城市軌道交通新型自動售票機發卡裝置的設計

余謙元 徐駿善 王富山

(南京理大大學機械工程學院，210094，南京//第一作者，碩士研究生)

為了提升地鐵運行效率，保證人們能夠快捷購票，我國許多城市相繼引入了自動售檢票(AFC)設備。TVM(自動售票機)發卡裝置是AFC設備中極其重要的模塊之一。然而，目前國內已經投入使用的TVM發卡裝置仍然存在諸多問題，因此亟待設計一款優質高效的新型發卡裝置。

1 設計新型發卡裝置的必要性

目前，我國常用的發卡裝置根據出票位置大致可以分為兩種形式：一種是票箱上置，票卡出口位于票箱底部，發卡過程中票卡依靠自身重力下降進行補票，無需票卡提升機構。但是這種票箱容量不能太大，否則位于最底部的票卡承受的壓力太大，無法順利發出，因此這種方式的發卡裝置使用較少。另一種是票箱下置[2]，票卡從票箱頂部發出，然后通過提升機構提升票箱內的票卡進行補充。圖1所示為經典的票箱下置發卡裝置，該裝置一般都有兩個前后放置的票箱，每個票箱容量大概為1 000張。

圖1 票箱下置發卡裝置原理圖

1. 1 原有發卡裝置生產成本較高

發卡裝置的基本要求是要保證每次只發出一張票卡，其工作原理是通過設置在票箱出口處的刮刀或者摩擦輪從整摞票卡中分離出一張送入傳送機構，然后進行讀寫后發到用戶手中。當發出一張票卡后就要求票卡升降機構將票箱內的票卡精確地提升1張票卡的高度。如果提升的高度不夠，發卡時刮刀或者摩擦輪無法刮到票卡會造成發卡失敗；如果提升太高，票卡頂到刮刀或者摩擦輪又會造成卡票。而地鐵票卡的厚度僅為0.5 mm，這對票卡提升機構的精度提出很高的要求。目前常用的票卡提升機構一般有滾珠絲杠[3]和同步帶，為了保證較高的精度，滾珠絲杠、同步帶輪、導軌及安裝部件的加工費用亦會相應提高。

為了便于維護，票箱一般可更換，更換安裝時需要和刮卡模塊有精確的配合，即要求票箱和刮卡模塊都有較高的精度。票箱內還設計有票卡限位機構，無論票箱內是否裝滿票卡，都可隨時取出儲票箱，即使票箱翻倒，內裝票卡也不會翻亂[4]。但是這種限位機構使得票箱的結構十分復雜。復雜的結構和較高的精度增加了票箱和刮卡模塊的加工成本。

1. 2 原有發卡裝置運行效率較低

當發出發卡命令時，現有發卡裝置從票箱內刮出一張票經過傳送機構送到讀寫區讀寫，然后發送到用戶手中。當響應發卡命令時，票卡的運動距離為票箱到出票口的距離，運動距離較長導致發卡速度較慢，尤其是發后置票箱的票卡時，運動距離則變得更長。發卡速度慢使得自動售票機的運行效率降低，購票高峰期時甚至會導致地鐵站內人員擁堵。

1. 3 原有發卡裝置不易維護

設計刮卡模塊的票卡出口時，其出口寬度一般介于1張和2張票卡厚度之間，且只允許1張票卡通過，從而保證每次至多只會發出1張票卡。而這種設計一旦遇到2張票卡粘連的情況就會造成機器卡死無法運行，此時需要人工干預解決問題，從而增加了維護成本。另一方面，由于現有裝置對各個零部件的安裝和配合有很高的精度要求，任何一個零部件的松動錯位都會造成機器運行故障，這也進一步增加了維護的難度。

2 新型發卡裝置的設計與實現

2. 1 總體方案設計

圖2 新型發卡裝置原理圖

針對現有發卡裝置存在的問題，本文設計了一款新型發卡裝置。圖2為新型雙票箱單通道單刮卡機構發卡裝置原理圖。

新型發卡裝置同樣有前后放置的兩個儲票箱，工作時兩個票箱內的票卡先進入緩存區，然后由刮卡模塊進行精確的票卡分離，經傳送機構到達讀寫區讀寫后送入用戶手中。圖3為本文設計的新型發卡裝置三維結構剖視圖。

圖3 新型發卡裝置三維結構剖視圖

2. 2 升降模塊設計

票卡傾斜放置在票箱內的1個斜塊上面，當票卡被提升機構提升至票箱出口時，在自身重力的作用下滑落至緩存區(見圖4)。圖4中的票卡姿態調整機構如能保持持續旋轉便可以保證票卡滑落時整齊地排列在緩存區內。由于票卡從票箱內進入緩存區時并不能進行精確的分離，只是將票卡補充到緩存區，所以每次從票箱滑出的票卡張數不需要特別精確，控制在1～5張即可，因為即使是粘連的票卡也可以進入緩存區而不會造成機器卡票。

圖4 新型發卡裝置緩存區局部示意圖

這種不需要精確控制票卡張數的補卡方式對于升降機構的要求大大降低，因此，該裝置不再選用精密的滾珠絲杠或者同步帶的方式進行票卡的提升，而是如圖5所示使用剎車步進電機，通過鋼絲繩帶動撥桿在導軌上上下運動，當撥桿插入票箱內的斜塊中時帶動票卡上升。為防止TVM在工作過程中突然斷電而導致票箱內的票卡散亂下落，票卡升降機構的電機選用剎車步進電機，這樣當發生斷電時電機會被鎖死而不再運動。

圖5 新型發卡裝置后視圖

2. 3 刮卡模塊設計

原有刮卡模塊處于票箱和傳送機構之間，受到整機結構的限制一般只能做平面的往復運動，刮刀將票卡刮出后原路返回，在返回過程中刮刀又會對下一張票卡造成摩擦損傷。新型發卡裝置給刮卡模塊提供了較多空間，因此新的刮卡模塊中刮刀可以做整周的運動。刮卡模塊在同步帶上相對的位置設置了2個刮刀，刮刀做圓周運動時將位于下固定板之上緩存區內最底部的1張票卡刮出，票卡通過下固定板和票卡擋塊之間的間隙進入傳送機構。票卡擋塊和手擰螺絲通過螺紋固連，可在左側擋板內上下運動，轉動手擰螺絲可以調節下固定板和票卡擋塊之間的距離使得只能通過1張票卡，從而保證票卡的精確分離。在量產過程中針對不同厚度的票卡可以使用標準票卡來調節這一距離。當出現2張票卡粘連時，刮刀試圖將2張票卡一起刮出，票卡擋塊就會受到向上的力而帶動手擰螺絲壓縮彈簧使得票卡出口變大，粘連的票卡進入傳送機構后在彈簧的作用下通過票卡擋塊恢復原狀。圖6所示為新型刮卡模塊三維結構圖。

圖6 新型刮卡模塊三維結構圖

2. 4 傳送模塊設計

原有發卡裝置因受其工作原理的影響，需為每個票箱設計1條傳送通道，這樣2個通道均可通往讀寫區。如圖3所示新型發卡裝置的傳送結構十分簡單，只包括暫存區和讀寫區兩個部分。刮卡模塊將票卡刮出送入暫存區，然后傳送到讀寫區，讀寫完成后再送入用戶手中，如果發現無法讀寫則讀寫區電機反轉在反轉擋塊的作用下使票卡經過廢票通道進入廢票箱。為了解決票卡粘連的問題，對傳送通道上面的皮帶輪進行了可浮動設計，正常狀況下浮動輪受到彈簧壓縮與通道下面的固定輪配合可以完成單張票卡的傳送；當有粘連的票卡通過時，在彈簧作用下傳送通道間隙變大，粘連的票卡通過傳送通道被送入廢票箱。

2. 5 發卡工作流程優化

原有發卡裝置每次發卡都是從票箱刮出票卡后進行傳送和讀寫。發卡流程十分固定并且發卡速度較慢。新型發卡裝置增加了緩存區和暫存區，優化了發卡流程。新型發卡裝置工作流程如圖7所示。TVM開機復位時在讀寫區、暫存區各暫存1張票卡，當發卡裝置接到發卡命令時將讀寫區的票卡讀寫后立即發送到用戶手中，然后將暫存區的票卡送到讀寫區，同時刮卡模塊再刮出1張票卡存放到暫存區，當刮卡模塊緩存區的票卡低于規定高度時通過兩個票箱進行補票工作。優化后的工作流程使得新型發卡裝置的發卡速度進一步提升。

圖7 新型發卡裝置工作流程圖

3 新型發卡裝置的實施效果

3. 1 發卡速度提高

圖8所示為新型發卡裝置的樣機。新型發卡裝置從以下3個方面保證了一定的發卡速度：①刮卡模塊中刮刀做整周運動，不再存在往復運動時的空回行程，相比原有的刮卡速度至少提高了一倍；②采用新的工作原理，每次發卡的距離變成了從暫存區到出口而不是票箱到出口，發卡距離縮短使得發卡速度提高；③暫存區和緩存區的加入使得發卡流程得到了極大的優化，甚至每次發卡只需要考慮讀寫區到出口的距離，使得發卡速度進一步提高。

圖8 新型發卡裝置樣機

3. 2 穩定性提高

新型發卡裝置在票箱、升降機構以及傳送機構中減少了很多精密零件的使用，這就減少了因精密零部件的配合安裝不到位以及磨損等帶來的機器故障。

在新裝置的設計中也很好地解決了因票卡粘連而導致的機器運行故障，使得裝置的穩定性大大提高。

3. 3 成本降低

新型發卡裝置只有1個刮卡模塊以及1個傳送機構，票箱和升降模塊的結構亦得到了簡化，整個裝置相比原有裝置少了很多零件的使用，零件的購買和加工成本得以降低。新裝置對于升降機構和票箱的精度無太高要求，因此節省了為了達到較高精度而付出的零件加工費用。

4 結語

伴隨著我國近年來城市軌道交通的大力發展，對于TVM的需求亦不斷增大，目前國內大多數廠家為了保證TVM性能都選擇從國外進口發卡模塊?；诖耍疚脑O計了一種新型發卡裝置，該裝置在保證發卡速度和穩定性提高的同時也使成本得以降低，而且能夠達到甚至超過世界同類產品的性能，而價格卻遠遠低于進口設備。因此有必要快速推進該裝置的生產和應用。