一種翻盤式快遞自動分揀裝置的設計

呂潛龍 阮學云

摘 要：目前國內三四線城市的快遞分揀主要為人工分揀，受員工疲勞等因素影響，效率低、差錯率高。雖然市場上已有交叉帶分揀機等設備，但存在成本高、占地面積大等局限，為了改善這種情況，提出一種翻盤式快遞自動分揀裝置。該裝置由機械系統和PLC-組態-視覺聯合控制系統構成。機械系統采用皮帶輸送機提供循環動力，翻盤式結構通過相對運動實現雙側分揀，設計氣動回路為分揀機構提供動力;PLC-組態-視覺聯合控制系統采用視覺識別技術提取快遞面單信息，設計了人機交互的組態王上位機通訊，獲取視覺識別出的代表位置信息的字符，將PLC作為下位機控制硬件動作。結果表明，該裝置工作安全可靠、空間利用率高、節能高效，適用于中小物流企業。

關鍵詞：分揀裝置;翻盤式;機器視覺;組態;PLC

中圖分類號： TP29;TP273;TH22?? 文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098（2021）01-0062-06

收稿日期：2020-05-31

基金項目：安徽省自然科學研究基金資助項目（KJ2016A201）;安徽理工大學2019年研究生創新基金資助項目（2019CX2036）;安徽理工大學2019年創業扶持基金資助項目

作者簡介：呂潛龍（1996-），男，山西運城人，在讀碩士，研究方向：機電一體化。

Design of A Flip-disk Typed? Automatic Sorting Device? for Express Delivery

LV Qianlong，RUAN Xueyun

（School of Mechanical Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China）

Abstract：At present， the delivery sorting in Chinas third-tier and fourth-tier cities is mainly manual sorting， which is affected by fatigue and other factors， resulting in low efficiency and high error rate. Although there are some equipment such as cross belt sorting machine in the market， it has the limitation of high cost and large floor space. To improve the situation， a Flip-disk typed automatic sorting device for express delivery was proposed， which was composed of mechanical system and PLC-configuration-vision joint control system. The mechanical system adopts the belt conveyor to provide the circulating power， the tilting plate structure realizes the bilateral sorting through the relative movement， and the pneumatic circuit is designed to provide the power for the sorting mechanism. The PLC-configuration-vision joint control system adopts the visual recognition technology to extract the surface information of express delivery， designs the human-computer interactive Kingview upper computer communication， and obtains the characters representing the position information identified by the vision， with PLC used as the lower computer to control the hardware action. The results show that the device works safely and reliablywith high space utilization rate and energy saving efficiency， suitable for small and medium-sized logistics enterprises.

Key words：sorting device; flip-disk type; machine vision technology; configuration; PLC

近年來，隨著互聯網的發展，快遞行業也得到蓬勃發展。然而，在快遞物流派送的最后“100m”中，快遞分揀是一道即繁瑣又必不可少的工序，在我國三四線城市里的快遞分揀中心，多年來一直采用人工分揀的形式，依靠人眼識別快遞信息，再將其取出進行分揀，不僅效率低，而且由于員工疲勞、注意力無法長時間集中等原因，分揀差錯率高，大大延長了分揀周期，帶來經濟損失的同時，客戶體驗也較差，因此市場對安全高效的自動分揀裝置的需求十分迫切[1]。

目前為止，市場已存在類似的裝置，即交叉帶自動分揀機[2-4]及AGV小車分揀[5]。交叉帶自動分揀機分揀效率高，可靠性好，但占地面積大，且對地面的平整度要求較高，造價成本高昂，維修成本也較高[6-7];AGV采用并聯模式運行，單個損壞不會影響其他AGV小車的運行，但是對貨物的重量以及體積形狀有很大的限制，且運作效率有限[8]。為克服交叉帶自動分揀機以及AGV分揀造價昂貴、占地面積大及對地面平整度要求高的局限性，本文將設計一種自動分揀裝置，在保障分揀效率及可靠性的前提下，節約成本，減小占地面積，以滿足三四線城市的分揀需求。

1 整體介紹

針對以上問題，本文設計了一種翻盤式快遞自動分揀裝置。該裝置整體功能框架如圖1所示，由機械系統、PLC-組態-視覺聯合控制系統構成。

主要工作原理：首先，在組態王上位機的通訊界面點擊“開始分揀”，PLC控制系統向伺服電機驅動器發出響應信號，驅動器通過控制脈沖驅動皮帶輸送機啟動，由于摩擦作用，翻盤式小車開始循環運動;分揀時，快遞進入小車平臺后，該小車觸發啟動機器視覺程序的光電開關，工業相機攝取圖片，并提取圖片中的快遞信息反饋給組態程序，經組態處理后，判斷出該快遞所屬的分揀區域，并計算出所屬分揀區域前的光電傳感器需要達到的數值，此時，快遞已與對應分揀區域綁定，若屬于內側，則翻轉裝置推出，將小車平臺轉變為另一側，當所屬分揀區域前的光電計數達到給定值，外部動力裝置動作，快遞落入分揀區域，完成分揀，在下一個循環開始前，所有小車在固定回位軌道的作用下，翻盤式小車平臺全部朝向外側，一個分揀循環完成。機械系統通過與PLC控制系統、組態王上位機和機器視覺系統協同工作，實現了智能分揀快遞，可減少分揀人員勞動強度，高效、安全、可靠地完成快遞分揀。

2 機械系統設計

翻盤式快遞自動分揀裝置設計結構簡圖，如圖2所示。該機械裝置包括前端掃描裝置、翻轉裝置、皮帶輸送機、翻盤式小車、分揀口判別裝置、外部動力裝置、固定回位軌道、工業相機、光源等。

1.前端掃描裝置;2.翻轉裝置;3.皮帶輸送機;4.翻盤式小車;5.分揀口判別裝置;6.外部動力裝置;7.固定回位軌道; 8.工業相機;9.光源

2.1 皮帶輸送機的設計

本文采用皮帶輸送機作為小車的循環動力，包括直線分揀段和轉彎掃描段兩部分。皮帶與小車底盤通過摩擦提供動力，在小車底盤設置交叉輪，其沿著皮帶架子上的軌道滾動，實現皮帶過渡處的平穩渡過。

皮帶采用PVC材料（即聚氯乙烯，密度1.35～1.40g/cm3）。小車底盤選用45鋼。查機械設計手冊得兩者之間靜摩擦因數μs為0.45，動摩擦因數為μk為0.40。

最大靜摩擦力為

fs=μsN（1）

式中：N為正壓力， N=mg;g為重力加速度， g=9.8m/s2。

單個翻盤式小車的質量為3.15kg，快遞重量在0.2～3.5kg[7]之間，由小車的受力分析可知，小車與皮帶之間屬于靜摩擦，算得最大靜摩擦力fs為13.98～29.33N，對皮帶的摩擦力需求不高。而皮帶輸送機帶速v=0.8m/s，卷筒直徑D=32mm，驅動滾筒的圓周力（牽引力）F=300N，本設計中一條皮帶上最多3個小車同時在皮帶上，符合設計要求。

2.2 翻盤式小車的設計

翻盤式小車結構簡圖，如圖3所示。小車由分揀平臺、車門、支撐板、底座、回位彈簧、小齒輪、大齒輪、90°圓錐齒輪換向器和L型桿等組成。在分揀條件滿足時，安裝在皮帶輸送機的安裝支架上的氣缸伸出并保持，通過相對運動與L型桿相接觸，通過齒輪傳動系統打開車門，以完成分揀。

1.分揀平臺;2.車門;3.支撐板;4.底座;5.回位彈簧;6.小齒輪;7.大齒輪;8.90°圓錐齒輪換向器;9.L型軸

根據工作條件，齒輪傳動機構的齒輪取7級精度，錐齒輪選用40Cr（調質），圓柱齒輪選用45鋼（調質），采用軟齒面。設計示意圖如圖4所示，Ⅰ軸是輸入軸，試取Z1=21，Z3=61，設門板所受沖擊力為100N，軸Ⅲ的轉速為15r/min，滾動軸承傳動效率η1=0.985，圓錐齒輪傳動效率η2=0.95，圓柱齒輪傳動效率為η3=0.96，圓柱齒輪傳動比i柱=2，錐齒輪傳動比i錐=1，壓力角取20°。

小錐齒輪分度圓直徑

d1t≥34KHtT1R（1-0.5R）2u·ZHZEσH2（2）

式中：KHt=1.3; 齒輪力矩T1; 齒寬系數R=0.3; u=1; 區域系數ZH;彈性影響系數ZE;接觸疲勞強度許用應力[σH]。

錐齒輪模數

mt≥KFtT3R（1-0.5R）2Z23u2+1·YFtYsa[σF]（3）

式中：KFt=1.3;齒形系數YFt;應力修正系數Ysa。

經計算并修正之后得：齒數Z1=41，Z2=42，模數m=1.25，變位系數x1=0，x2=0，分錐角δ1=45°，δ2=45°，齒寬b1=b2=11mm。

大圓柱齒輪分度圓直徑

d1t≥32KHtT1d·u+1u·ZHZEZε[σH]2（4）

圓柱齒輪模數

mt≥32KFtT3YεdZ23·YFtYsa[σF]（5）

經計算并修正之后得：齒數Z3=81，Z4=43，模數m=0.5，變位系數x3=0，x4=0，中心距a=31mm，齒寬b1=40.5mm，b2=21.5mm。

由于翻盤式小車與外部氣缸是通過相對運動進行動作，在接觸時會產生沖擊，因此，應用ANAYS Workbench18.1軟件對沖擊過程進行顯示動力學分析。首先，將沖擊模型導入軟件中，設定推桿材料為45鋼，L型桿材料為不銹鋼。其次，通過size功能定義網格尺寸，其網格總數為85 557個。然后，進行沖擊系統分析設置，將結束時間設為0.15s，添加固定在氣缸上，再添加速度限制，整個小車速度設為1 m/s，最后求解沖擊接觸位置的等效應力與等效應變，如圖5所示。

由圖5可知，在沖擊接觸的等效應變為0.32時，沖擊的等效應力為74.201MPa，而45鋼的屈服強度為355MPa，304不銹鋼的屈服強度為205MPa，仿真結果遠小于屈服強度，滿足工作要求。

2.3 其他機械裝置設計

前端掃描裝置包括工業相機和光源兩部分，光源照射為工業相機拍攝提供基礎，工業相機安裝垂直于翻盤式小車平臺平面。翻轉裝置與固定回位軌道結構簡圖，如圖6所示。固定回位軌道將所有翻盤式小車平臺轉向外側，翻轉裝置由雙軸氣缸和過渡軌道構成，實現翻盤式小車平臺的內外側變換。分揀區域判別裝置采用光電傳感器，利用其計數原理由組態編程判斷是否是對應分揀區域的快遞。

3 PLC-組態-視覺聯合控制系統設計

本裝置的控制部分是由PLC控制系統、組態王編程以及機器視覺聯合控制實現的，它們相互配合，協同工作實現整個系統的運作[9]。機器視覺使用的HALCON軟件、上位機通信的組態王軟件和編寫PLC的GX Works2軟件安裝在工控機上，由人員進行遠程操作。

3.1 機器視覺

基于機器視覺的字符定位和識別需要對圖片進行采集和處理，所采用的識別系統如圖7所示。識別系統包括攝像機、光源、光電傳感器、圖像處理單元[10]。在HALCON軟件上運行程序，當翻盤式小車經過工業相機拍攝區域時，由光電傳感器觸發HALCON軟件程序，程序運行。

得到快遞面單圖片后，需要對圖像進行預處理，在對字符識別中采用基于形狀模板匹配下的定位，并大量地運用仿射變換和Blob分析對圖像進行識別前的預處理。目標定位的優化處理包括：對圖像進行灰度化處理降低圖像處理時間、選用中值濾波來有效抑制噪聲、定位校準減少角度偏差帶來的影響。之后采用HALCON中自帶均值和標準偏差局部閾值分割算法，實現閾值的動態調整，閾值分割后，調用算子進行特征選擇。在HALCON平臺上搭建字符定位識別流程，根據字符所提取的特征，與系統中的模板相對比，將置信度最大的值返回，以此達到識別的目的，并將提取的信息進行儲存，完成HALCON程序的一個循環。

3.2 組態王編程

本裝置利用組態王作為上位機控制程序， 在COM端連接三菱PLC設備， 通過I/O設備與PLC交換數據。設置組態王“設備”的波特率、 奇偶校驗、 數據位和停止位等參數， 在“數據詞典”中定義需要的變量， 在應用程序命令語言中用組態語言編寫程序， 并通過程序調用HALCON軟件提取的信息[11]。

具體工作過程如下：在需要分揀作業時，點擊組態王控制界面的“開始分揀”按鈕，系統開始運行，進入“分揀界面”（見圖8），當翻盤式小車經過工業相機拍攝后，由下一個光電傳感器觸發組態編程程序，提取HALCON軟件存儲的分揀信息，并對該信息進行處理，判別屬于幾號分揀區域之后，經算法程序計算給出對應分揀區域的光電傳感器的分揀數值，并判斷該分揀區域所屬的內外側信息反饋給PLC控制系統，完成組態程序的一個循環。

3.3 PLC控制系統

根據機械、電氣控制裝置的整體控制要求，對控制系統中各方面影響因素進行分析，編寫相應的PLC程序。在上位機點擊開始分揀時，通過輔助繼電器控制皮帶輸送機的啟動;利用光電傳感器的計數原理，根據組態程序反饋的計數信息，同時配合輔助繼電器、定時器的使用，實現電氣裝置動作的開關控制;通過控制對應分揀區域的電磁閥，進而控制氣動回路的開閉，選用兩位三通電磁閥控制對應氣動裝置，完成氣動推桿的伸出、保持與縮回，進而與翻盤式小車的傳動機構接觸，實現分揀。

4 現場試驗

將機械系統、氣動系統、PLC控制系統組裝完成以后，再對整體功能進行試驗驗證（現場測試圖，如圖9所示），試驗主要分為以下幾個方面：皮帶輸送機的配合啟動，氣動回路的調試，HALCON軟件、組態軟件的調試。所得實驗相關參數記錄如表1所示。

從實驗記錄可知，皮帶輸送機可實現同步啟動。翻盤式小車可以實現預定功能：①車門與氣缸配合可靠，可以正常打開車門;②小車平臺與翻轉裝置配合可靠，可實時實現平臺的翻轉。氣缸響應快，通過PLC程序可實現與小車的預定動作。HALCON軟件程序在調整參數后，運行穩定;組態程序參數調整后，界面運行流暢，響應速度快;PLC可以正常完成組態提供的動作信息。測試完成后，與現有分揀機的參數對比如表2所示。

從表2可以看出翻盤式自動分揀機在滿足分揀效率的前提下，可以大大節省設備成本以及占地面積，可以滿足三四線城市的分揀需求。

5 結論

設計一種基于PLC-組態-視覺聯合控制系統下的翻盤式自動分揀裝置，其開發成功必將為廣大的物流配送中心建設提供了一種安全可靠、空間利用率高、節能高效、適應能力強，具有廣泛的社會意義，同時也具有深遠的實際運用意義。本設計創新之處主要體現在以下幾個方面：

（1）翻盤式小車無需自帶動力源，通過相對運動實現分揀，翻盤式結構實現兩側提前傾覆，空間利用率高;

（2）小車循環動力采用皮帶輸送機，噪音小，速度快且經濟性好;

（3）采用機器視覺技術，通過HALCON軟件編程，提取關鍵分揀信息交由組態處理，組態通過PLC控制氣動回路實現動作，效率高，通用性好，可實現目前市場前端掃描的統一。

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（責任編輯：李 麗，范 君）