擺輪分揀機技術(shù)發(fā)展與分揀控制技術(shù)應用研究

文/王同旭

一、引言

近十年時間，電商、快遞等行業(yè)高速發(fā)展，帶動了物流裝備的快速成長。輸送分揀設(shè)備是電商、快遞等行業(yè)搬運、揀選、分揀的核心裝備，各種輸送分揀設(shè)備構(gòu)建了不同規(guī)模的中大型物流倉儲配送中心，實現(xiàn)快速完成訂單揀選和分揀作業(yè)[1]。電商、快遞的市場急速擴張，各大電商與快遞公司為了搶占市場，在全國各地快速布局倉儲物流配送中心，旨在提高物流時效性，縮短物流時間，吸引客戶。以京東、順豐為代表，提出了當日收、次日達，甚至是當日達的服務(wù)宗旨。這一切的背后是以各種輸送分揀設(shè)備的性能不斷優(yōu)化提升做支撐的。

隨著市場需求與客戶要求不斷提升，對物流裝備的要求也更加苛刻，如物品種類規(guī)格適應范圍廣，運行速度快，分揀效率、分揀準確率高等。擺輪分揀機作為物流倉儲配送中心常用的分揀設(shè)備，其技術(shù)不斷迭代發(fā)展，相繼出現(xiàn)了不同結(jié)構(gòu)的擺輪分揀機，其性能不斷提升。以分揀效率技術(shù)指標為例，2010年前，擺輪分揀機的分揀效率≤2000pcs/h，如今的分揀效率可達到6000-8000pcs/h，其發(fā)展歷程如圖1所示。

圖1 擺輪分揀機分揀效率發(fā)展歷程示意圖

二、擺輪分揀機結(jié)構(gòu)形式

1.擺輪分揀機結(jié)構(gòu)組成與分類

根據(jù)擺輪分揀機的功能劃分，其結(jié)構(gòu)主要由三部分組成：輸送單元、傳動單元、轉(zhuǎn)向單元，如圖2、3所示。輸送單元與物品底部接觸，輸送單元持續(xù)運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)物品向前輸送；傳動單元為動力傳遞結(jié)構(gòu)，將電機動力轉(zhuǎn)換成輸送單元動力；轉(zhuǎn)向單元驅(qū)動擺輪轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)物品分揀。經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展和迭代，擺輪分揀機各組成部分結(jié)構(gòu)形式各不相同。

圖2 擺輪分揀機組成部分示意圖

根據(jù)擺輪分揀機的組成部分不同，將其分成不同類型。

根據(jù)輸送單元結(jié)構(gòu)分類：O帶式擺輪分揀機、動力球式擺輪分揀機、電輥筒式擺輪分揀、輥筒式擺輪分揀機、皮帶式擺輪分揀機。

根據(jù)傳動單元結(jié)構(gòu)分類：O帶傳動、同步帶傳動、磁性輪傳動、齒輪傳動、摩擦傳動，電輥筒直驅(qū)。

圖3 擺輪分揀機結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 頂升式擺輪分揀機應用場景圖

圖6 氣動式擺輪分揀機示意圖

圖7 氣動式擺輪分揀機應用場景圖

根據(jù)轉(zhuǎn)向單元結(jié)構(gòu)分類：固定角度頂升式、氣動轉(zhuǎn)向、步進驅(qū)動轉(zhuǎn)向、齒輪齒條轉(zhuǎn)向、同步帶轉(zhuǎn)向、伺服驅(qū)動轉(zhuǎn)向。

（1）擺輪分揀機技術(shù)發(fā)展

擺輪分揀機結(jié)構(gòu)的迭代發(fā)展，與其運行速度、分揀效率息息相關(guān)。根據(jù)分揀效率的不同，可將擺輪分揀機的發(fā)展分成低速、中速和高速三個階段。低速階段的頂升式擺輪分揀機、氣動式擺輪分揀機，如圖4、5、6、7所示，分揀效率≤2000pcs/h。采用同步帶與同步帶輪將電機動力傳遞給驅(qū)動輥筒，輥筒帶動O帶并驅(qū)動擺輪輸送，實現(xiàn)物品輸送[2]。采用氣缸頂升或是氣缸驅(qū)動連桿轉(zhuǎn)向，驅(qū)動擺輪轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)物品分揀[3]。

圖4 頂升式擺輪分揀機示意圖

中速階段的電動式擺輪分揀機、動力球式擺輪分揀機，如圖8、9、10、11所示，分揀效率≤4000pcs/h。采用同步帶與同步帶輪將電機動力傳遞給動力球，每個動力球內(nèi)有一組錐齒輪，將水平轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成垂直轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)物品輸送，其運行速度快，承載能力強。采用伺服電機驅(qū)動連桿轉(zhuǎn)向，帶動擺輪轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)物品分揀[4]，伺服驅(qū)動轉(zhuǎn)向動作柔和，響應快，分揀效率高。

圖8 電動式擺輪分揀機示意圖

圖9 電動式擺輪分揀機應用場景圖

圖10 動力球式擺輪分揀機示意圖

圖13 電輥筒式擺輪分揀機應用場景圖

隨著市場需求的不斷提升，對物流裝備的性能也日益提高，加速推進擺輪分揀機進入高速階段，其分揀效率高6000-8000pcs/h，運行速度快120-180m/min，承載能力強≥60kg，運行穩(wěn)定可靠。在總結(jié)上述擺輪分揀機的結(jié)構(gòu)特點基礎(chǔ)上，從結(jié)構(gòu)簡化、單元模組、易拆裝維護、易拓展等方面考慮，設(shè)計了兩款新型擺輪分揀機：電輥筒式擺輪分揀機、皮帶式擺輪分揀機。

圖15 電輥筒單元模組示意圖

圖17 皮帶式擺輪分揀機應用場景圖

（2）新型擺輪分揀機結(jié)構(gòu)設(shè)計

①電輥筒式擺輪分揀機

電輥筒式擺輪分揀機，輸送單元為獨立的電輥筒，每臺擺輪分揀機包含多個電輥筒，按照一定間距平行或是交錯布置，控制板卡驅(qū)動電輥筒運行，實現(xiàn)物品輸送，如圖12、13所示。采用獨立運行的電輥筒，無需傳動單元，其結(jié)構(gòu)更為簡潔，如圖14、15所示。

圖12 電輥筒式擺輪分揀機示意圖

圖14 電輥筒輸送單元示意圖

電輥筒式擺輪分揀機采用模組化設(shè)計，多組轉(zhuǎn)向單元模塊，伺服電機驅(qū)連桿轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向動作柔和，響應快，分揀效率高；轉(zhuǎn)向角度控制精準，角度偏差±0.5°，能夠確保物品輸送不會出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)而影響后續(xù)分揀，可實現(xiàn)多角度、雙向分揀。采用輪式輸送單元，對部分軟包輸送分揀有一定的局限性。

②皮帶式擺輪分揀機

皮帶式擺輪分揀機的輸送單元為皮帶，如圖16、17所示，皮帶的驅(qū)動動力有多種形式。如采用磁性輪將水平轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成垂直轉(zhuǎn)動，驅(qū)動皮帶運行，電磁驅(qū)動技術(shù)，無摩擦接觸傳動，運行穩(wěn)定噪音低，如圖18所示。如采用表面為多楔帶齒的電輥筒直接驅(qū)動多楔帶運行，輸送單元結(jié)構(gòu)簡單，如圖19所示。

圖16 皮帶式擺輪分揀機示意圖

圖18 磁性輪驅(qū)動示意圖

圖19 皮帶式單元模組示意圖

皮帶式擺輪分揀機采用標準模塊化設(shè)計，每排輸送轉(zhuǎn)向單元為獨立模塊，可根據(jù)應用場景進行拓展布置，給系統(tǒng)部署帶來更多可能；現(xiàn)場運營維護時，可輕松快速自上而下拆卸單元模塊，便于拆裝維護，如圖19所示。

皮帶輸送單元與物品柔性接觸，接觸面積大，適應大件、小件不同種類和規(guī)格的物品分揀，尤其適合小件箱盒和軟包分揀。

電輥筒式擺輪分揀機與皮帶式擺輪分揀機，采用電輥筒作為輸送單元，其結(jié)構(gòu)簡潔，運行穩(wěn)定；采用伺服轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，響應快，轉(zhuǎn)向精準；采用單元模組設(shè)計，可實現(xiàn)小間距精確控制，提高分揀效率，易于布局拓展，便于拆裝維護。兩款新型擺輪分揀機的運行速度高，分揀效率高，物品適用范圍廣。當然，擺輪分揀機要實現(xiàn)高速高效穩(wěn)定運行，除了有完美的機械結(jié)構(gòu)，還需要優(yōu)越的分揀控制技術(shù)。

三、擺輪分揀機分揀控制技術(shù)

提高擺輪分揀機的分揀效率，可以通過提高運行速度、縮小物品間隙、提高轉(zhuǎn)向動作響應實現(xiàn)。在高速、快響應的前提下，如何保證伺服驅(qū)動對轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)沖擊小，設(shè)備運行平穩(wěn)？如何保證物品柔性分揀，減少物品沖擊？其分揀控制技術(shù)顯得尤為重要。

1.擺輪分揀機電氣控制過程簡述

擺輪分揀機作為輸送分揀系統(tǒng)的一部分，如圖20所示，其電氣控制可作為獨立的控制單元，單獨控制擺輪分揀機輸送分揀。

圖20 擺輪分揀機電氣控制示意圖

經(jīng)過前端的合流、拉距，將物品按照一定間距排列進入分揀機前端輸送線。讀碼器讀取物品條碼信息，與WCS/WMS信息交互，獲取物品分揀目的地。物品輸送至擺輪分揀機的前端輸送機，觸發(fā)光電，主控PLC給擺輪分揀信號（動作信號）和方向信號（目的地方向），其第一模組擺輪轉(zhuǎn)向到指定角度，伺服電機停止轉(zhuǎn)向動作，擺輪會保持在此位置。同時相繼延遲一定時間，另外幾個模組擺輪先后轉(zhuǎn)向到位，實現(xiàn)物品分揀。

當物品完全通過觸發(fā)光電后，觸發(fā)光電信號消失，延遲一定時間（保證在這段時間內(nèi)，物品末端能運行到第一組擺輪末端，即物品完成分揀動作），第一模組擺輪回中（直行）轉(zhuǎn)向，并保持在直行位置。同樣相繼延遲一定時間，另外幾個模組擺輪先后轉(zhuǎn)向至直行，完成一個分揀動作，待下一個物品觸發(fā)光電執(zhí)行分揀動作。

以上為擺輪分揀機分揀動作控制的粗略概括，為保證擺輪分揀機高速高效穩(wěn)定運行，需要精確控制，如速度控制、間距控制、伺服轉(zhuǎn)向動作控制等。

2.擺輪分揀機分揀效率計算

擺輪分揀機分揀效率與運行速度，物品長度，以及物品間隙相關(guān)[5]，如公式（1）所示：

式中：

P—分揀效率，pcs/h；

V—運行速度，m/s；

L—物品長度（平均長度），mm；

G—物品間隙（平均間隙），mm；

η—分揀系數(shù)（常取0.85）；

如電輥筒擺式輪分揀機的運行速度V=2m/s，物品平均長度L=500mm，物品平均間隙G=500mm，分揀系數(shù)η=0.85，則其分揀效率為：

從公式（1）、（2）中，能夠看出，擺輪分揀機的分揀效率與運行速度成正比，與物品節(jié)距（物品長度與物品間隙之和）成反比。顯而易見，在物品長度確定的情況下，欲提高分揀效率，可提高運行速度和減小物品間隙。

3.擺輪分揀機速度控制

提高擺輪分揀機運行速度，需要同步提高輸送機的運行速度。物品直行輸送時，擺輪運行速度與前后端的輸送機的運行速度相同；但在物品分揀過程中，擺輪的直行分速度小于直行輸送速度，分揀物品與后面的直行物品間的間隙會逐漸變小，可能會影響后續(xù)直行物品的輸送和分揀。

為解決這一問題，可增相鄰大物品間隙，以彌補速度變化造成間隙減小，但會影響分揀效率?；蚴翘岣邤[輪分揀時的速度，保證其直行分速度與輸送機的速度相同，其分揀速度與直行速度的關(guān)系，如圖21所示，參照公式（3）。

按照分揀角度為30°/45°兩種，其分揀速度分別為：

由此可知，要保證擺輪分揀機高速高效分揀，擺輪分揀機需要有兩個速度模式，一個是常規(guī)狀態(tài)下的直行速度，另一個是分揀速度，且兩種速度模式能夠快速切換。當PLC給擺輪分揀信號（動作信號）和方向信號（目的地方向）時，擺輪進行轉(zhuǎn)向，PLC與電輥筒控制板卡采用R485通訊，快速切換至分揀速度模式，保證物品間隙不會發(fā)生變化。

4.擺輪分揀機物品間距控制

減小物品間隙。擺輪采用模組化設(shè)計，多組轉(zhuǎn)向驅(qū)動模組，擺輪模組的長度，與擺輪外形尺寸和結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)，為了保證高速高效分揀，擺輪模組的長度一般＜250mm。每個擺輪模組的長度應小于物品間隙，才能保證擺輪模組轉(zhuǎn)向不會影響相鄰物品的輸送分揀。即要求在相鄰物品間隙內(nèi)，擺輪能夠?qū)崿F(xiàn)左分位置（-45°）與右分位置（+45°）的極限位置快速切換，則極限位置的轉(zhuǎn)向空間＞250mm?？紤]物品經(jīng)過不同輸送分揀設(shè)備，其位置會發(fā)生偏移，造成相鄰物品間隙變小，常規(guī)設(shè)定相鄰物品最小間隙為350mm，能夠滿足正常分揀，保證其分揀效率，亦能減少分揀回流率（因為物品間隙過?。?。

綜上，可確定極限位置空間范圍為250-350mm，常取300mm。即在300mm空間內(nèi)完成極限位置轉(zhuǎn)向，極限位置轉(zhuǎn)向時間計算如公式（6）：

5.擺輪分揀機伺服轉(zhuǎn)向動作控制

在150ms內(nèi)，既要完成極限位置切換，又要確保轉(zhuǎn)向動作平穩(wěn)，對伺服轉(zhuǎn)向要求極高[6]。當前擺輪分揀機多采用400W的伺服電機，配速比為20的減速機，作為轉(zhuǎn)向單元的驅(qū)動。

伺服電機的額定轉(zhuǎn)速為3000rpm，在150ms內(nèi)完成極限位置的切換，伺服電機先加速轉(zhuǎn)向至額定轉(zhuǎn)速，再均勻轉(zhuǎn)向，再進行減速，其運動過程如圖22所示。其加速時間和減速時間相同，如公式（9所示），額定轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向加速度、動作時間關(guān)系，如公式（7）、（8）、（10）、（11）所示。

圖22 擺輪分揀機伺服驅(qū)動動作時刻示意圖

由計算可知，伺服電機的轉(zhuǎn)向加速度很大，其沖擊力很大，需要調(diào)整伺服電機的轉(zhuǎn)向參數(shù)，以減少伺服電機的轉(zhuǎn)向沖擊。如減緩伺服電機啟動和停止階段的轉(zhuǎn)向變化曲線，即在加速/減速階段，逐漸增大/減小轉(zhuǎn)向加速度值，使得電機轉(zhuǎn)速曲線變得更順暢，如圖23所示。另外，伺服電機剛性其實是速度環(huán)、位置環(huán)和時刻積分常數(shù)組合成的一個參數(shù)，可以通過調(diào)整伺服驅(qū)動器的增益參數(shù)，減少伺服電機剛性，減少分揀沖擊，保證轉(zhuǎn)向動作平穩(wěn)。

圖23 擺輪分揀機伺服驅(qū)動變加速度示意圖

6.擺輪分揀機多角度轉(zhuǎn)向控制

分揀時，要保證物品能夠完全分揀出去，可設(shè)置大角度分揀，但大角度突然轉(zhuǎn)向分揀，會造成的物品分揀變向和翻滾損壞。可以通過轉(zhuǎn)向角度控制，每個模組擺輪設(shè)置不同的分揀角度，分揀角度逐漸增加，如30°、35°、40°、45°、50°，使得物品緩慢轉(zhuǎn)向、平穩(wěn)輸送分揀，保證物品柔性分揀， 如圖24所示。

圖24 擺輪分揀機變角度分揀示意圖

四、總結(jié)

隨著快遞、電商物流行業(yè)的快速發(fā)展，倉儲物流配送中心對物流裝備的性能要求越來越高，促進了擺輪分揀機技術(shù)快速迭代發(fā)展，各種結(jié)構(gòu)的擺輪分揀機相繼問世，旨在解決不同應用場景需求，如小件軟包分揀，大件重載分揀等。擺輪分揀機經(jīng)過近10年的低速、中速發(fā)展，如今步入了高速發(fā)展階段，其性能參數(shù)要求變得更高：分揀效率高6000-8000pcs/h，運行速度快120-180m/min，承載能力強≥60kg，運行穩(wěn)定可靠。

本文總結(jié)了各種擺輪分揀機的結(jié)構(gòu)特點與應用場景，對其分揀動作過程和分揀控制技術(shù)進行了較充分的研究和實踐，以此為基礎(chǔ)設(shè)計了兩款采用電輥筒和皮帶作為輸送單元的新型擺輪分揀機，并已成功應用于快遞、零售、電商等行業(yè)。

新型擺輪分揀機的輸送單元結(jié)構(gòu)簡潔可靠，能夠高速重載穩(wěn)定運行；伺服轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)和單元模組化設(shè)計，伺服轉(zhuǎn)向精準、響應快，通過伺服轉(zhuǎn)向過程控制和多角度轉(zhuǎn)向控制，可減少分揀轉(zhuǎn)向沖擊，物品分揀軌跡更順暢，確保其分揀平穩(wěn)性；同時，采用了雙速度模式控制與小間距精確控制，確保高速分揀時物品間距不會發(fā)生變化，提升分揀效率。新型擺輪分揀機的獨特結(jié)構(gòu)與電氣控制技術(shù)完美結(jié)合，使得新型擺輪分揀機滿足高速、高效、穩(wěn)定、可靠運行的要求。誠然，市場需求日益變化，技術(shù)日益革新，擺輪分揀機技術(shù)也將會迎來新的發(fā)展。