3.1 樣機試制

依據改進后的投幣箱結構設計制作了實驗樣機，實驗樣機外觀及其內部結構如圖7和8所示.箱體框架采用金屬角連接件連接鋁型材制成.紙幣分幣機構在其兩側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.硬幣清分機構先用螺栓與角塊形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構相連.納幣筒由多塊PVC硬板拼成，用自攻螺絲緊固連接.在保證可靠性和強度要求的同時，有效節約了成本.

圖7 實驗樣機

圖8 樣機內部結構

3.2 紙幣清分實驗

用一元紙幣通過不同給幣方式測試投幣系統紙幣接收速度，實驗結果見表2.由表中數據可知，投幣系統的紙幣接收速度最低可達35張/min，1分鐘至少可滿足17人上車（以乘車費用為2元計），不會影響乘客上車速度.

表2 紙幣清分速度實驗結果

公交公司提供的原幣30張（新舊各半），依次對3種給幣方式通過多次實驗進行檢驗，實驗結果見表3.由表中數據可知，新舊紙幣的清分準確率達96.7%，投幣系統可以滿足大幅減輕點鈔員工作量的需求.

表3 紙幣清分準確率實驗結果

3.3 硬幣清分實驗

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

表4 硬幣清分速度實驗結果

各種幣值的硬幣各20枚，由3名不同的操作者反復多次進行投幣實驗來進行檢驗，由實驗結果可知，硬幣幣值的清分準確率達到100%，投幣系統完全免去了點鈔員清點硬幣的工作，并且硬幣投幣必然是間歇的，所以不會出現卡幣現象.

4 結論

本文對國內現有的公交車投幣箱進行改進，設計了一款自動清分功能的新型公交車投幣系統，具有工作高效、分鈔精確、性能可靠、成本低廉的特點，十分符合市場需求，具有廣闊的推廣應用前景.

（1）通過對調研后的數據進行分析，確定了公交車投幣系統實現自動清分所具有的功能要求，提出了一種由紙幣清分機構、硬幣清分機構和納幣筒三個部分組成的公交車投幣系統.

（2）根據新舊紙幣平夾產生的不同下垂情況，設計出由機械結構、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構.

（3）硬幣分幣機構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現不同幣值的自動分類.硬幣投入口設計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，保證投幣箱的可靠性和強度的同時，有效節約了成本.

（5）經實驗驗證，該新型公交車投幣系統通過自動化操作，可對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行高效、準確的清分.