一種智能立體旋轉快遞存取裝置設計研究

阮學云，丁 恒，胡自然，陳 華

（安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南 232001）

1 引言

近年來，隨著互聯網行業的發展，快遞行業也得到蓬勃發展。然而，在快遞物流派送過程中，快遞終端派送作為一道必不可少的工序，多年來一直采取人工送貨上門或在一定的時間段等待顧客收取快遞，費時費力，大大降低了派送效率，為客戶帶來極大不便，因此市場對安全高效的智能快遞存取裝置的需求十分迫切[1]。

目前為止，市場上已存在類似的機械產品，即固定式快遞柜[2]。現在市場上已有的自動存取裝置雖然已經投入市場使用，但是效益和評價等方面存在很多不足。從用戶體驗方面來說，類似固定式存取柜這種產品的外形類似于超市的自動存取貨柜，存取件必須找到對應的柜門，不夠便捷。針對快件量大的派送區域，這種產品存在存件數量少，效率低的難題

因此設計一種新型智能快遞存儲裝置，解決目前快件存儲利用率低，占地面積大，智能化程度不高的問題有著重要意義。

2 整體結構設計

針對以上存在不足，設計了一種智能立體旋轉快遞存取裝置。該結構整體示意圖，如圖1所示。包括機械結構和PLC控制系統兩部分，其中機械結構包括旋轉體、儲物格、螺旋滑槽等；PLC控制系統包括PLC、工控機、伺服電機以及減速器、電動推桿、霍爾傳感器等[3]。由于采用PLC控制系統與機械機構協調工作[4]，實現了智能分發快遞，可以減少勞動強度，保證投遞員和商品的安全。

圖1 智能立體旋轉快遞裝置的整體結構圖Fig.1 Overall Structure Diagram of Intelligent Three-Dimensional Rotating Express Device

3 機械系統機構及工作原理

智能立體旋轉快遞存取裝置設計右視圖與主視圖，如圖2、圖3所示。該機械裝置內部包含有儲物格，機座，支撐桿，減速器，大小齒輪，角接觸球軸承，支撐圓盤，儲物圓盤，頂板，頂部支撐，頂部連接軸，底盤，推桿支架，螺旋滑槽等[5-6]。

圖2 智能立體旋轉快遞裝置右視圖Fig.2 Right View Diagram of Intelligent Three-Dimensional Rotating Express Device

圖3 智能立體旋轉快遞裝置主視圖Fig.3 Main View Diagram of Intelligent Three-Dimensional Rotating Express Device

機械結構包括旋轉體、儲物格、螺旋滑槽等。機械裝置主要工作原理：PLC控制系統向伺服電機驅動器發出相應信號，驅動器通過控制脈沖以控制電機的啟動和停止，電機通過減速器傳動實現降速和增大扭矩，在減速器作用下，其聯接小齒輪帶動嚙合在旋轉盤的大齒輪傳動，大齒輪帶動旋轉體轉動，旋轉體上的儲物格隨之轉動。其中旋轉體裝置分為多層圓盤，每層平均分為多個儲物格，上層儲物格多，為小件儲物格，下層為大件儲物格，以適應不同尺寸的快遞和提高空間的利用率，達到小地方大存量的效果，中間是一個旋轉軸，三層圓盤可以繞軸旋轉，每層的軸上都有一個電動推桿，可以將儲物格內的快遞推入螺旋滑槽上，從而實現快遞的快速取件。該裝置還包括中央控制裝置、可旋轉圓形儲物裝置、輸入輸出裝置、傳送裝置、運動執行等裝置。其中中央控制裝置具有掃描條形碼、發送驗證短信、控制運動執行裝置、可旋轉圓形儲物裝置、輸入輸出裝置的功能。輸入輸出裝置由小鍵盤、液晶顯示頻、攝像頭等組成，快遞員放入快遞時掃描快遞包裝和各個儲物格的條形碼，中央控制裝置記錄每個快遞存放的位置。傳送裝置是多層螺旋向下的滑軌，上層快遞滑過本層軌道后進入下層軌道，最終滑向出口。運動執行裝置主要由電動機、減速器、齒輪等組成。

4 PLC控制系統設計

4.1 智能立體旋轉快遞存取裝置控制原理

本機構的PLC控制系統部分、包括PLC、工控機、伺服電機以及減速器、電動推桿、霍爾傳感器等主要元件，由PLC控制系統向伺服電機上的減速器發出指令控制電機的速度，通過霍爾傳感器的檢測，以實現電機的制動，在電動推桿的配合下從而實現快件的存取[7]。當快遞員根據操作窗口（PLC控制）提示的存件大小輸入具體尺寸規格（大中小）時，系統自動分配對應型號的空儲物格到達相應的存件口，快遞員可以放入所要派送的快件，這時需要快遞員掃描快件上的條形碼，然后輸入收件人的手機號碼，這時系統會生成一個和快遞所在儲物格對應位置的隨機驗證碼，并發送給用戶。用戶根據驗證碼，輸入操作平臺界面后，中央控制系統會據此信號發送給伺服電機實現儲物格旋轉，當霍爾傳感器檢測到對應快件的儲物格物理地址時，儲物格停止轉動，智能推桿機構自動彈出所需的快件，實現取件動作。智能立體旋轉快遞存取裝置控制原理圖，如圖4所示。

圖4 智能立體旋轉快遞存取裝置控制原理圖Fig.4 The Diagram of Control Principle of Intelligent Three-Dimensional Rotating Express Access Device

4.2 PLC控制部分程序工作原理

4.2.1 PLC工作原理

當可編程邏輯控制器投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，可編程邏輯控制器的CPU以一定的掃描速度重復執行上述三個階段。

（1）輸入采樣階段

在輸入采樣階段，可編程邏輯控制器以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態和數據，并將它們存入I/O映象區中的相應的單元內[8]。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態和數據發生變化，I/O映象區中的相應單元的狀態和數據也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。可編程邏輯控制器。

（2）用戶程序執行階段

在程序執行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區別。

（3）輸出刷新階段

當掃描用戶程序結束后，可編程邏輯控制器就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區內對應的狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是可編程邏輯控制器的真正輸出[9]。

4.2.2 存件工作原理

快遞員通過工控機組態界面，以管理員身份打開管理器，點擊存件指令，選擇箱型，輸入運單號碼以及收件人的手機號碼，確認。工控機中設計的組態軟件會將相應箱型空格的位置以及存件指令告知PLC[10]，系統通過霍爾傳感器找到相應列的位置，并會給伺服電機驅動器相應信號，驅動器通過控制脈沖以控制電機的啟動和停止。電機通過減速器傳動達到按照固定速比降速和增大扭矩的目的。減速器聯接小齒輪帶動套在旋轉盤的大齒輪傳動，實現儲物格的旋轉運動。當相應箱型層的空儲物格轉至正對箱門的位置時，PLC控制電機停止轉動，箱門自動彈開，并通過預先編好的程序，將擬定的帶有隨機開箱碼和運單號碼的信息實時發送至客戶手機。最后，快遞員將快遞放入空儲物格中，將箱門關上，工控機操作界面回復初始狀態。完成存件流程。

4.2.3 取件工作原理

客戶取件時，工作原理與取件原理類似，不同點在于，用戶通過工控機組態界面，點擊存件指令輸入取件開箱碼，組態會將相應箱格的位置以及取件指令告知PLC，PLC傳遞高速脈沖信號給伺服電機驅動器，驅動器控制電機的轉動，通過霍爾傳感器的檢測，到達相應列位置時，PLC控制電機停止轉動。當儲物格的位置到位后，推桿伸出，將物件推至螺旋滾軸滑槽。物件順滑槽至下方取物箱。推桿有最大行程，當達到最大行程后，將會自動退回。客戶將物件取走，完成取件動作。

5 現場試驗

在機械結構與PLC控制系統組裝完成以后，需要對整個裝置功能進行試驗驗證，調試主要分為以下幾個方面：伺服電機的調速，推桿的調試，門鎖的調試。所得實驗相關參數記錄，如表1所示。具體實施措施：將伺服電機與PLC連接前，需事先設置伺服電機的固定轉速，電機轉動一轉所需脈沖數，這里將脈沖數設置為3000，即每3000個脈沖電機轉動一轉，這時，只需控制脈沖頻率即可控制電機轉速；推桿及門鎖所需的額定電壓為24V，所以需要對其接入24V的直流電源。伺服電機接入220V交流電壓，在接收到PLC控制系統的命令后，一方面電機運行，配合減速器帶動旋轉體轉動，另一方面，電動推桿實行伸縮運動，將快件推落到螺旋滑槽，實行存取件。

表1 實驗記錄Tab.1 The Records of Experiment

圖5 智能立體旋轉裝置現場實驗圖Fig.5 The Field Experiment Diagram of Intelligent Three-Dimensional Rotating Device

圖6 工控機現場實驗圖Fig.6 The Field Experiment Diagram of Industrial Computer

實驗發現在電壓穩定的情況下伺服電機、電動推桿、自動門鎖動作時間基本一致，根據PLC控制系統與機械結構的配合可以實現快件的存取，該PLC控制原理可行。

6 結論

設計一種基于PLC控制系統下的一種智能立體旋轉快遞存取裝置，該裝置結構簡單、安全高效，本設計創新之處主要體現在以下幾個方面：（1）分層圓盤儲物格，空間利用率高，占地面積小，螺旋滑槽機構能夠平穩安全的將快件輸送到取件口。（2）電動推桿通過伸長和收縮將快遞推入到螺旋滑槽，工作效率高，實用價值大。（3）采用PLC控制系統，實現智能發送驗證碼、二維碼等驗證信息，保證隱私安全。