高可用化妝品包裹分離系統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn)線的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基金項(xiàng)目：湖州市公益應(yīng)用研究項(xiàng)目（2023GZ06）

第一作者簡(jiǎn)介：嚴(yán)利強(qiáng)（1988-），男，碩士，助教。研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.21.010

摘" 要：隨著快遞行業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展階段，通過人力完成快遞包裹的分揀已經(jīng)滿足不了發(fā)展的需求，而自動(dòng)化單件分離系統(tǒng)可自動(dòng)將雜亂混堆的包裹按照有序間距排成一列，為后續(xù)包裹掃碼、稱重及分揀等做準(zhǔn)備，大大提高分揀效率。該文針對(duì)全自動(dòng)化快遞包裹視覺單件分離系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中表現(xiàn)出來的問題，優(yōu)化設(shè)計(jì)主要系統(tǒng)模塊：?jiǎn)渭蛛x模塊、居中模塊、靠邊模塊，實(shí)現(xiàn)化妝品包裹分離系統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn)線的高可用性。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)渭蛛x；單件分離模塊；居中模塊；靠邊模塊；包裝盒

中圖分類號(hào)：TS64" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）21-0040-04

Abstract： As the express delivery industry has entered a stage of rapid development， the sorting of express parcels by manpower can no longer meet the needs of development. The automatic single-piece separation system can automatically arrange the messy parcels into a row according to the orderly spacing， which can prepare for subsequent package scanning， weighing and sorting， and greatly improve the sorting efficiency. Aiming at the problems shown in the long-term operation of the fully automatic express package visual single-piece separation system， this paper optimizes the design of the main system modules： single-piece separation module， center module and side module to achieve high availability of cosmetic package separation system equipment production line.

Keywords： single piece separation; single piece separation module; center module; side module; packing box

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2021年全國(guó)快遞業(yè)務(wù)量達(dá)到1 083億件，直至2023年創(chuàng)紀(jì)錄地首次突破1 200億件大關(guān)。面對(duì)如此巨大的快遞市場(chǎng)，各大快遞企業(yè)紛紛在國(guó)內(nèi)許多不同的地方建立了大量快遞包裹分揀中心。由于人力成本高且分揀包裹的效率低，已不能滿足市場(chǎng)需求，而各類全自動(dòng)化快遞包裹分揀生產(chǎn)線設(shè)備的出現(xiàn)，大大提高了分揀效率。該設(shè)備生產(chǎn)線一般由拆疊模塊、散射模塊、并行分離模塊、居中模塊和靠邊模塊等組成，通過各模塊的協(xié)同配合將雜亂的快遞包裹有序排列。

1" 問題分析

在上述設(shè)備生產(chǎn)線的使用過程中，相關(guān)模塊的設(shè)計(jì)缺陷已經(jīng)凸現(xiàn)出來。因此，設(shè)計(jì)出一種能夠在分揀中心長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行且對(duì)快遞包裹零損壞的低成本自動(dòng)化包裹分離系統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn)線已迫在眉睫。

1.1" 并行分離模塊

該模塊由m×n個(gè)小型傳送帶組成，如圖1所示，常見的由4×8、5×8個(gè)窄皮帶組組成，主要用于將同一平面上相鄰的包裹分離開來。由于化妝品包裹的體積相對(duì)較小，具體可參見國(guó)內(nèi)電商打包快遞紙箱尺寸標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)包裹運(yùn)行在并行分離模塊時(shí)，第1排和第2排的小型傳送帶上會(huì)出現(xiàn)同時(shí)并列存在多個(gè)包裹，第3排和第4排的小型傳送帶基本上都只存在1個(gè)包裹。通過測(cè)試，實(shí)驗(yàn)將第3排和第4排的小型傳送帶的速度都設(shè)置成統(tǒng)一的速度，驗(yàn)證其每小時(shí)通過的包裹數(shù)基本一致。因此，該并行分離模塊需要優(yōu)化設(shè)計(jì)。并行分離模塊的物料成本大約占整條設(shè)備生產(chǎn)線的50%以上，在保證效率的前提下降低其成本具有極其重要的意義。

1.2" 居中模塊

該模塊主要用于包裹的居中傳輸，出于設(shè)計(jì)和裝配角度考慮，居中模塊末端處附件的輥筒開有楔槽，通過O型帶傳遞動(dòng)力，如圖2所示。當(dāng)輸送的包裹為薄件或軟包時(shí)，包裹極易被O型帶卡住，不僅包裹被破壞，還加速了O型帶的磨損。

1.3" 靠邊模塊

該模塊主要用于將包裹位置調(diào)整至生產(chǎn)線邊緣處，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，為保證包裹能成功靠近生產(chǎn)線邊緣位置，設(shè)計(jì)人員通常將靠邊模塊的長(zhǎng)度設(shè)置較長(zhǎng)。此種設(shè)計(jì)引發(fā)一個(gè)新問題，延長(zhǎng)了包裹和邊緣處擋板的擠壓時(shí)間，一方面，容易壓壞包裹，另一方面，加劇O型帶的磨損和擋板的損壞，如圖3所示。

2" 設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1" 并行分離模塊設(shè)計(jì)優(yōu)化

本文根據(jù)化妝品包裹的全規(guī)格進(jìn)行設(shè)計(jì)，綜合考慮物料成本和輸送效率，在并行分離模塊前放置緩沖模塊，因此可設(shè)置并行分離模塊的小型傳送帶數(shù)量為1×8個(gè)，如圖4所示。當(dāng)視覺系統(tǒng)檢測(cè)這2個(gè)模塊上的包裹數(shù)量時(shí)，通過控制緩沖模塊的運(yùn)行情況調(diào)節(jié)包裹順利從并行分離模塊單個(gè)按序離開。

為保證所有的化妝品包裹都能成功分離，小型傳送帶的長(zhǎng)度和寬度設(shè)計(jì)如圖5、圖6所示。

首先要確保容納最大的化妝品包裝盒，小型傳送帶的長(zhǎng)度L至少要滿足最大化妝品包裝盒（6號(hào)標(biāo)準(zhǔn)紙箱260 mm×150 mm×180 mm）的對(duì)角線尺寸要求，如圖5所示。計(jì)算公式如下

="mm=316 mm，

Lgt;316 mm。

為避免一根皮帶同時(shí)帶動(dòng)2個(gè)及以上的包裝盒，小型傳送帶的寬度W應(yīng)小于最小包裝盒（12號(hào)標(biāo)準(zhǔn)紙箱130 mm×80 mm×90 mm）尺寸的2倍，即小于160 mm，如圖6所示。由于電機(jī)安裝在皮帶下方，故皮帶機(jī)構(gòu)的單邊寬度應(yīng)大于電機(jī)尺寸，具體可參考電機(jī)安裝說明書。

2.2" 居中模塊設(shè)計(jì)優(yōu)化

將末端處的O型帶從輥筒中間位置移至輥筒一端，可有效避免其卡包裹的情況。具體設(shè)計(jì)如下：將原先的輥筒3和輥筒2通過O型帶連接，輥筒2和輥筒1通過O型帶連接調(diào)整為輥筒3和輥筒3′通過O型帶連接，輥筒3′和輥筒2′通過O型帶連接，輥筒2′和輥筒2通過O型帶連接，輥筒2′和輥筒1′通過O型帶連接，輥筒1′和輥筒1通過O型帶連接，如圖7所示。

最終，居中模塊的末端形狀如圖8所示，成功避免了O型帶外露。

2.3" 靠邊模塊設(shè)計(jì)優(yōu)化

靠邊模塊的寬度和整條輸送線的寬度保持一致，通常為1 200 mm。長(zhǎng)度設(shè)計(jì)優(yōu)化如下。

紙箱與輥筒的摩擦系數(shù)可參考鋼與木材的滾動(dòng)摩擦系數(shù)u為0.04，整條生產(chǎn)線的寬度W為1 200 mm，且靠邊機(jī)位于居中機(jī)后面?？窟厵C(jī)輥筒的設(shè)計(jì)傾角α為15°，最大設(shè)計(jì)速度V為2 m/s，包裹在靠邊模塊的運(yùn)行情況參照?qǐng)D9分析。計(jì)算公式如下

Vx=Vsinα=2×sin15° m/s=0.5 m/s，

Vx=a t1=ugt1=0.04×9.8×t1 m/s，

t1=1.28 s，

s=×ugt12=0.32 m。

當(dāng)取最大包裹（260 mm×150 mm×180 mm）尺寸的對(duì)角線長(zhǎng)度為316 mm，包裹速度Vx達(dá)到0.5 m/s，包裹沿X方向行進(jìn)的距離為320 mm，加上包裹的外部尺寸還未接觸到擋板，故包裹再勻速運(yùn)行一段時(shí)間t2的計(jì)算公式如下

t2=（-s）/Vx=（-320）/500=0.24 s。

靠邊模塊的長(zhǎng)度L1計(jì)算公式如下

L1=Vy（t1+t2）=2×cos15°×（1.28+0.24） m=2.94 m。

當(dāng)取最小包裹（130 mm×80 mm×90 mm）時(shí)，包裹再勻速運(yùn)行一段時(shí)間t2的計(jì)算公式如下

t2=（-s）/Vx=（-320）/500=0.48 s，

靠邊模塊的長(zhǎng)度L2計(jì)算公式如下

L2=Vy（t1+t2）=2×cos15°×（1.28+0.48） m=3.4 m。

綜上所述，靠邊模塊的長(zhǎng)度取3.4 m。

3" 實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)上述優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文對(duì)高可用化妝品包裹分離系統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn)線重新進(jìn)行三維建模，如圖10所示，從左到右分別為緩沖模塊、并行分離模塊、拉距模塊、居中模塊、拉距模塊和靠邊模塊。并將制作好的各個(gè)模塊搭建起來進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，如圖11所示。

將1×8、4×8個(gè)的并行分離模塊分別添加至生產(chǎn)線中運(yùn)行測(cè)試，各連續(xù)運(yùn)行4 h的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖12所示，兩者的運(yùn)行效率大體相當(dāng)，滿足應(yīng)用需求，且分揀正確率完全一致，達(dá)到99.99%，如圖13所示。

4" 結(jié)束語

面對(duì)快遞行業(yè)日趨激烈的競(jìng)爭(zhēng)，降低快遞企業(yè)的成本，提高包裹配送服務(wù)質(zhì)量，才有可能在競(jìng)爭(zhēng)中活下來。本文設(shè)計(jì)的高可用化妝品包裹分離系統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn)線適用于較小的快遞包裹輸送場(chǎng)景，通過設(shè)計(jì)優(yōu)化大大減少了快遞包裹表面的損壞率，延長(zhǎng)了O型帶的使用壽命，保證了設(shè)備生產(chǎn)線長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)大幅度降低了設(shè)備的物料成本。

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