公交车投币箱的自动清分系统设计与效果研究

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.