肖耘亞，王麗麗，李桂彬，謝馬軍，林耿升

（韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣東韶關(guān)512005）

基于片區(qū)快件派收的立體倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)

肖耘亞，王麗麗，李桂彬，謝馬軍，林耿升

（韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣東韶關(guān)512005）

為解決片區(qū)內(nèi)快件派收過(guò)程中快件雜亂無(wú)序、派收效率低、易丟件等弊端，設(shè)計(jì)了用于片區(qū)快件派收的立體倉(cāng)庫(kù)，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)快件在立體倉(cāng)庫(kù)回轉(zhuǎn)月牙機(jī)構(gòu)做圓周運(yùn)動(dòng)，通過(guò)檢測(cè)裝置，結(jié)合分布式離合機(jī)構(gòu)、升降臺(tái)機(jī)構(gòu)、推拉機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)指定快件的快速、高效存?。豢旒娣庞谙鄳?yīng)月牙盤(pán)，避免快件堆放雜亂無(wú)序；全密封式的儲(chǔ)物箱體配備密碼鎖，保證快件存放的安全性.該設(shè)計(jì)為快遞員減輕工作量，避免丟件，實(shí)現(xiàn)片區(qū)快件高效、有序、安全派收.

快件派收；立體倉(cāng)庫(kù)；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

近年來(lái)物流行業(yè)呈高速發(fā)展?fàn)顟B(tài)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年我國(guó)快遞年業(yè)務(wù)量超過(guò)300億件，同比增長(zhǎng)51.7%，穩(wěn)居世界第一［1］.快件在派收過(guò)程中可劃分為城際、城區(qū)、片區(qū)三個(gè)層級(jí)，快遞員所承擔(dān)的片區(qū)派收是快遞行業(yè)的基石和瓶頸.在快遞員的派收工作中，普遍采用三輪電動(dòng)車作為運(yùn)載工具，由于其車廂箱體結(jié)構(gòu)單一，容積有限，無(wú)法做到快件的合理分配，造成快件堆放雜亂無(wú)序，信息混亂，派件效率低；敞蓬式車廂在顛簸路段或通過(guò)減速帶時(shí)易丟件，車廂不能上鎖，在快遞員離開(kāi)電動(dòng)車去送件時(shí)也存在安全隱患，使快遞員承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)很大.為有效解決快件派收過(guò)程中存在的存放雜亂、效率低、易丟件等問(wèn)題，開(kāi)展用于片區(qū)快件派收的立體倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)很有必要.

1 設(shè)計(jì)思路

立體倉(cāng)庫(kù)是指采用多層貨架，在不直接進(jìn)行人工處理的情況下，能夠智能地存儲(chǔ)和取出物料的系統(tǒng).通常由存儲(chǔ)系統(tǒng)、搬運(yùn)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成.其中涉及到的機(jī)械裝置包括多層貨架、托盤(pán)、安全保護(hù)裝置、輸送機(jī)等［2］.

用于片區(qū)快件派收的立體倉(cāng)庫(kù)的設(shè)計(jì)思路是：采用雙層貨架，在每層貨架上采用回轉(zhuǎn)月牙機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快件存放與同層間的搬運(yùn)，采用升降臺(tái)機(jī)構(gòu)結(jié)合推拉機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快件在多層貨架間的存取和搬運(yùn)；以直流電機(jī)為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)，采用分布式離合機(jī)構(gòu)結(jié)合傳感檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)電磁離合的通斷來(lái)控制不同機(jī)構(gòu)的運(yùn)作，通過(guò)四個(gè)機(jī)構(gòu)結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)快件快速、便捷地存取.

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

片區(qū)快件派收的立體倉(cāng)庫(kù)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，主要由箱體、帶離合控制的傳動(dòng)系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)月牙機(jī)構(gòu)、升降臺(tái)機(jī)構(gòu)、推拉機(jī)構(gòu)等組成.箱體由方形鋁型材構(gòu)成骨架，包括立柱和橫梁，作為立體倉(cāng)庫(kù)的基礎(chǔ)件以支撐其他機(jī)構(gòu).骨架外部蒙皮構(gòu)成全密封的箱體，以保證快遞件在運(yùn)送過(guò)程中的安全性［3］.

2.1 帶離合控制的傳動(dòng)系統(tǒng)

立體倉(cāng)庫(kù)的傳動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、錐齒輪、直齒輪、電磁離合器和傳動(dòng)軸構(gòu)成（見(jiàn)圖2）.主動(dòng)軸I軸通過(guò)聯(lián)軸器與直流電機(jī)聯(lián)接，II軸為中間軸，III、IV、V軸為輸出軸，III、IV軸上安裝有一、二層回轉(zhuǎn)月牙機(jī)構(gòu)的主動(dòng)鏈輪，V軸上安裝有升降臺(tái)機(jī)構(gòu)的主動(dòng)吊輪.啟動(dòng)直流電機(jī)，電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)I軸旋轉(zhuǎn)，通過(guò)齒輪Z1、Z2傳動(dòng)到Ⅱ軸，Z3、Z5、Z7為Ⅱ軸上的固定齒輪，分別驅(qū)動(dòng)空套齒輪Z4、Z6、Z8，各軸的運(yùn)動(dòng)輸出則由電磁離合器M1、M2、M3的開(kāi)合狀態(tài)來(lái)控制.通過(guò)各電磁離合器的通斷電來(lái)控制相應(yīng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)作，與三個(gè)機(jī)構(gòu)結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)快件快速、便捷存取.

圖1 片區(qū)快件派收的立體倉(cāng)庫(kù)結(jié)構(gòu)

圖2 立體倉(cāng)庫(kù)的傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2.2 回轉(zhuǎn)月牙機(jī)構(gòu)

回轉(zhuǎn)月牙機(jī)構(gòu)由單邊帶耳式鏈條、帶磁鐵的多個(gè)月牙盤(pán)和鏈輪組成（見(jiàn)圖3）.月牙盤(pán)采用特殊的月牙形設(shè)計(jì)，鏈條帶動(dòng)月牙盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，月牙盤(pán)外圓弧面繞相鄰月牙盤(pán)內(nèi)圓弧面發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)，相鄰多塊月牙盤(pán)外緣形成類圓形繞過(guò)箱體的窄邊拐角處，避免機(jī)構(gòu)在做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與箱體觸碰，發(fā)生卡死現(xiàn)象.這樣，通過(guò)銷釘連接將月牙盤(pán)與鏈條結(jié)合在一起形成一種可回轉(zhuǎn)的移動(dòng)式存儲(chǔ)箱.磁鐵鑲嵌在月牙盤(pán)上的磁鐵槽中，霍爾感應(yīng)元件可感應(yīng)月牙盤(pán)上磁鐵，將其置于倉(cāng)庫(kù)取件口上方，可對(duì)月牙盤(pán)上快件的位置賦予相應(yīng)數(shù)字以確定立體倉(cāng)庫(kù)內(nèi)快件位置，借助另行開(kāi)發(fā)的APP應(yīng)用輸入指令，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)快件的定位與存取.

圖3 回轉(zhuǎn)月牙機(jī)構(gòu)

圖4 升降臺(tái)機(jī)構(gòu)

2.3 升降臺(tái)機(jī)構(gòu)

升降臺(tái)采用單柱式結(jié)構(gòu)，由吊輪、吊繩、載物臺(tái)、直線導(dǎo)軌、立柱四部分組成（見(jiàn)圖4）.立柱與箱體底部連接，起支撐作用.直線導(dǎo)軌安裝在立柱兩側(cè)，與載物臺(tái)相連接，起導(dǎo)向作用.升降臺(tái)機(jī)構(gòu)中的吊輪有兩個(gè)，主動(dòng)吊輪固定在V軸上，另一個(gè)吊輪相當(dāng)于滑輪，安裝在立柱頂端，內(nèi)有軸承.吊繩一端連在主動(dòng)吊輪，繞過(guò)滑輪后，另一端連在載物臺(tái)上.通過(guò)吊輪圈揚(yáng)吊繩牽引載物臺(tái)升降，實(shí)現(xiàn)快件在二層貨架與底層取物窗之間的升降運(yùn)動(dòng).

2.4 推拉機(jī)構(gòu)

推拉機(jī)構(gòu)由機(jī)座、直流推桿電機(jī)、聯(lián)軸器和推板組成（見(jiàn)圖5）.直流推桿電機(jī)作為動(dòng)力源，利用該電機(jī)可將圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的特性，通過(guò)聯(lián)軸器將推板直接推拉.推板槽口的長(zhǎng)度、高度尺寸略大于月牙盤(pán)的相關(guān)尺寸，回轉(zhuǎn)月牙機(jī)構(gòu)帶動(dòng)快件可在推板槽口內(nèi)自由運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)快件到達(dá)取物口位置時(shí)，電機(jī)通電，將快件推至載物臺(tái)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)快件在貨架與載物臺(tái)之間的交換，反之亦然.

3 運(yùn)行控制

立體倉(cāng)庫(kù)存取快件的工作過(guò)程是：存件時(shí)，快件置于升降臺(tái)機(jī)構(gòu)的載物臺(tái)上，選取目標(biāo)儲(chǔ)物地址（含所在層數(shù)和儲(chǔ)物位置），該層貨架目標(biāo)儲(chǔ)物格在回轉(zhuǎn)月牙機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下定位到推拉位置，推拉機(jī)構(gòu)推出（常態(tài)為收回狀態(tài)），然后升降臺(tái)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)載物臺(tái)及其上面的快件提升到相應(yīng)貨架，推拉機(jī)構(gòu)收回，即將快件存放到目標(biāo)位置；取件時(shí)，先選取目標(biāo)儲(chǔ)物地址，回轉(zhuǎn)月牙機(jī)構(gòu)開(kāi)始回轉(zhuǎn)，與此同時(shí)升降臺(tái)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)載物臺(tái)提升到相應(yīng)貨架等待載貨，在目標(biāo)快件到達(dá)推拉位置后，推拉機(jī)構(gòu)將快件推出到載物臺(tái)上，升降臺(tái)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)載物臺(tái)下降到取物窗，等快遞沒(méi)將快件取出后，推拉機(jī)構(gòu)收回.

該過(guò)程由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制.控制系統(tǒng)以80C51單片機(jī)為核心，系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖6.系統(tǒng)通過(guò)霍爾傳感器對(duì)裝在各月牙盤(pán)上的銜鐵進(jìn)行順讀、逆讀的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)物格的直接尋址，通過(guò)限位開(kāi)關(guān)檢測(cè)升降機(jī)構(gòu)、推拉機(jī)構(gòu)的位置，通過(guò)串口通訊RxD、TxD實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)（手機(jī)）的通信.系統(tǒng)在接收到上位機(jī)發(fā)出的存/取件信號(hào)后，以霍爾傳感器和限位開(kāi)關(guān)對(duì)立體倉(cāng)庫(kù)當(dāng)前的狀態(tài)和位置進(jìn)行檢測(cè)，其結(jié)果輸入80C51單片機(jī)，經(jīng)運(yùn)算、分析處理后，發(fā)布運(yùn)行指令，采用PWM技術(shù)對(duì)直流電機(jī)的運(yùn)行方向和速度進(jìn)行控制并經(jīng)由直流伺服模塊對(duì)電機(jī)進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng)，通過(guò)繼電器控制電機(jī)通/斷電狀態(tài)和電磁離合器開(kāi)/合狀態(tài)，傳動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)始工作，其運(yùn)行結(jié)果同時(shí)通過(guò)霍爾傳感器和限位開(kāi)關(guān)的檢測(cè)進(jìn)行反饋，在自動(dòng)完成相關(guān)存/取件工作后系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)為待機(jī)狀態(tài)，等待下一個(gè)工作循環(huán).

圖5 推拉機(jī)構(gòu)

圖6 控制系統(tǒng)框圖

4 模型制作與應(yīng)用示例

為驗(yàn)證立體倉(cāng)庫(kù)的運(yùn)行實(shí)效，制作了立體倉(cāng)庫(kù)模型（見(jiàn)圖7）.廂體由鋁管和PVC板構(gòu)成，月牙盤(pán)采用3D打印技術(shù)制作，外購(gòu)了直流減速電機(jī)、電磁離合器、霍爾感應(yīng)元件、單耳式鏈條和鏈輪、光軸、塑料齒輪、軸承、聯(lián)軸器等，裝配成立體倉(cāng)庫(kù)的機(jī)械本體；控制系統(tǒng)以80C51單片機(jī)為核心，自制了電路板，并編寫(xiě)了相應(yīng)控制程序.該模型運(yùn)行順暢，月牙機(jī)構(gòu)巧妙地避免了快件回轉(zhuǎn)時(shí)的空間干涉，存/取件地址識(shí)別穩(wěn)定可靠，單件存/取最長(zhǎng)耗時(shí)約30 s，實(shí)現(xiàn)了快件的安全、穩(wěn)定、高效自動(dòng)存取.

應(yīng)用示例：見(jiàn)圖8，以型號(hào)為RQ161129的電動(dòng)三輪車為底盤(pán)，可將立體倉(cāng)庫(kù)（箱體尺寸：160 cm×110 cm×160cm）直接放置在該電動(dòng)車的車廂內(nèi)，也可拆除原車廂，將立體倉(cāng)庫(kù)與該車底盤(pán)用螺栓連接（見(jiàn)圖8），即構(gòu)成具有自動(dòng)存取件功能的新型快件運(yùn)載工具，實(shí)現(xiàn)快遞員在片區(qū)內(nèi)高效、有序、安全地派收快件.改變立體倉(cāng)庫(kù)箱體的尺寸規(guī)格，就可滿足不同型號(hào)電動(dòng)三輪車的實(shí)際需要，擴(kuò)大本設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍（見(jiàn)圖8）.

圖7 實(shí)物模型照片

5 結(jié)語(yǔ)

片區(qū)快件派收的立體倉(cāng)庫(kù)機(jī)械結(jié)構(gòu)巧妙，通過(guò)獨(dú)特的分布式電磁離合控制實(shí)現(xiàn)對(duì)雙層回轉(zhuǎn)月牙機(jī)構(gòu)、升降臺(tái)機(jī)構(gòu)、推拉機(jī)構(gòu)的運(yùn)行順序控制，借助傳感器對(duì)指定快件識(shí)別，進(jìn)行高效快速存取，隔間式月牙盤(pán)使快件存放有序并可避免干涉，全封閉的廂體結(jié)合電子密碼鎖有效提高了快件派收的安全性.相較于傳統(tǒng)的敞蓬式快遞三輪車，切實(shí)解決了快件堆放雜亂無(wú)序，分件時(shí)間久，派件效率低、易丟件等難題，能有效降低快遞員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高其工作效率，使快件在運(yùn)輸過(guò)程中的安全性得到保障.該設(shè)計(jì)切合當(dāng)下快遞行業(yè)迅猛發(fā)展的實(shí)際需要，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景.

圖8 應(yīng)用示例

［1］佚名.2016我國(guó)快遞突破300億件[EB/OL].（2017-01-06）[2017-04-20].http://news.cctv.com/2017/01/06/ARTIT7JTWP7KdqjZNFK v64LN170106.shtml.

［2］濮良貴，陳國(guó)定，吳立言.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].9版.北京：高等教育出版社，2013.

［3］肖耘亞,謝馬軍,林耿升,等.一種快件智能派收系統(tǒng):中國(guó),ZL201610298319.6[P].2016-05-09.

［4］關(guān)慧貞.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)[M].4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

A Design of Stereoscopic Warehouse for Area Express Dispatch

XIAO Yun-ya，WANG Li-li，LI Gui-bin，XIE Ma-jun，LIN Geng-sheng
（Institute of Physics and Mechanical&Electrical Engineering，Shaoguan University，Shaoguan 512005，Guangdong，China）

To solve the shortcomings of express disorders,low efficiency and poor security in area express during express delivery,we design a tiered warehouse facility for it.Combined with distributed-clutch mechanism,lifting?-mechanism and push-pull mechanism,the motor drives the express in circular motion in the warehouse by the crescent rotary mechanism.So that we can make it to achieve the fast,efficient and accurate extraction of specified express.We can store the express in the corresponding crescent plate to avoid the messy express and to keep the express in order.Besides,to ensure the security,we equip the storage box in the express delivery car with electronic locks.This can help to save a lot of work and it can avoid the risk of losing.It may also create the conditions for efficient,orderly and safe delivery in area express.

express delivery；tiered warehouse facility；institutional design

TP23

A

1007-5348（2017）09-0042-04

2017-02-02

國(guó)家級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃建設(shè)項(xiàng)目（201610576002）；"攀登計(jì)劃"廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)（Pdih2016b0454）.

肖耘亞（1971-），男，湖南耒陽(yáng)人，韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院副教授，博士；研究方向：機(jī)械制造自動(dòng)化.

（責(zé)任編輯：李 婉）