一種優(yōu)化的分揀機包件位置修正系統(tǒng)設(shè)計

詹 克 旭

(中國郵政集團公司上海研究院 上海 200062)(博世華域轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司 上海 201821)

0 引 言

隨著我國電商業(yè)的飛速發(fā)展，公眾對速遞物流類業(yè)務(wù)的需求不斷增加，速遞物流類業(yè)務(wù)已經(jīng)成為百姓關(guān)注的主要業(yè)務(wù)之一。近些年，DHL、Fedex、UPS等跨國速遞公司進入我國市場，國內(nèi)的順豐、申通、圓通、中通和韻達等一些民營快遞公司也蓬勃發(fā)展起來了，使整個物流業(yè)競爭更加激烈。在整個中國市場，速遞物流的發(fā)展速度和發(fā)展前景是可以預(yù)見的。同時，消費者對速遞物流的時限要求也越來越高，這一要求也促進了物流行業(yè)的發(fā)展。為了滿足公眾服務(wù)的需求，高速自動分揀技術(shù)應(yīng)運而生，并且仍然在不斷提高。高速自動分揀對縮短時限能起到關(guān)鍵作用[1-3]，其技術(shù)成分已經(jīng)成為整個速遞傳遞過程的核心環(huán)節(jié)。

自動包件分揀機是集光、機、電和信息技術(shù)于一體的系統(tǒng)設(shè)備，整個自動包件分揀系統(tǒng)內(nèi)部糅合了同步、上包、信息處理、識別及入格等關(guān)鍵技術(shù)。自動包件分揀機作為多項高新技術(shù)集成的產(chǎn)物，整個系統(tǒng)的分揀效率、差錯率和可靠性等關(guān)鍵技術(shù)指標都將受到每一項技術(shù)成熟與否的影響[4]。

1 總體功能與構(gòu)成

包件分揀機主要由主控系統(tǒng)、供件臺系統(tǒng)、小車控制系統(tǒng)、掃描儀系統(tǒng)、格口液晶顯示系統(tǒng)組成。各子系統(tǒng)之間通過紅外收發(fā)器、現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)聯(lián)系起來。包件分揀系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 包件分揀機的總體結(jié)構(gòu)

包件分揀機主控系統(tǒng)的總體功能：將小包郵件由供件臺準確地上到小車上；小車在環(huán)型圈行駛，經(jīng)過掃描儀后，掃描儀識別包件上的條形碼信息，根據(jù)主控系統(tǒng)的開拆信息分配小車控制系統(tǒng)需要落包的格口；小車控制系統(tǒng)把包件運送至目的格口，小車皮帶轉(zhuǎn)動使包件落入格口；格口液晶系統(tǒng)顯示格口包件數(shù)，并可以對格口進行鎖格等操作，告知主控系統(tǒng)停止對該格口落包[5-6]。

1.1 主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)主要由主控制機、數(shù)據(jù)交換機、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成。其中：主控制機用于控制整個包件分揀機，相當于中心大腦；數(shù)據(jù)交換機的作用是用來獲取開拆信息，開拆信息包含了分揀機需要對包件進行分揀的信息，包括寄達局、條形碼等信息；數(shù)據(jù)服務(wù)器是用來存儲已被分揀的包件信息和來自數(shù)據(jù)交換機的信息等。

1.2 供件臺系統(tǒng)

供件臺系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。靠近供件終端機的皮帶段定義為第一段供件臺，靠近分揀環(huán)線的皮帶段定義為第四段供件臺。

圖2 供件臺系統(tǒng)

第一段供包臺勻速供包，負責(zé)將包件在第二段供件臺空閑的時候遞送到第二段供件臺；第二段供件臺完成稱重，底面積測量；第三段供件臺為同步段，負責(zé)將包件調(diào)整到合適的速度，供到第四段供件臺；第四段供件臺，負責(zé)將包件送到分揀環(huán)線上。

1.3 小車控制系統(tǒng)

小車控制系統(tǒng)主要由軌道通信板和小車板組成，其中小車板由紅外收發(fā)器和驅(qū)動電機組成，用于獲取信息和進行上件和落格操作。軌道板和小車板通過紅外通信來獲取格口信息、主環(huán)信息等。小車在直線電機的作用下，在環(huán)型軌道上運行，到了供件臺后小車控制系統(tǒng)驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動接包，到達指定格口后小車皮帶轉(zhuǎn)動把包件落入格口。

1.4 掃描儀系統(tǒng)

掃描儀系統(tǒng)用于獲取包件上的二維碼，閱讀二維碼后將會被送到主控機進行處理，最終將分配一個目的地格口。

1.5 格口液晶顯示系統(tǒng)

格口液晶顯示系統(tǒng)由格口和格口液晶控制器組成，如圖3所示。格口是用于存放指定目的地的包件。格口液晶控制器可以顯示格口信息，其中包括包件數(shù)量、格口滿格和目的地等。同時可以通過格口按鍵對格口進行操作，進行打印、鎖格等操作。

圖3 格口液晶顯示系統(tǒng)

2 包件位置修正系統(tǒng)的設(shè)計

減少分揀差錯是包件分揀機的一個重要指標，為了發(fā)揮包件分揀機的重大作用，使系統(tǒng)作業(yè)人員不需要直接參與，基本實現(xiàn)無人化，減輕勞動強度、減少人力成本、提高分揀效率，就必須有效地減少錯誤率。

包件分揀機存在分揀差錯的主要原因是包件上件可能不是很準確，這樣在落格時就可能存在提前落格或飄格等情況。對于包件分揀機系統(tǒng)來說，由于優(yōu)化了供件臺供件算法并采取了其他一些措施，上包狀態(tài)已經(jīng)實現(xiàn)最優(yōu)了。但是由于主環(huán)處于高速運行，并且有些包件形狀不太規(guī)則等諸多情況，這樣就難免會出現(xiàn)包件被傳送到小車上位置不是很精確。

為了避免出現(xiàn)上件不準造成錯格的情況，采用在掃描儀處增加智能相機的方式，設(shè)計了一種包件位置修正系統(tǒng)。其工作原理是：包件上到小車上，在經(jīng)過掃描儀以后，通過智能相機識別出包件在小車上的具體位置，并通過紅外通信的方式告知小車，進而在小車運行到指定格口后執(zhí)行提前或延后落格動作，避免出現(xiàn)飄格或提前落格的分揀差錯。系統(tǒng)主要由智能相機、軌道板、小車板三部分組成。具體包件修正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 包件修正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 智能相機系統(tǒng)設(shè)計

小車經(jīng)過智能相機后，觸發(fā)智能相機開始采集圖像，對小車托盤進行拍照。包件在小車托盤上定義了四個邊界，以確定包件的具體位置，為小車進行提前或延遲落格提供依據(jù)。

包件在小車上位置示意如圖5所示。T、B、L、R為包件與小車托盤的位置關(guān)系，T、B、L、R為正數(shù)表示包件的這四個邊界在托盤內(nèi)，T、B、L、R為負數(shù)表示包件的這四個邊界在托盤外。圖5中包件左邊界在小車托盤左邊界外，包件其余三個邊界都在小車托盤邊界以內(nèi)。

圖5 包件位置示意圖

智能相機定位包件的具體位置后，需要將定位信息通過串口發(fā)送給軌道板。智能相機與軌道板之間信息交互采用Modbus通信協(xié)議的RTU方式，具體的實現(xiàn)是通過RS422總線來連接。

Modbus協(xié)議作為一種通用語言應(yīng)用于電子控制器上，它已經(jīng)成為一種通用工業(yè)標準?？刂破鹘?jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備之間、控制器相互之間可以通過此協(xié)議通信。正因如此，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以進行集中監(jiān)控，具體通過Modbus協(xié)議連成的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)[7-10]。

當Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)幀到達終端設(shè)備時，它進入被尋址到的設(shè)備可以經(jīng)由一個簡單的“端口”實現(xiàn)。該設(shè)備首先要去掉數(shù)據(jù)幀的“信封”(數(shù)據(jù)頭)，然后讀取有效數(shù)據(jù)，如果確認數(shù)據(jù)沒有錯誤，該數(shù)據(jù)所請求的任務(wù)將被執(zhí)行。

數(shù)據(jù)幀格式：地址(Address)、命令(Function)、數(shù)據(jù)(Data)和校驗碼(Check)。

其中包件定位信息放在請求數(shù)據(jù)(Data)中，通過智能相機識別處理后，按協(xié)定的通信協(xié)議發(fā)送給軌道板。通信協(xié)議規(guī)定包件在小車托盤上應(yīng)該進行橫向偏移和縱向偏移。橫向偏移可以使小車托盤提前或延遲執(zhí)行落格動作；縱向偏移可以使小車托盤在落格前提前進行包件位置調(diào)整，將包件調(diào)整到小車托盤縱向中心位置。

包件位置信息固定為3個字節(jié)，其中第1個字節(jié)的高低字節(jié)分別表示包件位置的橫向偏移和縱向偏移情況。0代表沒有偏移或沒有包裹，1代表正向偏移，2代表負向偏移。第2個字節(jié)代表本小車托盤上包裹橫向偏移量(單位：mm)。第3個字節(jié)代表本小車托盤上包裹縱向偏移量(單位：mm)。如：0x64即100mm。

2.2 小車控制系統(tǒng)設(shè)計

由于小車控制系統(tǒng)與軌道為非接觸式工作方式，在軌道板和小車板上都安裝有紅外通信模塊，數(shù)據(jù)通信方式采用紅外無線通信技術(shù)。

紅外傳輸距離在幾厘米到幾十米，使用時只能以半雙工方式進行通信，因不同器件不同應(yīng)用設(shè)計，接收靈敏度與發(fā)射強度強弱不一。紅外線傳輸?shù)姆N類目前主要有以下三種，它們都屬于 IrDA 的物理層：

(1) 默認傳輸模式 IrDA-SIR(Serial Infrared，串行紅外協(xié)議)；

(2) 快速 IrDA-FIR (Fast Infrared，快速紅外協(xié)議)；

(3) 超高速 IrDA-VFIR(Very Fast Infrared，超高速紅外協(xié)議)。

基于包件分揀機的應(yīng)用特性，本系統(tǒng)采用默認傳輸模式IrDA-SIR。IrDA-SIR，即IrDA1.0 協(xié)議，是最早的也是最基本的傳輸模式。它基于UART，簡稱SIR，提供短程的紅外異步串行傳輸，采用3/16ENDEC編/解碼機制，使用一個啟動位、8個數(shù)據(jù)位和一個停止位。SIR 的最高通信速率采用電腦串行端口的最高速率115 200 bit/s，其主要原因是由于受到UART 通信速率的限制。它也可以調(diào)整速度以匹配速度較低的設(shè)備。該標準的主要優(yōu)點在于可使用已有的串行硬件而無需增加其他成本，且錯誤率低[11-13]，對照明或陽光的抗干擾能力很強。

采用紅外無線通信后，當小車通過軌道板時，通過小車上的紅外與軌道上的紅外板進行無線通信。軌道板通過RS422總線得到智能相機傳遞過來的包件位置數(shù)據(jù)后，經(jīng)過內(nèi)部處理將包件位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為小車能夠識別的紅外通信格式。最終將數(shù)據(jù)通過紅外發(fā)模塊發(fā)送給小車，小車接收到包件位置信息后，通過驅(qū)動電機，實現(xiàn)對包件的位置修正處理。具體電機調(diào)整，需要經(jīng)過精確的計算，如需考慮到齒輪的傳動比等多方面情況。小車板落格原理如圖6所示。

圖6 小車板落格原理

為了確保包件可以正常入格，對于縱向偏移來說，如果包件沒有縱向偏移量，則小車無需動作；如果有偏移量，小車需要馬上進行調(diào)整，以確保包件在到達格口之前，包件已經(jīng)被調(diào)整到小車的中心位置，保證落格的準確性。對于橫向偏移來說，如果包件沒有橫向偏移量，則小車無需動作；如果有偏移量，小車在獲取到格口信息后，會預(yù)留一段落格的調(diào)整距離，在到達指定格口前提前或延后驅(qū)動電機進行落格動作。當橫向偏移為主環(huán)運行方向靠近小車托盤前面的時候，小車進行提前落格動作；當橫向偏移為主環(huán)運行方向靠近小車托盤后面的時候，小車進行延后落格動作。

3 驗 證

原有包件分揀機已經(jīng)應(yīng)用到實際的工作生產(chǎn)中，如圖7所示。但是由于會出現(xiàn)提前落格和飄格問題，包件會被分揀到目標格口的隔壁幾個格口。這樣一來，系統(tǒng)的錯包率高的問題就比較的突出，同時給操作工人帶來了無謂的工作量，不滿足用戶對包件分揀機性能指標的要求。

圖7 分揀機現(xiàn)場照片

本設(shè)計是在原有包件分揀機的基礎(chǔ)上提出來的。經(jīng)過現(xiàn)場多天實際分揀的應(yīng)用檢驗，系統(tǒng)的錯包率由原來的0.1%降低至0.01%，達到了用戶對分揀機性能指標的要求。同時，通過走訪現(xiàn)場一線分揀員工，反饋系統(tǒng)性能得到了提升，真正實現(xiàn)了自動化分揀，獲得一致好評。

4 結(jié) 語

為了滿足快速發(fā)展的物流行業(yè)對分揀系統(tǒng)效率和性能不斷提升的需求，本文提出一種優(yōu)化的分揀機包件位置修正系統(tǒng)設(shè)計。在自動包件分揀機系統(tǒng)中，影響包件分揀系統(tǒng)的效率和性能的重要因素之一是包件是否能夠正確的落格。因此，本系統(tǒng)通過智能相機定位包件在小車上的具體位置，使小車從一個“盲人”狀態(tài)變得可以“看清世界”了。通過紅外通信技術(shù)將信息傳遞給主環(huán)運行的小車，使原本因為包件在小車上的位置不是很好而造成包件錯格的情況大大降低。

通過對系統(tǒng)的改進和優(yōu)化，有效降低分揀誤差，提高了系統(tǒng)整體的運行效率和可靠性。系統(tǒng)已經(jīng)被應(yīng)用到了某些省市的物流分揀中心，得到了諸多客戶滿意的反饋結(jié)果。加入了包件位置修正的自動分揀機系統(tǒng)，基本實現(xiàn)無人化，減輕勞動強度，減少人力成本。隨著物流行業(yè)的快速發(fā)展，系統(tǒng)可被廣泛應(yīng)用到自動分揀領(lǐng)域。