托盤式分揀小車及其分揀系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

文/丁澤新 王志明 李京欣 徐德榮

一、概述

托盤式分揀系統(tǒng)主要應(yīng)用于醫(yī)藥耗材、服裝、郵件、書籍等中小件物品的自動(dòng)分揀。托盤式分揀系統(tǒng)通常由分揀小車、機(jī)架、驅(qū)動(dòng)裝置、落包機(jī)構(gòu)、存放部、復(fù)位裝置等部分組成（如圖1所示）。分揀小車用于承載及運(yùn)輸包裹；機(jī)架用于安裝和承載分揀系統(tǒng)其它部件；驅(qū)動(dòng)裝置由主動(dòng)輪機(jī)構(gòu)和從動(dòng)輪機(jī)構(gòu)及同步帶組成，位于機(jī)架內(nèi)側(cè)，提供分揀小車循環(huán)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力；落包機(jī)構(gòu)可根據(jù)控制信號(hào)將對(duì)應(yīng)包裹釋放至指定的存放部?jī)?nèi)；存放部則可存放一定數(shù)量的包裹；復(fù)位裝置用于將小車托盤置于開始位置。

目前，國(guó)內(nèi)托盤式包裹分揀系統(tǒng)多采用單托盤單斜盤結(jié)構(gòu)（如圖2所示），效率低且落包距離大，易造成包裹及郵寄物品的破損；而雙斜盤結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)一直被國(guó)外壟斷（如圖3所示），其兩個(gè)斜盤A和B通過(guò)一聯(lián)動(dòng)桿實(shí)現(xiàn)同步打開與關(guān)閉。本文突破了國(guó)外對(duì)托盤式分揀系統(tǒng)雙斜盤技術(shù)的壟斷，自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)了十字交叉軌道聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了分揀小車雙斜盤結(jié)構(gòu)的運(yùn)用。同時(shí)為了提高設(shè)備工作效率，采用單車雙托盤結(jié)構(gòu)，使分揀系統(tǒng)的工作效率提高了近一倍。

分揀小車、落包機(jī)構(gòu)、復(fù)位裝置是本文的研究重點(diǎn)，將詳細(xì)進(jìn)行論述，托盤式小車分揀系統(tǒng)其它組成部分在本文不一一贅述。

二、分揀小車的研究與設(shè)計(jì)

分揀小車主要由內(nèi)側(cè)支架、外側(cè)支架、托盤1、托盤2、內(nèi)側(cè)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)、外側(cè)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)、內(nèi)側(cè)鎖止機(jī)構(gòu)、外側(cè)鎖止機(jī)構(gòu)組成，托盤1和托盤2分別由兩個(gè)斜盤組成（如圖4所示）。托盤式小車分揀系統(tǒng)采用一車雙托盤結(jié)構(gòu)，能夠極大地提高設(shè)備分揀效率，充分利用空間；同一托盤由兩個(gè)同步開合的斜盤組成，能夠顯著降低落包高差，避免包裹受損，降低設(shè)備工作噪聲。

內(nèi)、外側(cè)支架支撐起分揀小車的其他部件，內(nèi)側(cè)支架上安裝有行走輪和水平輪，水平輪與導(dǎo)軌的兩側(cè)緣相接觸，主要起導(dǎo)向作用；外側(cè)支架上僅安裝有行走輪。同一托盤由兩個(gè)斜盤組成，內(nèi)側(cè)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠保證托盤1的斜盤A和斜盤B同步開合，外側(cè)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠保證托盤2的斜盤C和斜盤D同步開合；在無(wú)觸發(fā)信號(hào)的情況下，內(nèi)側(cè)鎖止機(jī)構(gòu)的作用是保持托盤1當(dāng)前的狀態(tài)不變，外側(cè)鎖止機(jī)構(gòu)的作用是保持托盤2當(dāng)前的狀態(tài)不變。由于分揀小車上的兩個(gè)托盤及其聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)、鎖止機(jī)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，工作原理相同，因此闡述時(shí)以托盤1為例進(jìn)行說(shuō)明，不一一贅述。

1.分揀小車托盤技術(shù)方案

托盤1由斜盤A和斜盤B組成，斜盤A和斜盤B為對(duì)稱件。斜盤主要由托盤罩、斜盤盤體、塑料軸套組成（如圖5所示）。斜盤盤體通過(guò)螺釘緊固在托盤罩上，托盤罩內(nèi)孔安裝塑料軸承，然后與轉(zhuǎn)軸配合。這種分體式結(jié)構(gòu)，有利于保證托盤罩內(nèi)孔的同軸度，從而保證斜盤轉(zhuǎn)動(dòng)靈活并減少塑料軸承的磨損。斜盤盤體底面相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中心為偏心布置（偏心距為L(zhǎng)），可以滿足在斜盤開到某一角度時(shí)，兩個(gè)斜盤的開度較大；同時(shí)斜盤盤體末端直插入托盤罩上的狹縫內(nèi)，且盤體前端有一翻邊，這種結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕且斜盤盤體剛度高。

2.分揀小車聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)技術(shù)方案

聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由豎直導(dǎo)軌、豎直滑塊（2個(gè)）、水平導(dǎo)軌、水平滑塊（2個(gè)）、液壓緩沖器、復(fù)位輪、固定板（2個(gè)）組成（如圖6、圖7所示）。聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)巧妙運(yùn)用運(yùn)動(dòng)分解的思想，將斜盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分解為豎直及水平方向上的運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)同一根水平導(dǎo)軌相連，從而實(shí)現(xiàn)同一托盤兩個(gè)斜盤的同步開與合。豎直導(dǎo)軌固定在支架上，豎直滑塊固定在水平導(dǎo)軌上并沿豎直導(dǎo)軌上下自由滑動(dòng)，水平滑塊通過(guò)移動(dòng)副與水平導(dǎo)軌相連，可沿水平導(dǎo)軌自由滑動(dòng)，水平滑塊和斜盤形成鉸接配合，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)斜盤的同步開與合。液壓緩沖器在斜盤運(yùn)動(dòng)到低點(diǎn)時(shí)，進(jìn)一步降低托盤打開時(shí)產(chǎn)生的噪聲。

圖1：托盤式分揀系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

圖2：?jiǎn)涡北P結(jié)構(gòu)示意圖

圖3：雙斜盤結(jié)構(gòu)示意

圖4：分揀小車結(jié)構(gòu)示意圖

圖5：斜盤結(jié)構(gòu)示意圖

3.分揀小車鎖止機(jī)構(gòu)技術(shù)方案

鎖止機(jī)構(gòu)主要由擺桿、扭簧、限位桿、拉簧組成（如圖8所示）。擺桿通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副與支架相連，扭簧穿聯(lián)在擺桿軸上，使擺桿始終有逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)；限位桿同樣通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副與支架相連，拉簧一端與限位桿相連，另一端與支架上的固定點(diǎn)相連，使限位桿始終有順時(shí)針運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。落包前、復(fù)位后，限位桿被固定在水平軌道上的過(guò)渡板頂起，擺桿在扭簧作用下，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至過(guò)渡板下方，將聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)鎖閉（如圖9所示）。擺桿旋轉(zhuǎn)至指定位置時(shí)，擺桿上的限位銷與支架上的限位板接觸，此時(shí)擺桿停止轉(zhuǎn)動(dòng)。落包時(shí)，擺桿在落包機(jī)構(gòu)的作用下順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度，使過(guò)渡板脫離擺桿的束縛，從而釋放聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，斜盤在自重作用下幾乎瞬時(shí)打開，將包裹落在指定的存放部?jī)?nèi)；與此同時(shí)，限位桿在拉簧的作用下，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，直至將擺桿鎖定在預(yù)定位置，避免擺桿在扭簧作用下回到初始位置，造成斜盤夾包，同時(shí)影響后續(xù)斜盤的復(fù)位。

三、分揀系統(tǒng)落包機(jī)構(gòu)技術(shù)方案

落包機(jī)構(gòu)可根據(jù)控制信號(hào)將包裹落入指定的存放部?jī)?nèi)，保證包裹與格口信息一致。其主要由落包滾輪、氣缸、氣缸支架組成（如圖10、圖11所示，圖中箭頭方向?yàn)樾≤囘\(yùn)動(dòng)方向）。氣缸支架固定在機(jī)架上，氣缸豎直固定在氣缸支架上，落包滾輪通過(guò)螺紋連接與氣缸相連。當(dāng)包裹到達(dá)指定存放部時(shí)，氣缸活塞桿縮回，落包滾輪將分揀小車的擺桿推開一定角度，釋放聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)而釋放斜盤，包裹在重力作用下落入指定存放部。本設(shè)計(jì)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是落包時(shí)，落包滾輪和擺桿之間為滾動(dòng)摩擦，且落包滾輪為尼龍材質(zhì)，工作噪聲??；二是氣缸活塞桿最小行程時(shí)與擺桿接觸，氣缸活塞桿懸臂小，活塞支點(diǎn)間距最大，此時(shí)氣缸受力最佳。

四、分揀系統(tǒng)復(fù)位裝置技術(shù)方案

復(fù)位裝置用于將小車托盤置于開始位置。復(fù)位裝置主要由復(fù)位軌道、復(fù)位輪等組成。復(fù)位軌道由軌道及固定板組成（如圖12所示，圖中箭頭方向?yàn)樾≤囘\(yùn)動(dòng)方向）。軌道工作面采用兩直線三圓弧的設(shè)計(jì)方法，軌道L1為非常平緩的直線段，主要為了減小分揀小車剛接觸復(fù)位軌道時(shí)的瞬時(shí)沖擊力；圓弧R1、R2則逐漸提高分揀小車的爬坡角度，這樣有利于縮短復(fù)位軌道的長(zhǎng)度，減少不必要的空間浪費(fèi)；L2直線段為水平直線段，其目的是為了高速運(yùn)行時(shí)給擺桿回位提供足夠的時(shí)間；圓弧R3為下降圓弧，其目的是讓分揀小車斜盤平緩地從高點(diǎn)回到水平位置。軌道工作面雖然是組合曲線，但其直接編程切割即可滿足設(shè)計(jì)要求，加工非常方便。軌道焊接在固定板上，固定板與機(jī)架相連，安裝簡(jiǎn)單。

復(fù)位裝置工作過(guò)程如圖13所示，（圖中箭頭方向?yàn)樾≤囘\(yùn)動(dòng)方向），其中A位置為分揀小車剛接觸復(fù)位軌道時(shí)的姿態(tài)，B、C位置為分揀小車復(fù)位過(guò)程中的姿態(tài)，D位置為復(fù)位完成時(shí)的姿態(tài)。分揀小車到達(dá)復(fù)位軌道時(shí)，聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)上的復(fù)位輪與軌道工作面接觸，隨著分揀小車的前移，復(fù)位輪被緩慢抬高，復(fù)位輪固定在水平軌道上，因此聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)隨之被抬起。在聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，與之相連的兩個(gè)斜盤被同時(shí)抬起，當(dāng)?shù)竭_(dá)軌道最高點(diǎn)時(shí)，鎖止機(jī)構(gòu)的限位桿將擺桿釋放，擺桿在扭簧作用下旋轉(zhuǎn)一定角度，將聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)鎖閉，復(fù)位過(guò)程完成。

圖6：聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

圖7：聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)物圖

圖8：鎖止機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

圖9：鎖止機(jī)構(gòu)復(fù)位后位置關(guān)系圖

圖10：落包機(jī)構(gòu)示意圖

圖11：落包機(jī)構(gòu)實(shí)物圖

五、分揀系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

托盤式包裹自動(dòng)分揀系統(tǒng)的主要處理對(duì)象為：最長(zhǎng)邊≤350mm、重量≤5kg的中小件，且尤其適合軟包及不規(guī)則外形包裹的分揀。此創(chuàng)新成果已在深圳國(guó)際郵件分撥中心項(xiàng)目、廈門郵政速遞項(xiàng)目中投入使用，兩個(gè)項(xiàng)目的主線運(yùn)行速度分別為0.83m/s、 1m/s，供件方式均為人工直接擺件，分揀效率可高達(dá)14000件/h。

圖12：復(fù)位軌道結(jié)構(gòu)示意圖

圖13：復(fù)位裝置工作過(guò)程示意圖

圖14：分揀小車實(shí)物圖

圖15：深圳國(guó)際郵件分撥中心項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)

六、總結(jié)

本文提供了一種新的托盤式分揀小車及其分揀系統(tǒng)，分揀系統(tǒng)為單車雙托盤結(jié)構(gòu)，設(shè)備工作效率高；同一托盤由兩個(gè)斜盤組成，能夠顯著降低落包高差，避免包裹受損；同時(shí)該系統(tǒng)工作噪聲低，制造加工成本低。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：

1.發(fā)明了一種新的托盤式分揀小車及其分揀系統(tǒng)，尤其是分揀小車、落包機(jī)構(gòu)和復(fù)位軌道研究設(shè)計(jì)；

2.運(yùn)用運(yùn)動(dòng)分解原理，自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)了十字交叉軌道結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了同一托盤兩個(gè)斜盤的同步開合功能，打破了國(guó)外同一托盤雙斜盤技術(shù)的壟斷，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白；

3.鎖止機(jī)構(gòu)由擺桿、限位桿、扭簧及拉簧組成，安裝空間小，且機(jī)構(gòu)可靠性高；

4.落包機(jī)構(gòu)在氣缸最小行程時(shí)工作，且落包滾輪和擺桿之間為滾動(dòng)摩擦，氣缸受力較好，有效延長(zhǎng)了氣缸的使用壽命，降低了設(shè)備的工作噪聲；

5.復(fù)位軌道采用兩直線三圓弧的曲線設(shè)計(jì)方法，分揀小車整個(gè)復(fù)位過(guò)程非常平穩(wěn)，且復(fù)位軌道加工方便，直接編程切割即可。

隨著電商帶動(dòng)物流行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，可以預(yù)見，雙托盤雙斜盤式包裹自動(dòng)分揀系統(tǒng)將有著廣闊的市場(chǎng)前景。