余謙元 徐駿善 王富山

(南京理大大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，210094，南京//第一作者，碩士研究生)

為了提升地鐵運(yùn)行效率，保證人們能夠快捷購(gòu)票，我國(guó)許多城市相繼引入了自動(dòng)售檢票(AFC)設(shè)備。TVM(自動(dòng)售票機(jī))發(fā)卡裝置是AFC設(shè)備中極其重要的模塊之一。然而，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)投入使用的TVM發(fā)卡裝置仍然存在諸多問(wèn)題，因此亟待設(shè)計(jì)一款優(yōu)質(zhì)高效的新型發(fā)卡裝置。

1 設(shè)計(jì)新型發(fā)卡裝置的必要性

目前，我國(guó)常用的發(fā)卡裝置根據(jù)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(fā)卡過(guò)程中票卡依靠自身重力下降進(jìn)行補(bǔ)票，無(wú)需票卡提升機(jī)構(gòu)。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(wú)法順利發(fā)出，因此這種方式的發(fā)卡裝置使用較少。另一種是票箱下置[2]，票卡從票箱頂部發(fā)出，然后通過(guò)提升機(jī)構(gòu)提升票箱內(nèi)的票卡進(jìn)行補(bǔ)充。圖1所示為經(jīng)典的票箱下置發(fā)卡裝置，該裝置一般都有兩個(gè)前后放置的票箱，每個(gè)票箱容量大概為1 000張。

圖1 票箱下置發(fā)卡裝置原理圖

1. 1 原有發(fā)卡裝置生產(chǎn)成本較高

發(fā)卡裝置的基本要求是要保證每次只發(fā)出一張票卡，其工作原理是通過(guò)設(shè)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(jī)構(gòu)，然后進(jìn)行讀寫后發(fā)到用戶手中。當(dāng)發(fā)出一張票卡后就要求票卡升降機(jī)構(gòu)將票箱內(nèi)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(fā)卡時(shí)刮刀或者摩擦輪無(wú)法刮到票卡會(huì)造成發(fā)卡失敗；如果提升太高，票卡頂?shù)焦蔚痘蛘吣Σ凛営謺?huì)造成卡票。而地鐵票卡的厚度僅為0.5 mm，這對(duì)票卡提升機(jī)構(gòu)的精度提出很高的要求。目前常用的票卡提升機(jī)構(gòu)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(dǎo)軌及安裝部件的加工費(fèi)用亦會(huì)相應(yīng)提高。

為了便于維護(hù)，票箱一般可更換，更換安裝時(shí)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(nèi)還設(shè)計(jì)有票卡限位機(jī)構(gòu)，無(wú)論票箱內(nèi)是否裝滿票卡，都可隨時(shí)取出儲(chǔ)票箱，即使票箱翻倒，內(nèi)裝票卡也不會(huì)翻亂[4]。但是這種限位機(jī)構(gòu)使得票箱的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)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(fā)卡裝置運(yùn)行效率較低

當(dāng)發(fā)出發(fā)卡命令時(shí)，現(xiàn)有發(fā)卡裝置從票箱內(nèi)刮出一張票經(jīng)過(guò)傳送機(jī)構(gòu)送到讀寫區(qū)讀寫，然后發(fā)送到用戶手中。當(dāng)響應(yīng)發(fā)卡命令時(shí)，票卡的運(yùn)動(dòng)距離為票箱到出票口的距離，運(yùn)動(dòng)距離較長(zhǎng)導(dǎo)致發(fā)卡速度較慢，尤其是發(fā)后置票箱的票卡時(shí)，運(yùn)動(dòng)距離則變得更長(zhǎng)。發(fā)卡速度慢使得自動(dòng)售票機(jī)的運(yùn)行效率降低，購(gòu)票高峰期時(shí)甚至?xí)?dǎo)致地鐵站內(nèi)人員擁堵。

1. 3 原有發(fā)卡裝置不易維護(hù)

設(shè)計(jì)刮卡模塊的票卡出口時(shí)，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(guò)，從而保證每次至多只會(huì)發(fā)出1張票卡。而這種設(shè)計(jì)一旦遇到2張票卡粘連的情況就會(huì)造成機(jī)器卡死無(wú)法運(yùn)行，此時(shí)需要人工干預(yù)解決問(wèn)題，從而增加了維護(hù)成本。另一方面，由于現(xiàn)有裝置對(duì)各個(gè)零部件的安裝和配合有很高的精度要求，任何一個(gè)零部件的松動(dòng)錯(cuò)位都會(huì)造成機(jī)器運(yùn)行故障，這也進(jìn)一步增加了維護(hù)的難度。

2 新型發(fā)卡裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2. 1 總體方案設(shè)計(jì)

圖2 新型發(fā)卡裝置原理圖

針對(duì)現(xiàn)有發(fā)卡裝置存在的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一款新型發(fā)卡裝置。圖2為新型雙票箱單通道單刮卡機(jī)構(gòu)發(fā)卡裝置原理圖。

新型發(fā)卡裝置同樣有前后放置的兩個(gè)儲(chǔ)票箱，工作時(shí)兩個(gè)票箱內(nèi)的票卡先進(jìn)入緩存區(qū)，然后由刮卡模塊進(jìn)行精確的票卡分離，經(jīng)傳送機(jī)構(gòu)到達(dá)讀寫區(qū)讀寫后送入用戶手中。圖3為本文設(shè)計(jì)的新型發(fā)卡裝置三維結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖3 新型發(fā)卡裝置三維結(jié)構(gòu)剖視圖

2. 2 升降模塊設(shè)計(jì)

票卡傾斜放置在票箱內(nèi)的1個(gè)斜塊上面，當(dāng)票卡被提升機(jī)構(gòu)提升至票箱出口時(shí)，在自身重力的作用下滑落至緩存區(qū)(見(jiàn)圖4)。圖4中的票卡姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)如能保持持續(xù)旋轉(zhuǎn)便可以保證票卡滑落時(shí)整齊地排列在緩存區(qū)內(nèi)。由于票卡從票箱內(nèi)進(jìn)入緩存區(qū)時(shí)并不能進(jìn)行精確的分離，只是將票卡補(bǔ)充到緩存區(qū)，所以每次從票箱滑出的票卡張數(shù)不需要特別精確，控制在1～5張即可，因?yàn)榧词故钦尺B的票卡也可以進(jìn)入緩存區(qū)而不會(huì)造成機(jī)器卡票。

圖4 新型發(fā)卡裝置緩存區(qū)局部示意圖

這種不需要精確控制票卡張數(shù)的補(bǔ)卡方式對(duì)于升降機(jī)構(gòu)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(jìn)行票卡的提升，而是如圖5所示使用剎車步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)鋼絲繩帶動(dòng)撥桿在導(dǎo)軌上上下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)撥桿插入票箱內(nèi)的斜塊中時(shí)帶動(dòng)票卡上升。為防止TVM在工作過(guò)程中突然斷電而導(dǎo)致票箱內(nèi)的票卡散亂下落，票卡升降機(jī)構(gòu)的電機(jī)選用剎車步進(jìn)電機(jī)，這樣當(dāng)發(fā)生斷電時(shí)電機(jī)會(huì)被鎖死而不再運(yùn)動(dòng)。

圖5 新型發(fā)卡裝置后視圖

2. 3 刮卡模塊設(shè)計(jì)

原有刮卡模塊處于票箱和傳送機(jī)構(gòu)之間，受到整機(jī)結(jié)構(gòu)的限制一般只能做平面的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，刮刀將票卡刮出后原路返回，在返回過(guò)程中刮刀又會(huì)對(duì)下一張票卡造成摩擦損傷。新型發(fā)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(yùn)動(dòng)。刮卡模塊在同步帶上相對(duì)的位置設(shè)置了2個(gè)刮刀，刮刀做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)將位于下固定板之上緩存區(qū)內(nèi)最底部的1張票卡刮出，票卡通過(guò)下固定板和票卡擋塊之間的間隙進(jìn)入傳送機(jī)構(gòu)。票卡擋塊和手?jǐn)Q螺絲通過(guò)螺紋固連，可在左側(cè)擋板內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)手?jǐn)Q螺絲可以調(diào)節(jié)下固定板和票卡擋塊之間的距離使得只能通過(guò)1張票卡，從而保證票卡的精確分離。在量產(chǎn)過(guò)程中針對(duì)不同厚度的票卡可以使用標(biāo)準(zhǔn)票卡來(lái)調(diào)節(jié)這一距離。當(dāng)出現(xiàn)2張票卡粘連時(shí)，刮刀試圖將2張票卡一起刮出，票卡擋塊就會(huì)受到向上的力而帶動(dòng)手?jǐn)Q螺絲壓縮彈簧使得票卡出口變大，粘連的票卡進(jìn)入傳送機(jī)構(gòu)后在彈簧的作用下通過(guò)票卡擋塊恢復(fù)原狀。圖6所示為新型刮卡模塊三維結(jié)構(gòu)圖。

圖6 新型刮卡模塊三維結(jié)構(gòu)圖

2. 4 傳送模塊設(shè)計(jì)

原有發(fā)卡裝置因受其工作原理的影響，需為每個(gè)票箱設(shè)計(jì)1條傳送通道，這樣2個(gè)通道均可通往讀寫區(qū)。如圖3所示新型發(fā)卡裝置的傳送結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，只包括暫存區(qū)和讀寫區(qū)兩個(gè)部分。刮卡模塊將票卡刮出送入暫存區(qū)，然后傳送到讀寫區(qū)，讀寫完成后再送入用戶手中，如果發(fā)現(xiàn)無(wú)法讀寫則讀寫區(qū)電機(jī)反轉(zhuǎn)在反轉(zhuǎn)擋塊的作用下使票卡經(jīng)過(guò)廢票通道進(jìn)入廢票箱。為了解決票卡粘連的問(wèn)題，對(duì)傳送通道上面的皮帶輪進(jìn)行了可浮動(dòng)設(shè)計(jì)，正常狀況下浮動(dòng)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(dāng)有粘連的票卡通過(guò)時(shí)，在彈簧作用下傳送通道間隙變大，粘連的票卡通過(guò)傳送通道被送入廢票箱。

2. 5 發(fā)卡工作流程優(yōu)化

原有發(fā)卡裝置每次發(fā)卡都是從票箱刮出票卡后進(jìn)行傳送和讀寫。發(fā)卡流程十分固定并且發(fā)卡速度較慢。新型發(fā)卡裝置增加了緩存區(qū)和暫存區(qū)，優(yōu)化了發(fā)卡流程。新型發(fā)卡裝置工作流程如圖7所示。TVM開機(jī)復(fù)位時(shí)在讀寫區(qū)、暫存區(qū)各暫存1張票卡，當(dāng)發(fā)卡裝置接到發(fā)卡命令時(shí)將讀寫區(qū)的票卡讀寫后立即發(fā)送到用戶手中，然后將暫存區(qū)的票卡送到讀寫區(qū)，同時(shí)刮卡模塊再刮出1張票卡存放到暫存區(qū)，當(dāng)刮卡模塊緩存區(qū)的票卡低于規(guī)定高度時(shí)通過(guò)兩個(gè)票箱進(jìn)行補(bǔ)票工作。優(yōu)化后的工作流程使得新型發(fā)卡裝置的發(fā)卡速度進(jìn)一步提升。

圖7 新型發(fā)卡裝置工作流程圖

3 新型發(fā)卡裝置的實(shí)施效果

3. 1 發(fā)卡速度提高

圖8所示為新型發(fā)卡裝置的樣機(jī)。新型發(fā)卡裝置從以下3個(gè)方面保證了一定的發(fā)卡速度：①刮卡模塊中刮刀做整周運(yùn)動(dòng)，不再存在往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)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(fā)卡的距離變成了從暫存區(qū)到出口而不是票箱到出口，發(fā)卡距離縮短使得發(fā)卡速度提高；③暫存區(qū)和緩存區(qū)的加入使得發(fā)卡流程得到了極大的優(yōu)化，甚至每次發(fā)卡只需要考慮讀寫區(qū)到出口的距離，使得發(fā)卡速度進(jìn)一步提高。

圖8 新型發(fā)卡裝置樣機(jī)

3. 2 穩(wěn)定性提高

新型發(fā)卡裝置在票箱、升降機(jī)構(gòu)以及傳送機(jī)構(gòu)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(lái)的機(jī)器故障。

在新裝置的設(shè)計(jì)中也很好地解決了因票卡粘連而導(dǎo)致的機(jī)器運(yùn)行故障，使得裝置的穩(wěn)定性大大提高。

3. 3 成本降低

新型發(fā)卡裝置只有1個(gè)刮卡模塊以及1個(gè)傳送機(jī)構(gòu)，票箱和升降模塊的結(jié)構(gòu)亦得到了簡(jiǎn)化，整個(gè)裝置相比原有裝置少了很多零件的使用，零件的購(gòu)買和加工成本得以降低。新裝置對(duì)于升降機(jī)構(gòu)和票箱的精度無(wú)太高要求，因此節(jié)省了為了達(dá)到較高精度而付出的零件加工費(fèi)用。

4 結(jié)語(yǔ)

伴隨著我國(guó)近年來(lái)城市軌道交通的大力發(fā)展，對(duì)于TVM的需求亦不斷增大，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家為了保證TVM性能都選擇從國(guó)外進(jìn)口發(fā)卡模塊。基于此，本文設(shè)計(jì)了一種新型發(fā)卡裝置，該裝置在保證發(fā)卡速度和穩(wěn)定性提高的同時(shí)也使成本得以降低，而且能夠達(dá)到甚至超過(guò)世界同類產(chǎn)品的性能，而價(jià)格卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于進(jìn)口設(shè)備。因此有必要快速推進(jìn)該裝置的生產(chǎn)和應(yīng)用。