自動(dòng)分揀機(jī)械設(shè)備軟硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)探究★

徐留明

（鐘山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210049）

引言

傳統(tǒng)的手工分揀模式不僅效率低，而且誤差率居高不下，造成了大量的資源浪費(fèi)。為了有效解決這一問(wèn)題，相關(guān)工作人員嘗試?yán)米詣?dòng)化分揀系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工分揀工作模式，實(shí)現(xiàn)貨物分揀的自動(dòng)化升級(jí)，達(dá)到提升貨物分揀效率以及分揀準(zhǔn)確率的目的。

1 自動(dòng)分揀設(shè)備硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 自動(dòng)分揀裝置結(jié)構(gòu)

自動(dòng)分揀裝置主要由環(huán)形皮帶機(jī)、分揀小車、前端掃描模塊、外部動(dòng)力模塊以及分揀口識(shí)別模塊等組成。環(huán)形皮帶機(jī)的主要作用是運(yùn)送分揀小車，其內(nèi)部構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，主要由變頻調(diào)速裝置以及電機(jī)等組成；分揀小車是自動(dòng)分揀設(shè)備的核心部件，小車底部安裝軟橡膠，增大小車與環(huán)形皮帶機(jī)之間的摩擦力，避免在慣性的作用下，小車的位置發(fā)生位移，造成撞車、翻車等問(wèn)題[1]。此外，分揀小車內(nèi)安裝有回位彈簧以及分揀車門，隨著小車的移動(dòng)，其內(nèi)部安裝的撥桿與推出氣缸碰觸，通過(guò)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)打開小車的分揀車門，當(dāng)小車離開，推出氣缸與撥桿分離，利用回位彈簧將小車車門關(guān)閉；前端掃描模塊。主要由感光元件以及工業(yè)相機(jī)組成，當(dāng)檢測(cè)裝置掃描到有物體靠近，自動(dòng)輸出控制信號(hào)；分揀口識(shí)別模塊中自動(dòng)分揀裝置的每一個(gè)分揀口都配有該裝置，當(dāng)小車觸發(fā)了傳感器，該程序會(huì)自動(dòng)進(jìn)行邏輯判斷，確定是否推出撥桿。

1.2 電機(jī)裝置

本次設(shè)計(jì)中，擬定單個(gè)快遞物流的最大質(zhì)量不超過(guò)5 kg，分揀小車與圓形皮帶之間的摩擦力不大，無(wú)需特別設(shè)計(jì)，因此選擇成本較低的T2.0 mmPVC 皮帶。在選擇電機(jī)類型的時(shí)候，要將皮帶轉(zhuǎn)速控制在0.5～1.5 m/s 這一范圍內(nèi)，進(jìn)而得出下列公式：

式中：F 為分揀小車與PVC 皮帶的摩擦力；μ 為摩擦因數(shù)，取0.5；m總為分揀小車與快遞總質(zhì)量；g 為重力加速度，取9.8 m/s2；P 為電機(jī)設(shè)備的輸出功率；v 為PVC 皮帶的移動(dòng)速度。本次研究中，假定分揀小車分揀快遞物品的最大質(zhì)量為5 kg，且本次設(shè)計(jì)對(duì)于皮帶摩擦力沒(méi)有特殊要求，因此選擇T2.0 mm PVC 皮帶。自動(dòng)分揀小車與快遞物品總質(zhì)量不高于10 kg，且環(huán)形皮帶上共設(shè)計(jì)6 輛自動(dòng)分揀小車，工作人員將皮帶傳動(dòng)速度控制在0.5～1.5 m/s 之間，則電機(jī)最小功率為P=0.5×6×10×9.8×0.5=147 W，最大功率為P=0.5×6×10×9.8×1.5=441 W。得出電機(jī)最小與最大輸出功率之后，設(shè)計(jì)人員根據(jù)《YB2 電機(jī)減速機(jī)說(shuō)明書》選擇額定功率為0.75 kW 的YB2-801 型電機(jī)。

1.3 分揀小車

分揀小車作為自動(dòng)分揀設(shè)備的核心零件，其設(shè)計(jì)的合理性直接決定著自動(dòng)分揀設(shè)備工作效率。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅要確保貨物分揀動(dòng)作及時(shí)、順暢，還要保證分揀小車在運(yùn)行過(guò)程中始終處于平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)，如圖1 所示[2]。

圖1 分揀小車結(jié)構(gòu)

1.3.1 計(jì)算齒輪轉(zhuǎn)矩

當(dāng)分揀小車的撥桿與推出機(jī)構(gòu)觸碰，撥桿轉(zhuǎn)動(dòng)使得分揀小車打開分揀門，由于部分貨物體型較大，存在貨物卡在分揀門處的情況，因此需要對(duì)分揀小車安裝的齒輪轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于分揀門開啟動(dòng)作復(fù)位彈簧最大延伸量進(jìn)行約束[3]。本次設(shè)計(jì)中擬定貨物質(zhì)量不超過(guò)5 kg，因此分揀門所能受到的最大沖擊力為100 N，齒輪的轉(zhuǎn)速為15 r/min，而滾動(dòng)軸承的傳動(dòng)效率ηⅠ為0.985，圓錐齒輪滾動(dòng)效率ηⅡ?yàn)?.95，圓柱齒輪滾動(dòng)效率ηⅢ為0.96，根據(jù)公式：

式中：nⅠ為滾動(dòng)軸承傳動(dòng)轉(zhuǎn)速；nⅡ?yàn)閳A錐齒輪滾動(dòng)轉(zhuǎn)速；nⅢ為圓柱齒輪滾動(dòng)轉(zhuǎn)速；n柱為套筒轉(zhuǎn)速；i錐為傳動(dòng)比。

經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得出直齒圓柱齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩為TⅢ出=3.9 N/m，則，代入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，可以得出PⅢ出=0.006 2 kW。

本次設(shè)計(jì)中采用的齒輪是標(biāo)準(zhǔn)直齒錐齒傳動(dòng)，齒輪的精度達(dá)到了Ⅶ級(jí)，壓力角度為20°，為了確保齒輪工作的穩(wěn)定性，選擇40Cr 的齒輪，其表面硬度（HBS）為280，小齒輪齒數(shù)為z1=21、z2=21，u=1，根據(jù)小齒輪分度圓直徑公式：

接觸疲勞應(yīng)力計(jì)算公式：

式中：d1t為小齒輪分度圓直徑；KHt為載荷系數(shù)；σH為基礎(chǔ)疲勞應(yīng)力數(shù)值；T1為標(biāo)準(zhǔn)直齒錐齒傳動(dòng)單位時(shí)間；φ 為齒寬系數(shù)；R 為半徑；ZH、ZE分別為齒輪表面精度及齒輪齒數(shù)；σHlim為基礎(chǔ)疲勞應(yīng)力極限值；s 為應(yīng)力單位面積。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值參照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)》對(duì)應(yīng)參數(shù)表。

依照齒輪接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)原則，得到如下數(shù)據(jù)：z1=82，Z2=44，m=0.6，壓力角α=20°?；诖?，分揀小車的小齒輪選擇40Cr 材質(zhì)，大齒輪選擇45 鋼材質(zhì)，大小齒輪均按照Ⅶ級(jí)精度設(shè)計(jì)。

1.3.2 有限元分析

實(shí)際工作中，分揀小車與外部氣缸之間的動(dòng)作為相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此二者在接觸過(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生沖擊。針對(duì)這一情況需要建立有限元模型，分析沖擊力對(duì)于分揀小車以及外部氣缸所造成的影響。本次設(shè)計(jì)中運(yùn)用ANAYS 軟件對(duì)沖擊行為進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，在利用軟件建立三維模型之后，將推桿的材料設(shè)定為45 鋼，撥桿材料為不銹鋼，將網(wǎng)格總數(shù)設(shè)定為85 556，并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改，結(jié)束時(shí)間調(diào)整為0.15 s，并對(duì)氣缸進(jìn)行限速設(shè)計(jì)[4]。將分揀小車的速度限定為1 m/s，然后在solution 中輸入等效應(yīng)力以及等效應(yīng)變，分析得到等效應(yīng)變?cè)茍D以及等效應(yīng)力云圖，由此得到了分揀小車有限元數(shù)據(jù)，分揀小車與外部氣缸沖擊時(shí)的等效應(yīng)變?yōu)?.32，等效應(yīng)力為74.202 MPa，此時(shí)推桿的屈服強(qiáng)度數(shù)值為356 MPa，撥桿的屈服強(qiáng)度為206 MPa，實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)小于真實(shí)環(huán)境中分揀小車撥桿以及氣缸推桿的屈服強(qiáng)度，因此本次設(shè)計(jì)中分揀小車的強(qiáng)度符合安全標(biāo)準(zhǔn)。

2 自動(dòng)分揀設(shè)備軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 編寫PLC 程序

在正式開始編寫PLC 程序之前，相關(guān)設(shè)計(jì)人員要明確分揀控制系統(tǒng)功能要求，每個(gè)分揀口安裝的光電感應(yīng)裝置被觸發(fā)之后，都要準(zhǔn)確判斷該裝置被觸發(fā)的次數(shù)，電磁閥裝置通電1 s，氣缸活塞的推桿就推出1 s，1 s 鐘之后電磁閥裝置斷電，氣缸活塞的推桿恢復(fù)原位。

分揀裝置通電之后要保證從D1 口至D7 口，安裝的數(shù)據(jù)寄存器處于復(fù)位狀態(tài)。每當(dāng)有貨物經(jīng)過(guò)光電感應(yīng)裝置，數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)值加1，此時(shí)光電開關(guān)處于啟動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)串口所讀取的PLC 對(duì)應(yīng)寄存器數(shù)值若符合計(jì)數(shù)原理，要保持工作狀態(tài)[5]。電磁閥裝置通電帶動(dòng)推桿移動(dòng)，貨物經(jīng)過(guò)后斷電復(fù)位，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的PLC 程序I/O 地址分配如表1 所示。

表1 I/O 地址分配

2.2 PLC 通信

所謂的PLC 通信，實(shí)際上是指PLC 與PC 之間，以及PLC 與PLC 之間進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸，這種對(duì)于PLC 系統(tǒng)的規(guī)?；O(jiān)控，通過(guò)對(duì)PLC 數(shù)據(jù)的讀取與改寫，實(shí)現(xiàn)對(duì)于自動(dòng)分揀系統(tǒng)的靈活控制。

目前，PLC 通信接口主要分為以太網(wǎng)、RS232、RS485 三種，本次設(shè)計(jì)中采用RS232 作為PLC 通信接口，使用轉(zhuǎn)換頭將PLC 通信接口與觸摸屏串口相連，運(yùn)用SerialPort 或者.NET 技術(shù)，基于相關(guān)通信協(xié)議，可以使用很短的代碼，實(shí)現(xiàn)通信功能。如果PLC通信內(nèi)容較多，需要對(duì)大量的系統(tǒng)代碼進(jìn)行轉(zhuǎn)換以及校驗(yàn)，則要使用MX Component 軟件，提升通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及校驗(yàn)效率。在本次設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員通過(guò)對(duì)PLC 梯形圖的分析發(fā)現(xiàn)。該系統(tǒng)中的PLC 通信端口，其作用僅在于控制M0 開關(guān)，因此選擇簡(jiǎn)單的通信模式。

2.3 分揀界面

在系統(tǒng)中的分揀UI 界面，主要由三部分構(gòu)成，分別為創(chuàng)建模板、自動(dòng)匹配、停止匹配。這其中創(chuàng)建模板界面，支持人工抓取快遞單中任何一個(gè)區(qū)域進(jìn)行建模，方便根據(jù)實(shí)際需求對(duì)模板進(jìn)行修改。自動(dòng)匹配界面即整個(gè)分揀系統(tǒng)的運(yùn)行，停止匹配界面代表整個(gè)程序終止。與其組合設(shè)計(jì)的是由工業(yè)相機(jī)所組成的識(shí)別界面，借助工業(yè)相機(jī)能夠?qū)爝f單號(hào)的二維碼以及條形碼進(jìn)行識(shí)別，快速得出貨物的收貨地址信息，并根據(jù)貨物的收貨地址信息將貨物投放到指定分揀門，完成貨物的分揀工作。

3 視覺方案設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)工業(yè)相機(jī)參數(shù)

為了提升自動(dòng)分揀系統(tǒng)的運(yùn)行效率，需要對(duì)該系統(tǒng)視覺方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保工業(yè)相機(jī)能夠快速捕捉并正確分析貨物數(shù)據(jù)。

與本設(shè)計(jì)中，環(huán)形運(yùn)輸裝置的運(yùn)行速度較快，因此設(shè)計(jì)人員將工業(yè)相機(jī)的初始曝光時(shí)間調(diào)整為150 ms，而在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)由于曝光時(shí)間設(shè)定過(guò)長(zhǎng)，使工業(yè)相機(jī)的拍照速度變慢，拍攝的相片存在拖影現(xiàn)象，圖像識(shí)別軟件無(wú)法對(duì)帶有拖影的圖像進(jìn)行有效的信息抓取。針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員重新調(diào)整工業(yè)相機(jī)曝光時(shí)間，將該數(shù)據(jù)調(diào)整為10 ms，同時(shí)將工業(yè)相機(jī)的光圈調(diào)至最大，提升圖像的清晰度[6]。

3.2 基于一維碼設(shè)計(jì)視覺方案

物流信息單上不僅包括用中文書寫的收貨地址，還配有一維碼以及三段碼，物流人員通過(guò)使用專業(yè)的掃碼槍提取一維碼信息，現(xiàn)將該貨物的一維碼信息實(shí)時(shí)傳送至物流管理系統(tǒng)中，方便買家與賣家實(shí)時(shí)追蹤物流信息。

而三段碼由三組數(shù)字構(gòu)成，中間使用破折號(hào)連接，其中第一段數(shù)字的含義是分撥中心的代碼，第二段數(shù)字代表的是小區(qū)營(yíng)業(yè)點(diǎn)代碼，第三段數(shù)字代表快遞員信息，由于很多貨物的收貨地址較為復(fù)雜，定位與識(shí)別難度較大，因此設(shè)計(jì)人員嘗試?yán)靡曈X系統(tǒng)對(duì)貨物的分揀地址進(jìn)行快速的識(shí)別，本次設(shè)計(jì)中涉及的貨物均屬于同一個(gè)分撥中心，因此第一段代碼數(shù)值相同。

3.3 圖像采集與預(yù)處理

自動(dòng)分揀系統(tǒng)中，工業(yè)照相機(jī)與光電傳感裝置相連，當(dāng)光電傳感裝置檢測(cè)到有貨物接近，工業(yè)相機(jī)會(huì)自動(dòng)拍攝圖像，利用相機(jī)內(nèi)部搭載的單片機(jī)，將原始的RGB 三通道圖像轉(zhuǎn)變?yōu)閱瓮ǖ阑叶葓D像，同時(shí)將該圖像顯示在HALCON 窗口中。

圖像采集完成之后，就要對(duì)得到的單通道灰度圖像進(jìn)行線性灰度轉(zhuǎn)變，通過(guò)這種方式提升圖像像素點(diǎn)的對(duì)比度。針對(duì)經(jīng)過(guò)線性灰度轉(zhuǎn)變的圖像使用mean_image 函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)事先設(shè)定好高度以及寬度數(shù)值的濾波器掩模，針對(duì)掩模設(shè)定一個(gè)元素點(diǎn)，將其作為錨點(diǎn)，以該錨點(diǎn)為中心確定矩陣的面積以及邊緣[7]。識(shí)別過(guò)程中，按照從左至右，從上到下的順序讓掩模在圖像上移動(dòng)，對(duì)掩模所覆蓋的像素進(jìn)行卷積，卷積的結(jié)果就是錨點(diǎn)所覆蓋的圖像的像素值，其中圖像的灰度值會(huì)在圖像的邊緣反應(yīng)。

如果一維碼識(shí)別成功，則圖像會(huì)出現(xiàn)在一維碼區(qū)域，利用HALCON 接口，可以對(duì)該區(qū)域內(nèi)的像素面積以及坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)DecodeDataStrings 進(jìn)行賦值，如果賦值后該數(shù)據(jù)不為空，則表示該二維碼已經(jīng)被成功識(shí)別，進(jìn)入下一個(gè)工序，如果賦值為空，則代表識(shí)別失敗。

3.4 定位

一維碼被成功識(shí)別之后，利用Area_center 函數(shù)，計(jì)算出條形碼像素面積以及中心點(diǎn)的坐標(biāo)。通過(guò)Orientation_region 函數(shù)，計(jì)算Phi 的數(shù)值，該數(shù)值代表識(shí)別區(qū)域的角度，利用Rio 模塊選取三段碼所在的圖像區(qū)域，并計(jì)算三段碼的面積以及中心點(diǎn)坐標(biāo)。計(jì)算完成之后，就可以對(duì)函數(shù)信息進(jìn)行仿射變換[8]。

1）單位矩陣。使用hom_mat2d_identity 生成單位矩陣。

2）平移矩陣。得到單位矩陣之后，運(yùn)用hom_mat2d_translate 函數(shù)，推導(dǎo)平移矩陣。其中，Tx為行偏移量；Ty為列偏移量。

在得到上述信息之后，開始對(duì)像素進(jìn)行仿射變換。HALCON 系統(tǒng)中存在兩種坐標(biāo)系，分別為像素坐標(biāo)系以及圖像坐標(biāo)系，前者的坐標(biāo)原點(diǎn)為圖像左上角的第一個(gè)像素點(diǎn)左上角，而后者在圖像左上角第一個(gè)像素點(diǎn)的中心，通過(guò)仿射變化，將標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像坐標(biāo)系。通過(guò)這種方式，令仿射反變換像素與仿射圖像的大小以及變換輪廓兼容，運(yùn)用affine_trans_pixel函數(shù)進(jìn)行仿射變換。

由此可以看出，通過(guò)確定一維碼的中心位置，快速定位三段碼中心，每一張快遞單票據(jù)上一維碼與三段碼的位置固定。因此在得到一維碼中心點(diǎn)坐標(biāo)的情況下，可以快速得到三段碼中心坐標(biāo)，對(duì)于之后掃描到的所有一維碼信息，可以將其看作是對(duì)原始圖像一維碼坐標(biāo)的橫向、縱向平移。再利用Rio 模塊，計(jì)算三段碼最小外接矩形邊長(zhǎng)數(shù)據(jù)，使用gen_rectangle2 函數(shù)，輸出矩形，并利用Col 以及Row 定位三段碼的中心坐標(biāo)，得出三段碼最小外接面積。

4 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)分揀設(shè)備的研發(fā)與普及，是推動(dòng)物流行業(yè)發(fā)展的重要推動(dòng)力，利用自動(dòng)分揀設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工分揀方式，能夠有效避免人工分揀過(guò)程中出現(xiàn)的誤差，同時(shí)還可以節(jié)省大量人力成本。因此，如何設(shè)計(jì)自動(dòng)分揀設(shè)備，就成為了物流行業(yè)從業(yè)人員重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。設(shè)計(jì)人員一方面需要在硬件層面對(duì)自動(dòng)分揀小車進(jìn)行優(yōu)化，并選擇合適的電機(jī)設(shè)備，并基于一維碼設(shè)計(jì)圖像識(shí)別系統(tǒng)，確保工業(yè)相機(jī)能夠快速捕捉到物流單上的一維碼以及三段碼信息。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員還需要在軟件層面設(shè)計(jì)PLC 系統(tǒng)，確保分揀裝置能夠自動(dòng)運(yùn)行，借助這種方式提升貨物分揀效率。