多訂單作業(yè)模式下汽車KD件自動分揀線的設(shè)計與應(yīng)用

曾繁迪 羅家力

關(guān)鍵詞：KD 件；多訂單；自動分揀；輸送線；掃碼識別；拼箱作業(yè)

0 引言

2022 年，中國汽車全年出口量突破300 萬輛，自8 月以來月均出口量超30 萬輛，屢創(chuàng)歷史新高，拉動了整體汽車行業(yè)增長[1]。在這樣的背景條件下，車企的KD 車間在包裝零件時面臨著需同時處理多個訂單的情形。其中，出口紙箱件占到了KD 總零件數(shù)量的70% 以上。當(dāng)前的作業(yè)模式需要員工在工位上完成翻包、檢驗(yàn)和粘貼標(biāo)簽工作，再將紙箱送上流水線重新分揀，最后按照相同訂單號裝入木箱[2]。

當(dāng)訂單號數(shù)量增加之后，流水線尾拼箱臺堆積的紙箱訂單號多達(dá)十余個，操作工在拼箱時，需要從數(shù)量龐大的堆垛里挑選出相同訂單號的紙箱。該環(huán)節(jié)容易成為整個包裝工作的瓶頸，堆積的紙箱愈多，挑選難度愈大，容易造成惡性循環(huán)，影響包裝效率。因此，KD 車間需要在現(xiàn)有流水線的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計出自動分揀線，讓不同訂單號的紙箱流向多個拼箱作業(yè)臺，減小員工拼箱時挑選的訂單范圍，加速成品流轉(zhuǎn)。

1 自動分揀線整體規(guī)劃及設(shè)計方案

根據(jù)作業(yè)需求分析，自動分揀線應(yīng)具有如下功能：能夠?qū)⑺邪b好的紙箱輸送至后端，并盡可能減少場地占用面積；掃描或手動錄入訂單號后，設(shè)備能夠按訂單順利分揀；當(dāng)流水線上的紙箱出現(xiàn)擁堵時，能夠自行疏導(dǎo)。因此，對于自動分揀線優(yōu)化總體要求可細(xì)化為以下幾點(diǎn)。

（1）保留原有2 條流水線的輥筒輸送線，后端采用弧形輸送線以增加流水線緩存并減少作業(yè)面積。

（2）利用掃描槍或鍵盤等輸入設(shè)備在系統(tǒng)中錄入訂單號。當(dāng)設(shè)備識別到紙箱上的二維碼中的訂單號后，系統(tǒng)給分揀臺發(fā)出指令，使紙箱在對應(yīng)的分揀臺分出，進(jìn)入拼箱作業(yè)臺。

（3）流水線各部分分段安裝，整體上后段速度應(yīng)大于前段速度，避免擁堵，雙線合流處紙箱能有序通過。

綜上所述，自動分揀線設(shè)計如圖1 所示。其工作流程為：錄入訂單號——紙箱上線——掃碼識別訂單號——系統(tǒng)匹配訂單號與分揀臺號——分揀臺完成分揀——紙箱拼箱。

2 輸送線設(shè)計

2.1 輥筒輸送線設(shè)計

輥筒輸送線共有2 條，長度各為1.6×104 mm，可在線旁放置10 ～ 16 個包裝工作臺。在每個對應(yīng)點(diǎn)位預(yù)留電源接口，為工作臺上的辦公電腦和工具設(shè)備提供電源。每個工位旁安裝緊急停止按鈕，便于控制輸送線啟停。單條輥筒線由多段組裝而成，每段長度2 000 mm，由一臺電機(jī)通過鏈輪鏈條帶動輥筒運(yùn)轉(zhuǎn)（圖2）。

輥筒輸送線的有效寬度應(yīng)當(dāng)根據(jù)紙箱尺寸確定[4]。以此KD車間在用的紙箱尺寸為例，紙箱尺寸鏈如表1 所紙箱長或?qū)捜我贿叺淖钚〕叽鐬?00 mm，同時需考慮方便在輥筒線尾的質(zhì)檢員對紙箱進(jìn)行開箱檢查，輥筒線的有效寬度可設(shè)置為900 mm。為方便員工把紙箱推上輥筒線，輥筒線臺面高度應(yīng)與包裝工作臺高度一致或略低，此處設(shè)置為720 mm。

此外，輥筒線帶積放功能，主要有2 個目的：第一，當(dāng)紙箱受阻擋時，輥軸空轉(zhuǎn)，紙箱停止傳輸，而后方的紙箱可以繼續(xù)傳輸，形成緩存，該過程無需頻繁控制輥筒線啟停；第二，當(dāng)人體或物體不慎被卷入輥筒內(nèi)，輥筒與輥軸間載荷增大，超過最大靜摩擦力，輥軸空轉(zhuǎn)打滑，防止對人體或物體產(chǎn)生進(jìn)一步損害[3]。為防止出現(xiàn)安全事故，也為了防止灰塵、水滴及細(xì)小物體等落入鏈條中，輥筒兩端鏈條和鏈輪傳動部位應(yīng)當(dāng)使用護(hù)罩保護(hù)。

2.2 皮帶輸送線設(shè)計示?？梢钥闯觯?/p>

為盡量減少場地占用面積，皮帶輸送線整體形狀設(shè)計成“U”型，并由多段輸送臺構(gòu)成。輸送臺分為直線段和弧線段：直線段有2 種長度規(guī)格，一種為3 500 mm，主要用于合流前與分揀臺之間的連接部分；另外一種為1 000 mm，主要用于“U”型彎出彎后與第一個分揀臺之間的連接部分?；【€段外半徑為1 800 mm，內(nèi)半徑為800 mm，主要用于輥筒輸送線與皮帶線90°轉(zhuǎn)向連接以及皮帶“U”型彎部分。為確保紙箱能夠順利通過，皮帶線的有效寬度與輥筒輸送線保持一致，定為900 mm ；皮帶線的高度也與輥筒輸送線保持一致，定為720 mm（圖3）。

輸送線驅(qū)動滾筒和改向滾筒采用無縫鋼管，確保運(yùn)行過程不會變形。其配有張緊調(diào)節(jié)裝置，具有足夠調(diào)節(jié)量，同時為防止皮帶跑偏，輸送線帶有裝置及糾偏調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

3 掃碼識別機(jī)構(gòu)及設(shè)計

紙箱分揀的原則為按照訂單號進(jìn)行分揀，所以系統(tǒng)必須讀取每個紙箱上的訂單信息。因此，掃碼識別機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)設(shè)在分揀線合流后“ U”型彎的出彎處（圖 4）。讀碼器是掃碼識別機(jī)構(gòu)的核心部件，本設(shè)計采用了海康威視ID5000 全功能型固定式工業(yè)讀碼器，分辨率覆蓋1.6 ～ 20.0 MP，目標(biāo)物識別距離范圍為1 240 ～ 1 600 mm。讀碼器底部距離皮帶線高度應(yīng)當(dāng)大于紙箱的最大高度，避免紙箱與設(shè)備相互干渉。讀碼器角度應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)至能夠讀取所有紙箱標(biāo)簽。

當(dāng)包裝經(jīng)過圖像識別區(qū)域時，讀碼器自動拍照，識別出二維碼中的訂單號信息。系統(tǒng)根據(jù)此前錄入的訂單號與分揀臺匹配數(shù)據(jù)，給分揀臺發(fā)出信號。紙箱到達(dá)指定的分揀臺時，執(zhí)行分揀操作。

4 分揀臺及拼箱作業(yè)臺設(shè)計

4.1 分揀臺設(shè)計

分揀臺的傳送機(jī)構(gòu)采用了麥克納姆輪（Mecanum Wheel）。當(dāng)系統(tǒng)判定需要分揀時，分揀臺上的輪子使紙箱橫移，進(jìn)入拼箱作業(yè)臺；反之不需分揀時，輪子帶動紙箱往下一個分揀臺輸送[5]。分揀臺傳輸原理為：當(dāng)2 根主軸帶動輪輞和輪輻同向轉(zhuǎn)動，紙箱沿著平行于輸送線方向Y 向繼續(xù)傳輸；當(dāng)2 根主軸帶動輪輞和輪輻反向轉(zhuǎn)動，紙箱沿著垂直于皮帶線輸送方向X 向行進(jìn)（圖5）。

分揀臺的高度和寬度與皮帶線保持一致，分別為720 mm 和900 mm。因?yàn)榧埾渫ㄟ^分揀臺時方向不變，分揀臺長度應(yīng)當(dāng)不小于紙箱尺寸鏈中長度方向的最大尺寸1 400 mm。最終，分揀臺長度設(shè)計為1 460 mm。

4.2 拼箱作業(yè)臺設(shè)計

紙箱完成分揀后，進(jìn)入拼箱作業(yè)臺緩存，等待拼箱。為了減少員工搬運(yùn)紙箱的行走距離，紙箱應(yīng)當(dāng)能自然滑落到拼箱作業(yè)臺尾部，集中位置完成拼箱作業(yè)。因此，作業(yè)臺面需要安裝萬向滾珠。相鄰滾珠間的中心距為80 mm，滾珠座兩端使用螺釘固定在臺面上，最大負(fù)載為45 kg/ 個。

臺面長度為2 500 mm，寬度應(yīng)當(dāng)略大于分揀臺的長度，定為1 600 mm， 單層最大可容納4 個ZX122 或8 個ZX222， 又或者36 個ZX448 紙箱。臺面前端高度應(yīng)當(dāng)與分揀臺一致，定為720 mm ；臺面后端應(yīng)低于前端，后端支腿的高度可調(diào)節(jié)，前后端高度差應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)到能使所有紙箱能夠沿臺面自然滑下為宜。滾珠臺左右兩端和后端應(yīng)當(dāng)安裝擋板，防止紙箱從周圍跌落。左右兩端擋板高度應(yīng)當(dāng)高出萬向球頂10 mm，后端擋板高度應(yīng)當(dāng)高出萬向球頂65 mm（圖6）。

5 合流機(jī)構(gòu)設(shè)計及線速設(shè)置

為了使從2 條輥筒輸送線的紙箱能夠順利合流，需要在“U”型彎前增加一個合流機(jī)構(gòu)線。合流機(jī)構(gòu)主要的構(gòu)成部件有皮帶輸送線、輥筒輸送線和擋板（圖7）。紙箱尺寸鏈中，紙箱長度方向尺寸最大為1 400 mm，為使紙箱偏轉(zhuǎn)90°后能夠順利通過，合流輥筒線的有效寬度設(shè)計為1 500 mm。合流輥筒線的高度與輥筒輸送線保持一致，定為720 mm。該處線速設(shè)置如下：合流輥筒線速V2 應(yīng)大于上游輥筒輸送線的線速V1，合流后皮帶線速V4 應(yīng)大于合流前皮帶線速V3。當(dāng)上游紙箱擁堵、相互擠壓時，前后速度差能夠拉開紙箱的間距，有序通過。

紙箱放行控制邏輯如下：當(dāng)X 向或Y 向任一方向的紙箱先到達(dá)擋板時，傳感器識別到該向有紙箱合流，將信號傳遞給PLC，使擋板落下，優(yōu)先讓該向紙箱通過。在紙箱通過合流區(qū)前，另外一向擋板始終抬起，避免雙向紙箱同時匯入合流區(qū)，相互干涉。當(dāng)X 向與Y 向的紙箱同時到達(dá)1 號擋板和2 號擋板的位置時，傳感器識別到雙向均有紙箱合流，將信號傳遞給PLC，控制擋板升降輪流放行，順序?yàn)閄——Y——X……避免單條輸送線發(fā)生持續(xù)擁堵的情況。

為確保紙箱能從頭到尾平穩(wěn)有序地傳，并順利合流，各段輸送線速度應(yīng)設(shè)置如下：合流前輥筒線速度V1 為1.0×104 m/min ；合流后輥筒線速度V2 為3.0×104 mm /min ；合流前皮帶線速度V3 為1.0×104 mm /min ；合流后皮帶線速度V4 為3.0×104 mm/min ；弧形皮帶線速度為1.5×104 mm /min ；分揀臺輸送速度為1.5×104 mm /min ；分揀臺之間皮帶線速度為1.5×104 mm /min。

6 運(yùn)行驗(yàn)證

自動分揀線安裝完成后，KD 車間將1 周的訂單號提前錄入分揀線系統(tǒng)中，開始進(jìn)行驗(yàn)證。該周計劃包裝的訂單總共有46 個，需要分揀到5 個拼箱作業(yè)臺，訂單分類原則如下。

（1）客戶每周下達(dá)5 個Lot 訂單，5 個訂單正好分到不同的拼箱作業(yè)臺上。

（2）客戶每周下達(dá)其他PBP 訂單，同一車型的紙箱分到同一拼箱作業(yè)臺上。

（3）歷史未交付PBP 訂單，同一車型的紙箱分到同一拼箱作業(yè)臺上。

（4）總體上保持5 個拼箱作業(yè)臺的作業(yè)量均衡。

經(jīng)過為期1 周的驗(yàn)證，分揀線各模塊基本能按照設(shè)計要求實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，平均單個拼箱作業(yè)臺的訂單號數(shù)量從之前的17 個/ 天減少至7 個/ 天，訂單號數(shù)量下降了58%，降低了拼箱作業(yè)難度（圖8）。此外，在運(yùn)行過程中還發(fā)現(xiàn)存在如下問題：若供應(yīng)商未按照當(dāng)周計劃供貨，系統(tǒng)無法識別這些未提前錄入的訂單號，當(dāng)紙箱經(jīng)過讀碼器時，分揀線會停線報警，需要安排人員錄入新訂單號，才能把紙箱重新送上分揀線，響應(yīng)處理時間大約1 ～ 2 min。

7 結(jié)束語

自動分揀線對于KD 件包裝生產(chǎn)效率有提升作用，一定程度上緩解了拼箱作業(yè)臺的擁堵情況，對于改善目前KD 作業(yè)現(xiàn)狀有積極意義。分揀線系統(tǒng)目前仍是獨(dú)立運(yùn)行的，尚未與KD 車間的訂單管理和包裝系統(tǒng)互聯(lián)，具有其局限性，無法實(shí)時讀取到已到貨訂單，匹配訂單號與分揀臺信息時需要人工介入，仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。自動分揀線是KD 車間在自動化和智能化道路探索上邁進(jìn)的第一個新臺階，在未來，紙箱件高位立體庫和碼垛機(jī)器人建設(shè)項(xiàng)目都要基于分揀線作進(jìn)一步拓展，實(shí)現(xiàn)紙箱排序出庫和自動碼垛功能[6]，屆時的KD 車間將會打造成一個高效、精益、少人化的智能車間。