托盤分揀機(jī)的研究與實(shí)現(xiàn)

曾學(xué)

（昆明船舶設(shè)備集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650000）

托盤分揀機(jī)的研究與實(shí)現(xiàn)

曾學(xué)

（昆明船舶設(shè)備集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650000）

指出托盤分揀機(jī)是分揀系統(tǒng)中的核心設(shè)備，其是否穩(wěn)定、可靠，決定了物流中心整個(gè)分揀系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。托盤分揀機(jī)包含了機(jī)械、控制兩部分，確保這兩部分的穩(wěn)定可靠，就能確保托盤分揀機(jī)的穩(wěn)定可靠。在此基礎(chǔ)上，在分揀系統(tǒng)里對托盤分揀機(jī)進(jìn)行冗余配置，可進(jìn)一步提高分揀系統(tǒng)的可靠性，達(dá)到不間斷高效運(yùn)行的目的。

托盤分揀機(jī)；分揀系統(tǒng)；電動(dòng)傾翻；直線電機(jī)

1 引言

近年來，全球電子商務(wù)快速發(fā)展，電子商務(wù)在經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中的地位和作用越發(fā)凸顯，已經(jīng)成為全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵之一。物流業(yè)作為電子商務(wù)的重要支撐，其建設(shè)速度也在不斷加快，如何構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定、可靠的物流系統(tǒng)，已成為大部分物流工程師所面臨的一個(gè)共同課題［1］。

2 托盤分揀機(jī)的研究與實(shí)現(xiàn)

托盤分揀機(jī)（Tilt Tray Sorter，簡稱TTS）是物流系統(tǒng)中的核心設(shè)備，主要是用來穩(wěn)定、高效地分揀非標(biāo)準(zhǔn)化、非規(guī)格化的物品，如：旅客行李、郵件、快遞貨物等。如圖1所示，來自貨物導(dǎo)入口的貨物進(jìn)入分揀機(jī)的托盤，載有貨物的托盤運(yùn)行到預(yù)定的卸貨滑槽處，托盤自動(dòng)傾翻，將貨物卸載，完成分揀操作。

圖1 分揀系統(tǒng)布局示意圖

在圖1中，托盤分揀機(jī)作為此分揀系統(tǒng)的核心，其穩(wěn)定性和可靠性決定了整個(gè)分揀系統(tǒng)是否穩(wěn)定可靠。從功能的角度可將其分為：機(jī)械、控制兩部分。

2.1 機(jī)械部分

托盤分揀機(jī)機(jī)械部分包含軌道，托架連接組件，直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)，托盤，電動(dòng)傾翻機(jī)構(gòu)以及TTS簡單部件：蓋板、支撐、引導(dǎo)線、分揀滑槽和擋板等，如圖2所示。

圖2 托盤分揀機(jī)機(jī)械組件

2.1.1 軌道。軌道是軌道部件經(jīng)螺栓連接組合而成，供托架連接組件和電動(dòng)傾翻機(jī)構(gòu)運(yùn)行所使用的連續(xù)線路。也是通信子系統(tǒng)RF天線和供電母線所使用的線槽。

為了保證托盤分揀機(jī)的穩(wěn)定可靠，將軌道設(shè)計(jì)為全封閉軌道，可有效防止貨物跌落損壞設(shè)備、防止貨物的包帶導(dǎo)致的分揀機(jī)故障、以及防止灰塵/碎屑進(jìn)入軌道影響設(shè)備運(yùn)行。

在分揀機(jī)周圍安裝有護(hù)板，主要作用是當(dāng)分揀機(jī)軌道安裝位置較低時(shí)，保護(hù)操作分揀機(jī)的人員不受移動(dòng)部件的傷害。護(hù)板采用重量較輕的擠壓塑料制成，每塊護(hù)板長度約為1 470mm。

軌道上還設(shè)有軌道張緊組件，安裝在相鄰平行的線路支撐處，以盡量減少調(diào)整過程中需要移動(dòng)的軌道數(shù)量。軌道張緊部件為裝配式鋼結(jié)構(gòu)，長度為1 750mm，與標(biāo)準(zhǔn)直線軌道部件相同，但長度可在50mm范圍內(nèi)調(diào)整變化。

2.1.2 托架連接組件。托架連接組件是安裝電動(dòng)傾翻機(jī)構(gòu)的底座，將其首尾相連，組成一個(gè)輸送鏈，由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)沿軌道運(yùn)行。

托架連接結(jié)構(gòu)為十字形，采用擠壓鋁材及鑄鋁部件制成。組件有前后裝配連接，前端為球形桿端部軸承，后端為U型夾。主體擠壓部件裝有鋼反應(yīng)板，其上有直線電機(jī)。懸臂的兩端有承重軸承及導(dǎo)向輪組件。

2.1.3 直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)。直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要功能是驅(qū)動(dòng)托架連接組件、電動(dòng)傾翻裝置、托盤沿軌道運(yùn)行，具有冗余、高可靠、低噪音等特性。TTS的軌道部件內(nèi)安裝有確定數(shù)目的直線電機(jī)組件，它們沿軌道線路安裝，以便平均分配負(fù)荷。典型線路包括主直線電機(jī)（裝有激光高度傳感器），安全擋板及限位開關(guān)。

2.1.4 托盤。托盤分揀機(jī)采用的帶倒角托盤，可以有效消除貨物在進(jìn)出托盤時(shí)的卡掛情況，提高對分揀機(jī)和貨物的保護(hù)。

2.1.5 電動(dòng)傾翻機(jī)構(gòu)。電動(dòng)傾翻機(jī)構(gòu)裝有傾翻電機(jī)和控制箱，完成傾翻（分揀）功能。電動(dòng)傾翻機(jī)構(gòu)設(shè)定的傾翻曲線，可以在彎道傾翻?？刂葡涫褂脧椥怨潭A緊固定到電動(dòng)傾翻機(jī)構(gòu)上,電機(jī)通過接收控制箱的指令驅(qū)動(dòng)傾翻機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的傾翻、復(fù)位動(dòng)作。

2.1.6 TTS簡單部件。TTS的簡單部件包含了：蓋板、支撐、軌道下部護(hù)板、引導(dǎo)線、分揀滑槽等，主要完成支撐、封閉、連接TTS各部件間的功能。

2.2 控制部分

2.2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。托盤分揀機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。主控PLC選用Siemens S7-400，具有通訊速率高，可靠穩(wěn)定、維修方便等特性，主要作用是：

·從高端控制系統(tǒng)接收運(yùn)行參數(shù)。

·控制導(dǎo)入輸送機(jī)。

·與傾翻機(jī)構(gòu)通信。

·管理外型檢測站。

·分揀機(jī)節(jié)能控制。

·分揀機(jī)雙速控制。

圖3 托盤分揀機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 分揀機(jī)運(yùn)行參數(shù)?？梢酝ㄟ^高端控制系統(tǒng)和設(shè)

備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定分揀運(yùn)行參數(shù)，并下載到主控PLC（S7-400）的控制程序中。控制參數(shù)如下：

（1）再循環(huán)圈數(shù)最大值。若因?yàn)榛鄄豢捎?，貨物無法導(dǎo)入其目的地滑槽，貨物將仍在分揀機(jī)上繼續(xù)運(yùn)行。在首次嘗試導(dǎo)入滑槽不成功后，控制系統(tǒng)仍將控制貨物進(jìn)行新的傾翻嘗試。若貨物在繞著分揀機(jī)循環(huán)完設(shè)定的最多循環(huán)圈數(shù)后，滑槽仍然不可用，貨物將被導(dǎo)入棄包滑槽。

（2）設(shè)置棄包滑槽。當(dāng)貨物的目的地滑槽不可用，或不提供服務(wù)，或者貨物已經(jīng)沿分揀機(jī)繞圈達(dá)到其允許的最大圈數(shù)時(shí)，貨物將被導(dǎo)入棄包滑槽。到達(dá)棄包滑槽的貨物將有專人負(fù)責(zé)處理。注意，分揀機(jī)上的未知貨物（自動(dòng)識(shí)別設(shè)備識(shí)別不了的貨物）將被發(fā)往人工補(bǔ)碼站MCS而不是棄包滑槽。

（3）直線電機(jī)控制。可以通過高端控制系統(tǒng)打開或者關(guān)閉直線電機(jī)。

（4）追蹤單元切換。每臺(tái)分揀機(jī)有2個(gè)追蹤單元。若其中一個(gè)追蹤單元故障，可以通過高端控制系統(tǒng)/設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)切換到另一臺(tái)追蹤單元。

（5）不提供服務(wù)模式。為了使系統(tǒng)正常運(yùn)作，分揀機(jī)必須要能夠正確分揀貨物。若因?yàn)槿魏卧?，托盤分揀機(jī)不能正確的分揀貨物，應(yīng)該將此分揀機(jī)切換到不提供服務(wù)模式。這樣的話，貨物在進(jìn)入導(dǎo)入線之前會(huì)被分揀到提供服務(wù)的分揀機(jī)上。

2.2.3 導(dǎo)入輸送線控制。貨物通過導(dǎo)入輸送線進(jìn)入托盤分揀機(jī)，導(dǎo)入輸送線如圖1所示。系統(tǒng)可根據(jù)應(yīng)用場合選擇30°或45°導(dǎo)入角度，導(dǎo)入方式分為：動(dòng)態(tài)導(dǎo)入和非動(dòng)態(tài)導(dǎo)入，其中“非動(dòng)態(tài)”導(dǎo)入線適用于低流量應(yīng)用場合，“動(dòng)態(tài)”導(dǎo)入線適用于連續(xù)高流量應(yīng)用場合。

“非動(dòng)態(tài)”模式下，貨物通常會(huì)在導(dǎo)入線上的已知位置短暫停頓，當(dāng)與空的托盤分配成功后，導(dǎo)入線再次啟動(dòng)并加速到所需的速度后將貨物平滑地送上托盤?！皠?dòng)態(tài)導(dǎo)入”是在貨物輸送過程中，根據(jù)分配的托盤位置和分揀機(jī)運(yùn)行速度，自動(dòng)對貨物的輸送過程進(jìn)行加速或減速，使得在貨物無停頓地、平滑地送上托盤，這種模式可以提供更高的導(dǎo)入能力。

在導(dǎo)入線的最末端一臺(tái)輸送機(jī)為同步輸送機(jī)，在同步輸送機(jī)上使用“再同步技術(shù)”控制，該技術(shù)適用于“非動(dòng)態(tài)”和“動(dòng)態(tài)”導(dǎo)入模式，為輸送狀態(tài)不穩(wěn)定而在導(dǎo)入線上被檢測出位置偏移的貨物，采取停頓、反轉(zhuǎn)到已知位置，并換以低加速度和更加可控的消除貨物滑移的加速方式將貨物導(dǎo)入到重新分配的托盤上。

“再同步技術(shù)”的主要特點(diǎn)如下：

避免導(dǎo)入線停機(jī)，提供更高的導(dǎo)入能力。

更高質(zhì)量的貨物導(dǎo)入和更精準(zhǔn)的貨物位置控制。

大大降低維護(hù)人工和成本。

2.2.4 與電動(dòng)傾翻機(jī)構(gòu)通訊。傾翻機(jī)構(gòu)控制箱內(nèi)Master carriage通過射頻（RF）通信接受主控PLC的指令，并決定傾翻位置?？刂葡鋬?nèi)安裝有反相器和傳感器，可控制電機(jī)傾翻托盤，將貨物正確分揀至目的地。

2.2.5 外檢站管理。外檢站管理主要有兩個(gè)作用,第一是防止分揀機(jī)移位或者不正確位置的貨物造成托盤分揀機(jī)損壞；第二是提供與分揀機(jī)追蹤窗口的接口，在此處記錄貨物托盤狀態(tài)、貨物數(shù)據(jù)、再循環(huán)圈數(shù)等。

2.2.6 貨物跟蹤。當(dāng)貨物進(jìn)入導(dǎo)入輸送線，控制系統(tǒng)開始跟蹤貨物，并與自動(dòng)識(shí)別設(shè)備通訊獲取該貨物的唯一標(biāo)示；貨物經(jīng)導(dǎo)入輸送線進(jìn)入托盤后，控制系統(tǒng)使用此貨物的唯一標(biāo)示向高端控制系統(tǒng)查詢該貨物對應(yīng)的滑槽編號(hào)。高端控制系統(tǒng)收到查詢請求，結(jié)合配置情況、資源分配情況綜合分析給出該貨物有效的目標(biāo)滑槽，并回傳給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)以該滑槽作為貨物的目的地，輸送該件貨物到指定的滑槽處，完成貨物分揀。

2.2.7 節(jié)能。若導(dǎo)入輸送線檢測到超過預(yù)設(shè)時(shí)間（通常為5min）沒有貨物通過時(shí)，則會(huì)自動(dòng)進(jìn)入節(jié)能模式。當(dāng)節(jié)能條件滿足時(shí)，導(dǎo)入輸送線的所有輸送機(jī)將同時(shí)停止運(yùn)行。

除了導(dǎo)入輸送機(jī)，托盤分揀機(jī)也具有節(jié)能功能。當(dāng)檢測到超過預(yù)設(shè)時(shí)間沒有貨物時(shí)，分揀機(jī)將斷電，并經(jīng)過一段滑行距離后停止。如果在節(jié)能過程中，又有貨物到達(dá)導(dǎo)入線，只有在分揀機(jī)完全停止后，才能夠重新啟動(dòng)。主控PLC發(fā)送節(jié)能模式喚醒信號(hào)，接到節(jié)能模式喚醒信號(hào)后，導(dǎo)入線和分揀機(jī)將自動(dòng)重啟。

2.2.8 雙速運(yùn)行控制。托盤分揀機(jī)設(shè)計(jì)為雙速運(yùn)行，通常速度為1.4m/s和1.9m/s（最大2.1m/s），通過檢測導(dǎo)入線貨物流量自動(dòng)進(jìn)行速度切換，這種在高峰時(shí)段高速運(yùn)行，正常時(shí)段低速運(yùn)行的功能設(shè)計(jì)，可以有效降低設(shè)備

磨耗約20%，減少能源消耗約25%，提高設(shè)備壽命。

假設(shè)分揀機(jī)每天運(yùn)行20h，在分揀機(jī)高低速分別運(yùn)行在1.9m/s和1.4m/s的情況下，若分揀機(jī)全天運(yùn)行在高速情況下，一年運(yùn)轉(zhuǎn)的距離=1.9×3 600×20×365= 49 932km，若每天有20%時(shí)間在高速下運(yùn)行，一年運(yùn)轉(zhuǎn)的距離=1.9×3 600×20×365×20%+1.4×3 600×20× 365×80%=39 420km，兩者相差10 512km。

2.3 托盤分揀機(jī)的冗余配置

托盤分揀機(jī)系統(tǒng)一般包含兩套托盤分揀機(jī)，一個(gè)位于內(nèi)圈，一個(gè)位于外圈，內(nèi)圈托盤分揀機(jī)與外圈托盤分揀機(jī)互為備份。當(dāng)內(nèi)圈托盤分揀機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，貨物通過垂直分流器進(jìn)行選擇，全部走垂直分流器的下側(cè)通道，進(jìn)入外圈托盤分揀機(jī)并完成貨物自動(dòng)分揀。如圖4所示。

圖4 內(nèi)圈托盤分揀機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)貨物使用外圈托盤分揀機(jī)分揀

同理，當(dāng)外圈托盤分揀機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，貨物通過垂直分流器進(jìn)行選擇，全部走垂直分流器的上側(cè)通道，進(jìn)入內(nèi)圈托盤分揀機(jī)并完成貨物自動(dòng)分揀。

分揀系統(tǒng)使用人工分揀轉(zhuǎn)盤為托盤分揀系統(tǒng)備份。當(dāng)TTS系統(tǒng)出現(xiàn)故障，或高端控制系統(tǒng)宕機(jī)，貨物無法進(jìn)行自動(dòng)分揀時(shí)，貨物通過垂直分流器進(jìn)行選擇，進(jìn)入對應(yīng)的直通人工分揀轉(zhuǎn)盤。如圖5所示。

圖5 TTS系統(tǒng)故障時(shí)采用人工分揀轉(zhuǎn)盤分揀時(shí)的貨物輸送流程

3 結(jié)束語

通過上面的分析可以看出：通過合理的機(jī)械設(shè)計(jì)、優(yōu)化的程序控制并輔于冗余的系統(tǒng)設(shè)置，使得整個(gè)分揀系統(tǒng)能穩(wěn)定、可靠的進(jìn)行貨物分揀。托盤分揀機(jī)在物流中心的運(yùn)用，也加速了傳統(tǒng)物流中心向節(jié)能環(huán)保型物流中心的轉(zhuǎn)變，助力我國的電子商務(wù)更上一個(gè)臺(tái)階。

［1］曾學(xué),張文明.高可用物流信息系統(tǒng)的構(gòu)建［J］.物流技術(shù)與應(yīng)用,2016,（3）：130-133.

Research and Realization of Pallet Sorting Machine

Zeng Xue
（Kunming Shipbuilding Equipment Co., Ltd., Kunming 650000, China）

In this paper, we first pointed out that the pallet sorting machine was the critical equipment in a sorting system and decidedthe stability and reliability of the entire system. A pallet sorting machine generally contains the mechanical part and the controller part. Forthe purpose of ensuring the stability and reliability of the system, we provided redundancy for the pallet sorting machine in a sorting system sothat it could run smoothly and effectively at all times.

pallet sorting machine； sorting system； electrical tipper； linear electrical motor

TH22

A

1005-152X（2016）09-0097-04

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.09.021

2016-07-25

曾學(xué)（1978-），碩士研究生，高級(jí)工程師，注冊信息系統(tǒng)集成高級(jí)項(xiàng)目經(jīng)理，研究方向：軟件研發(fā)。