單開門分揀小車及分揀系統的設計與應用

文 / 丁澤新

一、概述

在我國快遞物流分揀領域，大多數郵件處理中心都投入使用了交叉帶、模組帶、擺輪等自動化分揀設備，但在處理電商類小包時，現有設備則存在著效率優勢不明顯、分揀準確率低、占地面積大等突出問題，迫切需要一種新的電商類小包分揀系統。

針對此需求，本文通過自主創新，研究設計了一種單開門分揀小車及分揀系統，主要應用于電商類小包的高速分揀（包裹尺寸：50mm≤最 長 邊L≤200mm，50mm≤次 長 邊B≤200mm，50mm≤高H≤200mm；包裹重量：0.01kg≤W≤5kg）。如圖1所示，該系統主要由單開門分揀小車、落包機構、復位裝置、雙側格口、驅動系統等組成。

圖1 單開門分揀小車及分揀系統俯視圖

二、技術方案

1.分揀小車技術方案

國內外單開門分揀小車通常采用單盤結構（圖2），設備分揀效率及場地利用率低。本項目的單開門分揀小車為一車多盤結構（典型的如一車四盤結構），且分揀小車的多個托盤是相互獨立的，每個托盤上均可放置一件快件，結構緊湊，使效率得到成倍提高。

圖2 單盤結構

單開門分揀小車主要由內外側支架、托盤、鎖止機構、緩沖裝置組成（圖3），其中1為外側支架； 2、3、7、8為托盤；4為內側支架；5、6、9、10為鎖止機構。單開門分揀系統分揀小車獨創的一車多盤結構，使“低速供件、高效分揀”在實際中得以實現，非常適用于電商類小包的自動分揀。

圖3 單開門分揀小車俯視圖

（1）內外側支架

內、外側支架支撐起分揀小車的其他部件，內側支架上安裝有行走輪和水平輪，水平輪與導軌的兩側緣相接觸，主要起導向作用；外側支架上僅安裝有行走輪（圖4）。內、外側支架通過兩根轉軸和兩條擋板（序號11、序號18）連接在一起。托盤繞轉軸做旋轉運動，擋板可避免托盤上的包裹在運輸過程中，尤其是轉彎時，從托盤上滑落。連桿（序號13）用于將相鄰分揀小車連接在一起，摩擦板（序號16）在驅動裝置的夾持下推動小車前進。

圖4 單開門分揀小車軸測圖

（2）鎖止機構

鎖止機構主要由擺桿、擺桿滾輪、扭簧組成（圖5）。本例中以外側鎖止機構為例進行說明，內側鎖止與之相反。扭簧始終使擺桿具有順時針旋轉的趨勢。托盤的鎖閉過程見圖6，當托盤翻轉到一定角度時，托盤上的斜推塊和擺桿滾輪接觸；隨著托盤的翻轉，斜推塊同時將擺桿推開，當托盤達到水平狀態時，擺桿滾輪此時和斜推塊的接觸面剛好脫離，在扭簧的作用下，擺桿旋轉至托盤底面，將托盤鎖住。這種斜面頂推設計，結構更為簡單，從根本上解決了上一代產品存在的推桿鎖定不可靠的問題。

圖5 外側鎖止機構示意圖

圖6 托盤鎖閉過程示意圖

（3）緩沖裝置

緩沖裝置主要由固定在內外側支架上的緩沖塊組成，其作用是降低小車開門時的噪聲，且托盤回彈盡可能小（圖7）。托盤打開接近90°時，托盤側邊和緩沖塊側邊接觸，緩沖塊和托盤接觸面為一斜面，隨著托盤的擺動，緩沖塊和托盤接觸面之間的間隙越來越小，從而通過相互之間的擠壓力將托盤平穩停住，避免托盤回彈對落件軌跡的影響。

圖7 緩沖裝置示意圖

2.卸載和復位機構技術方案

卸載機構可根據控制信號將包裹落入指定的格口滑槽內，保證包裹與格口信息一致。其主要由落包滾輪、氣缸、氣缸支架組成，見圖8（圖中箭頭方向為小車運動方向）。氣缸支架固定在機架上，氣缸豎直固定在氣缸支架上，落包滾輪通過螺紋連接與氣缸相連。當包裹到達指定存放部時，氣缸活塞桿縮回，落包滾輪將分揀小車的擺桿推開一定角度，釋放托盤，包裹在重力作用下落入指定存放部。

圖8 卸載機構示意圖

本設計有兩個優點 ：一是落包時，落包滾輪和擺桿之間為滾動摩擦，工作噪聲小；二是氣缸活塞桿最小行程時與擺桿接觸，氣缸活塞桿懸臂小，活塞支點間距最大，氣缸受力此時最佳。

復位裝置用于將小車托盤置于開始位置。整個復位軌道采用順向復位的設計，即復位軌道設置在分揀小車下方，且復位軌道沿小車運行方向逐漸抬高，這保證了小車復位的可靠性和平穩性。復位裝置由鋁型材按設計曲線彎制而成，鋁型材工作面可覆上橡膠等柔軟材質。復位過程中，托盤和復位軌道上表面接觸，沿著復位軌道預設的軌跡，最終完成復位動作，見圖9（圖中箭頭方向為小車運動方向）。需要說明的是，在復位軌道的最高點，有一段水平段，其目的是給擺桿回位留有充分時間，進一步保證復位的可靠性。

圖9 復位過程示意圖

由于卸載和復位機構采用純機械結構設計，整套設備除主驅動外無額外能耗。同規模同驅動方式條件下，交叉帶分揀機每百米主機能耗為3kw，而單開門分揀系統僅需2.2kw，能耗降低25%以上。

3.滑槽格口技術方案

單開門分揀系統的滑槽為雙側格口，可在占地面積幾乎不變的條件下，使設備的格口路向實現翻倍。雙側格口主要由上部滑板、中間翻轉板、底板、撐袋架、翻轉執行機構組成（圖10），其顯著特征為快件可雙向落件，即快件可向外側或內側郵袋內落件。上部滑板可有效降低外側小車托盤向外側格口或內側小車托盤向內側格口落件時的高差，降低包件破損率。翻轉執行機構根據快件的路向調整中間翻轉板的位置，控制快件落向外側或內側，從而達到雙向落格的目的。翻轉執行機構可為氣缸驅動或電機驅動。中間翻轉板的轉軸在中間位置，翻轉執行機構受力好。撐袋架撐起郵袋袋口，便于快件自動滑進郵袋內。

圖10 滑槽格口示意圖

4.驅動系統技術方案

驅動裝置采用摩擦驅動的方式，取代了傳統的橡膠鏈驅動方式，布局更加靈活，其主要由驅動電機、電機帶輪、掛膠驅動輪、雙面齒形帶、張緊帶輪、拉簧、固定板、擺動板組成（圖11）。驅動電機通過雙面齒形帶驅動掛膠驅動輪轉動，兩個掛膠驅動輪運轉方向相反，在拉簧的作用下，擺動板可向固定板靠近，從而使兩個掛膠驅動輪能夠以一定的夾持力驅動摩擦板（圖4）前進，因摩擦板和單開門分揀小車固連，因此分揀小車得以繞軌道循環運行。

圖11 驅動裝置原理圖

三、成果推廣應用情況

單開門分揀系統具有分揀效率和準確率高、包件破損率低等特點，在為快遞公司創造效益的同時，也使快遞用戶的滿意度顯著提升，是電商類小包分揀的一種更優選擇。本成果在2020年8月與印尼客戶達成銷售合同，并于2021年12月通過設備終驗收，從投產至今已累計分揀快件達1.03億件（實物及現場圖見圖12、圖13）。

圖12 單開門分揀小車實物照片

圖13 現場生產照片

四、總結

針對常規自動化分揀設備在處理電商類小包時存在的效率和分揀準確率低、設備占地面積大等痛點，本文設計開發了一款單開門分揀小車及其分揀系統，其主要特點有：

1.單開門分揀小車為一車四盤結構，且分揀小車的多個托盤是相互獨立的，每個托盤上均可放置一件快件，為國內首創。在主線速度1.0米/秒、單端供件的條件下，機械效率可高達20571件/小時，是同配置下交叉帶分揀機等常規自動化分揀設備效率的1.5倍以上。

2.單開門分揀小車托盤閉合時，四周均有擋邊，且落件時靠包件自重下落，因此分揀準確率可達99.99%以上。

3.采用動態雙側格口設計，增加了快件的分揀路向，格口路向是同規格單側格口路向的兩倍，分揀顆粒度更高。

4.雙側格口采用蹺蹺板式結構，可有效降低外側小車托盤向外側格口或內側小車托盤向內側格口落件時的高差，快件落件軌跡更加平順，包件破損率更低。

5.系統采用摩擦驅動的方式，更加節能環保。

本文通過對單開門分揀小車及分揀系統的研究設計，形成了一種新的物流分揀設備，豐富了電商類小包分揀的設備選型。