文/白振成

一、供包系統(tǒng)簡述

供包系統(tǒng)，是由若干供包機按一定規(guī)則組合而成、具有包裹供給導入至分揀小車上功能的交叉帶式分揀機的子系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對包裹進行各種物理參數(shù)自動測量計算，精準地將包裹送入處于高速移動中的分揀小車皮帶中心處，實現(xiàn)上包功能。為了匹配分揀機的高效，常常需要配備一定數(shù)量的半自動供包機或自動供包機組合運用，如圖1所示，以保證分揀的包裹流量需要。

供包機的形式，一般可分為半自動供包機和自動供包機，其中自動供包機采用多段式，上游輸送系統(tǒng)將待供包分揀的包裹，按一定的速度和間距成隊列輸送運載至自動供包機導向段，并實施物品的自動供包作業(yè)。

1.供包機的基本組成

供包機通常由導向段、收集段、調(diào)速段、上載段幾部分組成，如圖2所示，其中導向段用于與上游輸送系統(tǒng)對接，且承載上游供給過來的包裹，并具有一定的拉距整位功能。

在供包過程中，包裹經(jīng)導向段輸入至收集段，在通過光幕區(qū)域時進行包裹長寬檢測，并計算包裹在皮帶機上的相對外形尺寸，在調(diào)速區(qū)域內(nèi)經(jīng)過供包控制系統(tǒng)與主控制系統(tǒng)對接，來提前分配某一個空閑的分揀小車進行該包裹的供包承載，同時通過光電檢測，使前后相鄰之間保持一定間距，均衡地進入上載段，確保包裹由上載段進入到分揀主機時與其速度同步。

圖1 供包系統(tǒng)方案布局示意圖

圖2 供包機的基本組成示意圖

其中調(diào)速段是間歇運轉(zhuǎn)或調(diào)速運轉(zhuǎn)，作用是保證貨物流的最小間距，由速度傳感器將輸送機的實際帶速反饋到控制器，進行隨機調(diào)整，并將速度調(diào)整后的包裹無縫輸送至上載段，這是高速上包成敗的關(guān)鍵。

2.供包基本流程

當系統(tǒng)啟動之后，主控檢測有無故障，若無則啟動供包流程，當包裹進入光幕后，光幕會輸出信號給PLC，系統(tǒng)自動計算出包裹的長、寬、中心點到供包機短邊的距離、目標上包點，判斷包裹的尺寸大小是單托盤、雙托盤，還是超出允許供包的最大尺寸。系統(tǒng)進行同步信號處理讀取頭號小車和比特車，記錄同步偏差時間，同時計算要供包的小車到供包點的時間、供包機皮帶的速度、改變速度的時間、小車等待時間，并把此數(shù)據(jù)發(fā)給主控來計算及控制供包機皮帶速度和小車的轉(zhuǎn)動時間，完成供包。具體供包流程，如圖3所示。

二、自動供包機優(yōu)化方案設(shè)計

自動供包的核心，在于盡量提高供包效率且確保包裹上包的準確性，即包裹中心基本與小車托盤中心重合。

要保證供包的準確性，首先要保證包裹數(shù)據(jù)如長度、寬度、中心偏移量的測量準確性，因為皮帶的加速策略都跟這些數(shù)據(jù)密切相關(guān)，同時要確保皮帶的速度、加速度準確地達到設(shè)定值，由于包裹上到小車上的位置允許誤差（包裹中心與小車中心）必須小于100mm，即時間誤差要控制在50ms以內(nèi)，因此對于變頻器的響應(yīng)延遲時間也要考慮在內(nèi)，與加速有關(guān)的定時器也要盡量選用高精度的，而發(fā)送給主控制器的小車電機運行參數(shù)的計算也對供包準確性有很大影響，同時要考慮包裹在皮帶上運行過程中不能打滑，皮帶的加減速控制在一定范圍內(nèi)。

圖3 典型的自動供包機供包基本流程

圖4 自動供包機功能區(qū)域劃分示意圖

圖5 小車速度與環(huán)線速度比例示意圖

圖6 包裹供包及小車接包過程

圖7 包裹的摩擦力示意圖

要提高供包的效率，就要使包裹在供包過程中盡量不影響前后包裹，包裹間的間隔要控制在一定范圍內(nèi)，因此皮帶速度的加速策略、分配小車號策略對供包效率起著關(guān)鍵作用。

1.供包機功能區(qū)劃分及優(yōu)化構(gòu)思

為便于分析，降低復雜度，將供包機在物理上分成三塊區(qū)域，如圖4所示。

區(qū)域A：上載段，此段區(qū)域皮帶機為窄帶皮帶機，供包機與環(huán)線的夾角在此段體現(xiàn)，通常這一段皮帶的速度是定速。

區(qū)域B：調(diào)速段，由若干段皮帶組成，光幕到上載段之間的區(qū)域，在此區(qū)域段進行小車號的分配以及皮帶速度調(diào)整使供包時間匹配，對不同情況有不同運動策略，包裹在到達上載段時速度和上載段速度一致。

區(qū)域C：收集段，從供包線到光幕之間的區(qū)域，這一段主要作用是使包裹勻速通過光幕并且包裹之間保持一定距離。

優(yōu)化的方向：從供包機的結(jié)構(gòu)及區(qū)域分析可以看出，區(qū)域B是供包機優(yōu)化的主要區(qū)域，采用什么樣的運動控制策略將是重點研究內(nèi)容。

2.供包過程中各關(guān)鍵要素分析

（1）供包速度適配及過程參數(shù)計算

如圖5所示，為保證供包過程中不發(fā)生偏移，環(huán)線按恒定速度運行，包裹中心在上小車中心的過程中要確保不發(fā)生位置錯位，這時包裹在皮帶機上的速度等于環(huán)線速度和小車速度的合速度，因皮帶機和環(huán)線的夾角是固定的，故以環(huán)線速度為基準推算皮帶機供包速度 和小車接貨速度 。

式（1）中：

環(huán)線運行速度是供包速度和小車運行速度的基礎(chǔ)參照標準，呈線性關(guān)系，斜率由供包機與環(huán)線夾角決定。夾角越小，上載段對應(yīng)的速度越小，包裹在供包機上的速度變化幅度越小。

如圖6所示，計算包裹供包機小車接包過程中的各參數(shù)。

式（2）中：

式（4）中：

進一步分析大包裹對接包過程的影響：假設(shè)包裹是勻質(zhì)并且跟小車皮帶和上載段皮帶完全接觸，摩擦系數(shù)一致。如圖7所示，小車皮帶在包裹中心距離小車中心處減速，上載段速度不變。

式（5）和（6）中：

圖8 包裹尺寸示意圖

圖9 小包裹理想上車位置示意圖

圖10 包裹中心點對供包過程影響

圖11 包裹偏移對上包過程影響

圖12 減速段示意圖

圖13 包裹上包基準坐標示意圖

式（10）中：

要保證包裹在供包過程中不碰到供包機護欄，那么上載段皮帶的寬度不僅與包裹的寬度有關(guān)，與包裹的長度以及環(huán)線的夾角都有關(guān)系。夾角越小對應(yīng)的上載段皮帶要越寬。小車皮帶的長度，取決于包裹長度、環(huán)線速度、供包機與環(huán)線夾角、小車皮帶摩擦系數(shù)。通過以上分析可以看出，包裹中心從上載段到停止在小車中心，這一段過程的時間和運動策略可以作為一個固定時間和方式來進行。

（2）包裹的尺寸測量

包裹的尺寸在供包過程中分實際尺寸和測量尺寸，如圖8所示，供包過程中用的包裹尺寸數(shù)值是經(jīng)過光幕測量的數(shù)據(jù)，實際寬度為，實際寬度為。其中，測量長度和測量寬度是在供包機坐標下的測量值，投影到環(huán)線小車坐標系成為實際長度和實際寬度。

大多數(shù)包裹的俯視圖是矩形，實際值與測量值的關(guān)系建立方程組：

式（11）中：

（3）供包位置偏移分析

包裹的理想上車位置如圖9所示，小包裹的理想上貨位置是小車中心線，忽略曲線段，這一段不同規(guī)格包裹接包過程的總時間基本相同，這一段對供包過程影響不大。

包裹中心點對供包過程的影響：包裹經(jīng)過光幕時，如圖10所示，得到兩個數(shù)值，測量長度和測量寬度，這時能得到包裹中心位置、包裹中心在長度方向的位置偏移和寬度方向的位置偏移

包裹上包目標點如圖11所示，包裹在經(jīng)過光幕后會計算出包裹的中心位置，包裹在供包機上直線運動，包裹要到達的位置是這條直線與環(huán)線小車中心線相交的點，這個點是目標點。圖11中有三個不同顏色的包裹，初始位置不同，理想運動軌跡也不同。其中紅色的線是包裹中心寬度方向的偏移量為零；綠色的線是中心偏移量為負值，因為配對的小車運動到綠色軌跡線目標點比紅色軌跡線目標點所需時間要少；藍色的線是中心偏移量為正值，因為配對的小車運動到藍色軌跡線目標點比紅色軌跡線目標點所需時間要多。

（4）調(diào)速段長度計算

考慮實際應(yīng)用，包裹在供包過程中不能持續(xù)監(jiān)控位置。所以要達到比較精確的控制，包裹不能在皮帶上打滑，即包裹在運行過程中的加減速產(chǎn)生的力，不能大于摩擦力。皮帶材質(zhì)是橡膠，包裹材質(zhì)多為紙和塑料，因為橡膠材質(zhì)和包裹材質(zhì)多種多樣，摩擦系數(shù)大約在

包裹在實際供包過程中，存在包裹停在上包段上以等待空車接貨的情況，過程中存在減速及加速過程，故此情況下的上包段長度理論值最長。

最小加速段，如圖12所示，因為包裹在整個上包過程中都要受控，最小加速段的含義是最大的包裹從速度為零的時刻加速到最高速，達到最高速度時包裹的邊緣正好碰到上載段邊緣。

最小減速段是指包裹過了光幕后立刻減速，直至速度減到0的情況。包裹經(jīng)過光幕的速度跟測量精度和掃描周期相關(guān)，本文設(shè)定包裹經(jīng)過光幕的速度為1m/s。同理能計算

3.供包運動控制策略

（1）運動控制基準坐標

要計算上包過程，首先要確定基準坐標，基準坐標如圖13所示，基準坐標有兩個要素，光幕中心點到目標點的距離頭車信號點到目標點的距離光幕中心到目標點可分為三個過程，包裹在上載段到小車上的過程，包裹在上載段上的過程，包裹從光幕到在上載段的過程。前兩個過程可認為是定值，因為上載段速度固定，包裹以固定速度運行到小車上，所以供包機供包模型的計算重點在上包段控制過程。頭車信號點到目標點的距離也是固定的，上包過程中關(guān)于配對時間的計算主要是計算目標小車位置，這個要加上包裹偏移對小車位置的影響。

（2）控制策略的原則及方案

包裹在供包過程中主要考慮的因素有供包效率、供包精度。供包精度的影響因素很多，其中軟件與硬件的控制誤差是比較關(guān)鍵一環(huán)，控制過程中PLC發(fā)給電機的指令次數(shù)和頻率變化越少越好，因為供包過程不是閉環(huán)控制過程，每次PLC發(fā)指令給電機會有一定的時間誤差。決定供包效率的關(guān)鍵是包裹與包裹之間銜接時間最短，包裹在受控情況下停止位置離環(huán)線越短越好。運動控制中有幾個要素：時間、距離、速度。這些要素都跟時間相關(guān)，在PLC運算過程中應(yīng)該以時間控制作為基準。比如測量包裹長度，就是在1m/s（經(jīng)過光幕的速度）的速度下經(jīng)過了多長時間，所有的控制過程可以簡化為某種狀態(tài)持續(xù)多長時間。

供包控制策略的原則，就是在包裹經(jīng)過光幕時計算適配小車到目標點的時間，選定目標小車，根據(jù)目標小車到上包目標點的時間來確定包裹在上包臺上的運動策略，通過控制皮帶的運動策略來完成上包控制。

在供包過程中，包裹在供包機上過了光幕后有三種運動情況，一是過光幕后加速運動至上包點，二是過光幕后先減速等待目標小車再加速運動至上包點，三是過光幕后減速停止，等待空余小車到位后再加速至上包點，基于三種運動情況下的供包控制策略則必須為一種結(jié)合三種子模式的混合控制策略。

三、小結(jié)

通過對包裹供包過程中各種影響因素的計算分析，可知供包機上載段的速度取決于環(huán)線速度和供包機與環(huán)線的夾角，夾角越小越利于上包控制和效率，但是對應(yīng)的上載段也越長，在環(huán)線速度較低時夾角可適量放大。包裹在皮帶上的位置對上包過程影響比較大，特別是在夾角比較小的情況下，供包機需要在上包過程中測量包裹的偏移量。

通過對控制策略模式進行分析，可知包裹的過光幕時的初速、上包速度的終速是影響運動策略中時間分配的主要因素，后續(xù)可基于此模型進行動態(tài)仿真進行進一步細化分析，并通過樣機試驗平臺測試加以驗證。