物流交叉分揀機(jī)的上包控制系統(tǒng)研究

史建平，狄軼娟，蔡紀(jì)鶴

（常州工學(xué)院 電氣與光電工程學(xué)院，常州 213022）

物流交叉分揀機(jī)的上包控制系統(tǒng)研究

史建平，狄軼娟，蔡紀(jì)鶴

（常州工學(xué)院 電氣與光電工程學(xué)院，常州 213022）

隨著電子商務(wù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)人工分揀作業(yè)方式已不能滿足現(xiàn)代物流分揀的需求，因而，就有必要對(duì)自動(dòng)分揀技術(shù)進(jìn)行研究。在交叉帶式分揀機(jī)系統(tǒng)中，上包臺(tái)系統(tǒng)直接影響到整個(gè)包裹分揀系統(tǒng)的性能和效率。因此，為了滿足中通快遞的快速、高效分揀，提出對(duì)交叉帶式分揀機(jī)的上包控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。為提高包裹的自動(dòng)分揀效率，上包臺(tái)系統(tǒng)提出采用三級(jí)傳送帶結(jié)構(gòu)，且上包臺(tái)與輸送裝置成45°。經(jīng)系統(tǒng)調(diào)試，此物流交叉分揀機(jī)的上包臺(tái)系統(tǒng)上包效率高，準(zhǔn)確性高、穩(wěn)定性好。

物流；自動(dòng)分揀；上包臺(tái)；三級(jí)傳送

0 引言

隨著電子商務(wù)的快速發(fā)展，我國(guó)物流行業(yè)保持高速發(fā)展的趨勢(shì)，分揀作業(yè)已成為物流工作的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的分揀作業(yè)方式完全基于人工，通過(guò)人工搜索、搬運(yùn)貨物來(lái)完成貨物的提取。這種傳統(tǒng)的人工分揀方式需要大量的人力物力，自動(dòng)化技術(shù)水平低，分揀效率非常低，容易漏檢、錯(cuò)檢等。近年來(lái)，隨著我國(guó)電子商務(wù)、快遞等行業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的人工分揀方式已不適合現(xiàn)代物流行業(yè)的發(fā)展。因此，自動(dòng)分揀系統(tǒng)（Automatic sorting system）在物流行業(yè)得到了很好的發(fā)展，如郵件分揀[1]、行李分揀[2]、藥品分揀[3]、材料[4]及煙草[5]等。

在現(xiàn)有的物流自動(dòng)分揀系統(tǒng)中，交叉帶式分揀系統(tǒng)具有可處理多樣化的貨物、以較小的單元間距將生產(chǎn)量最大化的優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用廣泛[6]。

包裹自動(dòng)分揀系統(tǒng)一般由供包裝置、上包臺(tái)系統(tǒng)、輸送裝置（由小車組成的環(huán)形封閉輸送裝置）、格口落包系統(tǒng)構(gòu)成。其中，上包臺(tái)系統(tǒng)是包裹分揀系統(tǒng)中的重要組成部分，直接影響到整個(gè)包裹分揀系統(tǒng)的性能和效率。因此，在本文中提出對(duì)上包臺(tái)系統(tǒng)的控制方法進(jìn)行研究，以提高物流包裹在自動(dòng)分揀作業(yè)中的上包效率。

1 物流交叉分揀機(jī)的上包臺(tái)系統(tǒng)

1.1 上包臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文研究的物流交叉分揀機(jī)系統(tǒng)，主要是針對(duì)3.5kg以下的中小型規(guī)格的規(guī)則包裹進(jìn)行自動(dòng)分揀。因此，在本設(shè)計(jì)中，為提高包裹的自動(dòng)分揀效率，上包臺(tái)系統(tǒng)提出采用三級(jí)傳送帶結(jié)構(gòu)，分別為掃描級(jí)、等待級(jí)及加速級(jí)。各級(jí)根據(jù)其控制目的采用不同的驅(qū)動(dòng)裝置。掃描級(jí)的功能是使系統(tǒng)獲取待分揀包裹的信息，包括條碼信息、質(zhì)量信息，這些信息被發(fā)送給上報(bào)計(jì)算機(jī)用來(lái)判斷包裹的落包口。掃描級(jí)由滾筒電機(jī)驅(qū)動(dòng)。等待級(jí)是包裹用來(lái)等待小車同步信號(hào)的地方，由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。加速級(jí)的功能是使包裹加速至與環(huán)形圈上小車匹配的速度，因而其對(duì)速度的控制精度要求較高，故該級(jí)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

物流交叉分揀機(jī)系統(tǒng)的上包臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 上包臺(tái)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖中，D1為滾筒電機(jī)，D2為直流電機(jī)，D3為伺服電機(jī)。三級(jí)傳送帶依次為掃描級(jí)、等待級(jí)、加速級(jí)。C1、C2、C3為對(duì)射型光電傳感器。C4為電子秤。其中，掃描級(jí)由滾筒電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電子秤置于掃描級(jí)傳送帶下方，用以稱量待分揀包裹質(zhì)量。等待級(jí)由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。加速級(jí)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

1.2 上包控制系統(tǒng)

本上包臺(tái)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、條形碼閱讀器、重量動(dòng)態(tài)稱、三級(jí)傳送帶、變頻器、交流電機(jī)等組成。在上包控制系統(tǒng)中，首先分別使用條形碼閱讀器、重量動(dòng)態(tài)稱讀取包裹條形碼、包裹重量，將包裹信息、包裹重量被送至主控制；然后，控制變頻器和交流電機(jī)使上包皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)，將包裹準(zhǔn)確送上輸送裝置。

上包控制系統(tǒng)的上包流程主要描述為：1）首先，掃描級(jí)與等待級(jí)電機(jī)啟動(dòng)，包裹經(jīng)過(guò)掃描槍掃描后，放入掃描級(jí)。2）加速至掃描級(jí)帶速后，勻速經(jīng)過(guò)電子秤，得到質(zhì)量。3）包裹進(jìn)入等待級(jí)后，掃描級(jí)與等待級(jí)停止運(yùn)行，包裹減速達(dá)到定位線開(kāi)始等待小車同步信號(hào)。4）得到小車同步信號(hào)后，上包PLC根據(jù)上包臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的延遲時(shí)間控制等待級(jí)電機(jī)延遲啟動(dòng)，同時(shí)上包PLC也要控制對(duì)加速級(jí)的提前啟動(dòng)。包裹進(jìn)入加速級(jí)后，進(jìn)一步加速至目標(biāo)速度，進(jìn)入小車。

2 上包控制系統(tǒng)

在上包系統(tǒng)的控制策略研究中，常見(jiàn)的提高上包效率的策略主要有：1）增加上包系統(tǒng)的上包點(diǎn)、小車數(shù)量；2）提高上包系統(tǒng)中上包傳送帶的速度和小車環(huán)形圈的運(yùn)行速度；3）提高上包的工作效率。在實(shí)際的物流交叉分揀機(jī)系統(tǒng)中，考慮到上包系統(tǒng)控制的復(fù)雜性和分揀成本，對(duì)上包點(diǎn)、小車數(shù)量都會(huì)控制在一定的范圍內(nèi)，同時(shí)傳送帶速度、小車環(huán)形圈運(yùn)行速度受設(shè)計(jì)及制造工藝水平的限制，它的提高是有一定的限度的。

因此，在本文研究的物流交叉分揀機(jī)中，假設(shè)上包點(diǎn)個(gè)數(shù)為Np、小車數(shù)量為Nd、小車長(zhǎng)度為d1、三級(jí)傳送帶的速度分別為v1、v2、v3、小車環(huán)形圈的運(yùn)行速度為vd，提出對(duì)上包臺(tái)的上包效率進(jìn)行控制策略研究，從而進(jìn)一步提高物流交叉分揀機(jī)系統(tǒng)的分揀效率。

2.1 三級(jí)傳送帶速度

1）加速級(jí)速度（v3）

在上包臺(tái)系統(tǒng)的研究中，設(shè)定上包臺(tái)與輸送裝置成β角度，則可得加速級(jí)運(yùn)行速度（v3）和小車環(huán)形圈的運(yùn)行速度為（vd）之間存在如下矢量關(guān)系圖：

從圖2可得：

圖2 加速級(jí)速度矢量圖

2）掃描級(jí)速度（v1）和等待級(jí)速度（v2）

當(dāng)上包分揀系統(tǒng)啟動(dòng)后，掃描級(jí)傳送帶以速度v1連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，等待級(jí)傳送帶以速度v2允許進(jìn)行，為了使包裹平穩(wěn)的進(jìn)入等待級(jí)傳送帶，不側(cè)翻或偏移，故而選取v1=v2。當(dāng)包裹進(jìn)入等待級(jí)停止且開(kāi)始等待空載小車同步信號(hào)時(shí)，掃描級(jí)傳送帶也停止運(yùn)轉(zhuǎn)。本設(shè)計(jì)為了降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)量的難度，故而選擇v1=v2=v3/2。

2.2 上包臺(tái)控制流程

本文上包系統(tǒng)的上包控制流程如圖3所示。

圖3 上包控制流程圖

從圖3可以看出，上包系統(tǒng)控制流程大致分為4部分：初始過(guò)程、掃描過(guò)程、等待過(guò)程及加速過(guò)程。

1）初始過(guò)程：主要完成系統(tǒng)分檢工作前的一系列準(zhǔn)備工作，包括使用射型光電傳感器C1、C2，檢測(cè)此位置是否有包裹。

2）掃描過(guò)程：主要是采集包裹信息和重量信息，通過(guò)RS-485總線上傳給分揀主機(jī)。若包裹超重（≥3.5kg），則系統(tǒng)報(bào)警提示工作人員取出超重包裹，否則，包裹繼續(xù)前行。進(jìn)入等待級(jí)后，PLC控制等待級(jí)與掃描級(jí)電機(jī)停止，使包裹減速為0達(dá)到定位線，此處可用射型光電傳感器C2檢測(cè)包裹是否到達(dá)定位線處。

3）等待過(guò)程：包裹在等待級(jí)的定位線處等待小車觸發(fā)信號(hào)。得到觸發(fā)信號(hào)的這段時(shí)間成為延遲時(shí)間，數(shù)值由上位機(jī)控制程序計(jì)算得到。

4）加速過(guò)程：當(dāng)?shù)玫接|發(fā)信號(hào)后，啟動(dòng)等待級(jí)與掃描級(jí)電機(jī)，對(duì)包裹再加速。進(jìn)入加速級(jí)（可用射型光電傳感器C3檢測(cè)）后，進(jìn)一步加速至預(yù)期上包速度，完成系統(tǒng)的上包操作。

從上包系統(tǒng)的上包控制流程可以看出，要進(jìn)一步提高上包系統(tǒng)的工作效率，主要取決于一個(gè)參數(shù)，即在第一個(gè)包裹位于等待級(jí)定位線等待空載小車階段時(shí)，得到同步信號(hào)后，設(shè)位于掃描級(jí)的第二個(gè)包裹到達(dá)定位線的時(shí)間為t1，第一個(gè)包裹完成上包所需的時(shí)間為t2，真正決定上包系統(tǒng)效率的是縮小t2-t1這個(gè)時(shí)間差。提高上包系統(tǒng)的效率的關(guān)鍵就是確保第一個(gè)包裹發(fā)出的同時(shí)，第二個(gè)包裹到達(dá)原第一個(gè)包裹的位置（定位線），并依次不斷的重復(fù)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)中，為了滿足中通公司廣州分公司的快遞的快速、高效分揀，設(shè)計(jì)物流交叉分揀機(jī)系統(tǒng)的供包裝置及上包臺(tái)各4個(gè)、小車120個(gè)（長(zhǎng)寬為0.5m）、格口8個(gè)。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為使上包臺(tái)系統(tǒng)能以較高的效率將包裹送入小車，本設(shè)計(jì)選用施耐德PLC（具體型號(hào)是TM221CE16R）。需要配備的模塊是TM3AQ4模擬量輸出模塊。光電傳感器作為位置檢測(cè)器件直接與上包PLC相連。上包PLC通過(guò)RS232串口與上包臺(tái)計(jì)算機(jī)通訊，通過(guò)RS485串口控制各級(jí)傳送帶電機(jī)。上包系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 上包系統(tǒng)通訊拓?fù)鋱D

3.2 物理參數(shù)確定

本文中，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、便于計(jì)算，將包裹抽象為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，使用質(zhì)點(diǎn)模型來(lái)分析包裹在傳送帶上的運(yùn)動(dòng)。

1）靜摩擦系數(shù)及加速度

包裹在傳送帶運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，受到自身重力和傳送帶的靜摩擦力?？紤]到傳送帶材質(zhì)對(duì)上包系統(tǒng)的影響，選用包裹與傳送帶之間的靜摩擦系數(shù)為f=0.5的材質(zhì)用作傳送帶。

若想讓包裹在傳送帶上無(wú)滑動(dòng)，則需要滿足條件加速度a＜g.f。其中g(shù)為重力加速度，取9.8N/kg，故計(jì)算可得加速度a需滿足條件a＜4.9m/s2。在本設(shè)計(jì)中，去a=4m/s2。

2）三級(jí)傳送帶速度

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和測(cè)試，設(shè)定環(huán)形圈運(yùn)行速度vd=2.5m/s。

在上包臺(tái)系統(tǒng)的研究中，為了便于計(jì)算，一般會(huì)將上包臺(tái)與輸送裝置成β=45°或30°等。在本上包臺(tái)系統(tǒng)中，選擇β=45°。因此，可得到v3=vd/cos45°≈3.54mm。同時(shí)，為了降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)量的難度，故選擇v1=v2=v3/2=1.77m/s。

根據(jù)本問(wèn)上包臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)安裝調(diào)試，可實(shí)現(xiàn)對(duì)包裹的正常上包，具有很高的上包效率、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

在自動(dòng)分揀機(jī)系統(tǒng)中，上包臺(tái)系統(tǒng)直接影響到整個(gè)包裹分揀系統(tǒng)的性能和效率。因此，為滿足快速發(fā)展的中通快遞物流分揀的需求，本文提出對(duì)交叉帶式分揀機(jī)系統(tǒng)的上包臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。本上包臺(tái)系統(tǒng)采用三級(jí)傳送帶結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)上包控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、物流參數(shù)確定及調(diào)試可知，本上包臺(tái)系統(tǒng)的上包效率高，準(zhǔn)確性高、穩(wěn)定性好，對(duì)節(jié)省勞動(dòng)力、提高效率、減少錯(cuò)誤率和降低成本等方面都有十分積極的意義。

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The research on induction control system of logistics cross-belt sorter

SHI Jian-ping, DI Yi-juan, CAI Ji-he

TP273

A

1009-0134(2017)04-0114-03

2016-12-20

江蘇省科技計(jì)劃項(xiàng)目（BY2016031-06）；常州工學(xué)院自然基金項(xiàng)目（YN1401）；江蘇高校文化創(chuàng)意協(xié)同創(chuàng)新中心研究項(xiàng)目（XYN1514）

史建平（1965 -），男，江蘇吳江人，副教授，本科，研究方向?yàn)殡姎夤こ毯椭悄芸刂萍夹g(shù)。