一種滑塊式快遞包裹自動(dòng)分揀機(jī)設(shè)計(jì)

顏志剛，張福豹，安　磊，張強(qiáng)強(qiáng)，成　濛，戚嘉偉

（南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南通226019）

一種滑塊式快遞包裹自動(dòng)分揀機(jī)設(shè)計(jì)

顏志剛，張福豹，安磊，張強(qiáng)強(qiáng)，成濛，戚嘉偉

（南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南通226019）

介紹了快遞包裹自動(dòng)分揀機(jī)的分類(lèi)及研究現(xiàn)狀，完成了一種滑塊式快遞包裹自動(dòng)分揀機(jī)總體方案設(shè)計(jì)、包裹換向機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的滑塊式自動(dòng)分揀機(jī)可以顯著提高包裹分揀效率和準(zhǔn)確率，對(duì)降低包裹訂單處理時(shí)間，節(jié)約物流成本具有重要意義。

分揀機(jī)；滑塊，快遞；包裹；舵機(jī)

隨著電子商務(wù)和網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物的快速興起，人們的消費(fèi)習(xí)慣由線(xiàn)下的有限選擇轉(zhuǎn)向線(xiàn)上的無(wú)限選擇，這種消費(fèi)方式的改變給我國(guó)的快遞行業(yè)帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)表明，2014年，全年快遞業(yè)共攬件139.6億件，同比增加了近50%.節(jié)假日的攬件數(shù)量增長(zhǎng)尤為突出。以2013年“雙十一”為例，快遞行業(yè)共攬投快件3.46億件，比2012年增長(zhǎng)了73%，各地“爆倉(cāng)”現(xiàn)象不斷。原本只需要3天左右就能到達(dá)的商品，投遞時(shí)間延長(zhǎng)到7～10天，甚至部分商品耗時(shí)近半個(gè)月才到達(dá)客戶(hù)手中，同時(shí)還出現(xiàn)了大量的商品損壞、錯(cuò)投、丟件及飽受詬病的“暴力分揀”等問(wèn)題。2013-2014年全國(guó)快遞行業(yè)基本情況表1所示。快遞包裹的時(shí)效性成為制約我國(guó)目前電子商務(wù)發(fā)展的一大瓶頸。同時(shí)，隨著近年來(lái)快遞行業(yè)的迅猛發(fā)展，人工分揀和自動(dòng)分揀的成本現(xiàn)值也在發(fā)生著變化，當(dāng)快遞總量達(dá)到一定值后，自動(dòng)分揀的階段性成本現(xiàn)值將小于手工分揀的階段性成本［1］。自20世紀(jì)20年代起，國(guó)外就開(kāi)始自動(dòng)分揀技術(shù)及設(shè)備的研制，并應(yīng)用于實(shí)踐中，大型分揀系統(tǒng)雖然效率高，但占地面積大，前期投入巨大，通常需要幾年的時(shí)間才能收回投資成本［2］。因此，設(shè)計(jì)一種適合中小快遞公司的低成本、小體積且分揀效率高的自動(dòng)分揀機(jī)成為快遞行業(yè)的迫切需求。

表1　 2013-2014年全國(guó)快遞行業(yè)基本情況

2　快遞包裹自動(dòng)分揀機(jī)的分類(lèi)

快遞包裹自動(dòng)分揀機(jī)根據(jù)配送中心的形狀及貨物狀態(tài)可以分為直線(xiàn)型分揀機(jī)和環(huán)形分揀機(jī)兩大類(lèi)［3］。

2.1直線(xiàn)型分揀機(jī)

直線(xiàn)型分揀機(jī)具有直線(xiàn)開(kāi)放性結(jié)構(gòu)，如圖1所示，可以通過(guò)直線(xiàn)型分揀機(jī)的矩陣方式的粗分拓展分揀分支，提高分揀效率。直線(xiàn)型分揀機(jī)根據(jù)分揀方式的不同又分為擺臂式、轉(zhuǎn)向輪式、滑塊式、垂直環(huán)狀交叉帶式等。

圖1　直線(xiàn)型分揀機(jī)示意圖

2.2環(huán)形分揀機(jī)

環(huán)形分揀機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間較小。但環(huán)形分揀機(jī)為封閉設(shè)計(jì)，拓展性差，需在設(shè)計(jì)之初就考慮周全。環(huán)型分揀機(jī)根據(jù)分揀方式的不同又分為轉(zhuǎn)盤(pán)式、落袋式、翻板式、水平環(huán)狀交叉帶式等。環(huán)形分揀機(jī)示意圖如圖2所示。

圖2　環(huán)形分揀機(jī)示意圖

3　滑塊式快遞包裹自動(dòng)分揀機(jī)設(shè)計(jì)

3.1總體方案設(shè)計(jì)

滑塊式分揀機(jī)是目前快遞行業(yè)中最為常用的一種直線(xiàn)型分揀機(jī)，其工作原理是通過(guò)一個(gè)撥叉改變滑塊的運(yùn)行方向，在需要分揀的位置撥叉動(dòng)作從而滑塊沿著軌道將貨物推出?；瑝K式分揀機(jī)分揀效率高，可分揀貨物的重量及尺寸范圍大。滑塊式自動(dòng)分揀機(jī)主要由控制裝置和輸送分揀裝置兩個(gè)部分組成，如圖3所示?？刂蒲b置的主要作用是識(shí)別、接收和處理分揀信號(hào)，根據(jù)分揀信號(hào)的要求指示輸送分揀部分動(dòng)作，按照包裹的送達(dá)目的地對(duì)快遞包裹進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi)。輸送分揀部分主要包括輸送裝置、包裹換向裝置和分揀道口組成。輸送分揀裝置根據(jù)控制裝置發(fā)出的分揀指示，當(dāng)具有相同分揀信號(hào)的包裹經(jīng)過(guò)分揀道口時(shí)，換向裝置動(dòng)作，通過(guò)滑塊的推動(dòng)改變包裹的運(yùn)行方向，使包裹進(jìn)入分揀口。輸送分揀裝置由鏈輪、帶耳鏈條、滑板和滑塊組成，兩側(cè)連接若干分揀道口，滑板和滑塊固定在帶耳鏈條上承載包裹的輸送。輸送裝置采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)?？刂蒲b置與輸送分揀裝置通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)連接。

圖3　滑塊式快遞包裹自動(dòng)分揀機(jī)示意圖

3.2快遞包裹自動(dòng)分揀方案

快遞包裹分揀信息的獲取來(lái)自設(shè)置在分揀線(xiàn)前端的條碼掃描裝置。條碼掃描裝置由光源、接收裝置、光電轉(zhuǎn)換部件、譯碼電路及PLC接口等部分組成。當(dāng)光源發(fā)出的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)照射到二維條形碼上面時(shí)，反射回來(lái)的光經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像在光電轉(zhuǎn)換器上，使之產(chǎn)生電信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路放大后產(chǎn)生模擬電壓，它與照射到條形碼符號(hào)上被反射回來(lái)的光成正比，再經(jīng)過(guò)濾波、整形，形成與模擬信號(hào)對(duì)應(yīng)的方波信號(hào)，經(jīng)譯碼器編譯為PLC可接收的信號(hào)。每個(gè)分揀口旁裝有光電傳感器，用于檢測(cè)是否有貨物通過(guò)傳送帶，配合各分揀執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。分揀時(shí)，PLC將從條碼掃描裝置接收到的信號(hào)進(jìn)行分析后，傳遞給相應(yīng)的光電傳感器，當(dāng)包裹接近傳感器時(shí)，PLC給出信號(hào)控制滑塊下方的舵機(jī)動(dòng)作，改變滑塊運(yùn)動(dòng)方向，推動(dòng)包裹到達(dá)分揀道口。

3.3滑塊換向方式設(shè)計(jì)

滑塊變向裝置包括導(dǎo)軌、滑塊導(dǎo)向輪、變軌擋板和變軌舵機(jī)，如圖4所示。變軌舵機(jī)安裝在導(dǎo)軌的交叉口底部；變軌擋板安裝在變軌舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上；滑塊導(dǎo)向輪運(yùn)動(dòng)時(shí)緊靠所述導(dǎo)軌的垂直面或所述變軌擋板的垂直面?；瑝K導(dǎo)向輪緊靠水平導(dǎo)軌垂直面并向前運(yùn)動(dòng)，但尚未運(yùn)動(dòng)到需要變軌的導(dǎo)軌交叉口，變軌舵機(jī)不工作，變軌擋板處于水平閉合狀態(tài)。根據(jù)PLC的控制信號(hào)，變軌舵機(jī)控制變軌擋板旋轉(zhuǎn)，使變軌擋板處于垂直開(kāi)啟狀態(tài)；之后，滑塊導(dǎo)向輪運(yùn)動(dòng)到需要變軌的導(dǎo)軌交叉口，緊靠變軌擋板垂直面；變軌擋板引導(dǎo)滑塊導(dǎo)向輪進(jìn)入另一軌道，實(shí)現(xiàn)滑塊導(dǎo)向輪變軌裝置的變軌功能。滑塊導(dǎo)向輪已進(jìn)入另一軌道，緊靠?jī)A斜導(dǎo)軌垂直面。包裹分揀完成后，根據(jù)PLC控制信號(hào)，變軌舵機(jī)再次工作，使變軌擋板復(fù)位，處于水平閉合狀態(tài)。

圖4　滑塊變向方式示意圖

3.4控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

可編程邏輯控制器（PLC）是自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上協(xié)同執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感系統(tǒng)和輔助機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的重要控制手段［4］。本文設(shè)計(jì)的快遞包裹分揀機(jī)控制系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)（PC）為上位機(jī)，PLC為下位機(jī)對(duì)分揀機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)初步的自動(dòng)化。具體控制流程如圖5所示。具體過(guò)程如下：當(dāng)貨物經(jīng)掃描口，條形碼掃描器對(duì)貨物進(jìn)行掃碼，將讀取的相應(yīng)信息傳送到計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)程序調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)信息，對(duì)掃描槍讀取的信息進(jìn)行比較，返回相應(yīng)控制信息數(shù)據(jù)并傳送給PLC；PLC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，對(duì)相應(yīng)變軌電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)控制，即當(dāng)貨物途徑所需出貨口時(shí)，PLC控制相應(yīng)變軌電機(jī)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，使變軌擋板打開(kāi)，變軌滑輪沿變軌擋板和軌道成一定角度運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)滑塊沿托板運(yùn)動(dòng)，使滑塊推動(dòng)貨物進(jìn)入出貨口，實(shí)現(xiàn)分揀功能。

圖5　分揀機(jī)控制流程圖

設(shè)計(jì)制作完成的滑塊式快遞包裹分揀機(jī)能夠完成包裹上條形碼的自動(dòng)掃描識(shí)別，通過(guò)PC上位機(jī)和快遞包裹分揀機(jī)PLC控制系統(tǒng)的有效結(jié)合，可以有效控制分揀機(jī)構(gòu)舵機(jī)的換向動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)快遞包裹的連續(xù)、大批量、高效和低錯(cuò)差率的分揀。

4　結(jié)束語(yǔ)

快遞包裹分揀是快遞包裹配送中的重要環(huán)節(jié)，采用自動(dòng)分揀系統(tǒng)可以顯著提高包裹的分揀效率和準(zhǔn)確率。本文完成了一種滑塊式快遞包裹自動(dòng)分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用舵機(jī)方式實(shí)現(xiàn)了滑塊的變向，研究成果為滑塊式自動(dòng)分揀機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。

［1］高小茜.淺析我國(guó)快遞企業(yè)的分揀問(wèn)題［J］.商場(chǎng)現(xiàn)代化，2014，（29）：55-57.

［2］張俊濤，劉紅科.基于ARM的快遞貨物自動(dòng)分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2011，（08）：968-970.

［3］姜徳智.快遞行業(yè)自動(dòng)分揀設(shè)備淺析［J］.物流技術(shù)與應(yīng)用（貨運(yùn)車(chē)輛），2012，（10）：54-55.

［4］范昭君.基于MCGS和PLC的物料分揀監(jiān)控系統(tǒng)［J］.裝備制造技術(shù)，2014，（4）：101-103.

Design ofan Automatic Sorting Machine for Express Parcel

YAN Zhi-gang，ZHANG Fu-bao，AN Lei，ZHANG Qiang-qiang，QIJia-wei
（School ofMechanical Engineering，Nantong University，Nantong Jiangsu 226019，China）

The classifications of sorting machines and the research status of express parcel automatic sorting line were introduced in this paper.The overall design scheme，the parcel reversing mechanism and the control system design of the slipper-type express parcel automatic sorting line were described in details.The slipper-type express parcel automatic sorting line which was designed can significantly improve the efficiency and the accuracy of sorting packages，there are importantmeanings for reducing the time to deal with the parcel order and saving the cost of logistics.

sortingmachine；sliding block；express delivery；package；steering engine

TH122

A

1672-545X（2016）06-0023-02

2016-03-09

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201410304017）

顏志剛（1994-），男，江蘇蘇州人，本科，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)；張福豹（1982-），男，江蘇銅山人，研究生，副教授，主要從事機(jī)械制造及其自動(dòng)化方面的研究工作。