呂潛龍，阮學(xué)云

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，快遞行業(yè)也得到蓬勃發(fā)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(shí)別快遞信息，再將其取出進(jìn)行分揀，不僅效率低，而且由于員工疲勞、注意力無法長時(shí)間集中等原因，分揀差錯(cuò)率高，大大延長了分揀周期，帶來經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，客戶體驗(yàn)也較差，因此市場對(duì)安全高效的自動(dòng)分揀裝置的需求十分迫切。

目前為止，市場已存在類似的裝置，即交叉帶自動(dòng)分揀機(jī)及AGV小車分揀。交叉帶自動(dòng)分揀機(jī)分揀效率高，可靠性好，但占地面積大，且對(duì)地面的平整度要求較高，造價(jià)成本高昂，維修成本也較高；AGV采用并聯(lián)模式運(yùn)行，單個(gè)損壞不會(huì)影響其他AGV小車的運(yùn)行，但是對(duì)貨物的重量以及體積形狀有很大的限制，且運(yùn)作效率有限。為克服交叉帶自動(dòng)分揀機(jī)以及AGV分揀造價(jià)昂貴、占地面積大及對(duì)地面平整度要求高的局限性，本文將設(shè)計(jì)一種自動(dòng)分揀裝置，在保障分揀效率及可靠性的前提下，節(jié)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(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種翻盤式快遞自動(dòng)分揀裝置。該裝置整體功能框架如圖1所示，由機(jī)械系統(tǒng)、PLC-組態(tài)-視覺聯(lián)合控制系統(tǒng)構(gòu)成。

圖1 裝置整體功能框架

主要工作原理：首先，在組態(tài)王上位機(jī)的通訊界面點(diǎn)擊“開始分揀”，PLC控制系統(tǒng)向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出響應(yīng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器通過控制脈沖驅(qū)動(dòng)皮帶輸送機(jī)啟動(dòng)，由于摩擦作用，翻盤式小車開始循環(huán)運(yùn)動(dòng)；分揀時(shí)，快遞進(jìn)入小車平臺(tái)后，該小車觸發(fā)啟動(dòng)機(jī)器視覺程序的光電開關(guān)，工業(yè)相機(jī)攝取圖片，并提取圖片中的快遞信息反饋給組態(tài)程序，經(jīng)組態(tài)處理后，判斷出該快遞所屬的分揀區(qū)域，并計(jì)算出所屬分揀區(qū)域前的光電傳感器需要達(dá)到的數(shù)值，此時(shí)，快遞已與對(duì)應(yīng)分揀區(qū)域綁定，若屬于內(nèi)側(cè)，則翻轉(zhuǎn)裝置推出，將小車平臺(tái)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋?cè)，當(dāng)所屬分揀區(qū)域前的光電計(jì)數(shù)達(dá)到給定值，外部動(dòng)力裝置動(dòng)作，快遞落入分揀區(qū)域，完成分揀，在下一個(gè)循環(huán)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(tái)全部朝向外側(cè)，一個(gè)分揀循環(huán)完成。機(jī)械系統(tǒng)通過與PLC控制系統(tǒng)、組態(tài)王上位機(jī)和機(jī)器視覺系統(tǒng)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了智能分揀快遞，可減少分揀人員勞動(dòng)強(qiáng)度，高效、安全、可靠地完成快遞分揀。

2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

翻盤式快遞自動(dòng)分揀裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡圖，如圖2所示。該機(jī)械裝置包括前端掃描裝置、翻轉(zhuǎn)裝置、皮帶輸送機(jī)、翻盤式小車、分揀口判別裝置、外部動(dòng)力裝置、固定回位軌道、工業(yè)相機(jī)、光源等。

1.前端掃描裝置；2.翻轉(zhuǎn)裝置；3.皮帶輸送機(jī)；4.翻盤式小車；5.分揀口判別裝置；6.外部動(dòng)力裝置；7.固定回位軌道； 8.工業(yè)相機(jī)；9.光源圖2 翻盤式快遞自動(dòng)分揀裝置結(jié)構(gòu)簡圖

2.1 皮帶輸送機(jī)的設(shè)計(jì)

本文采用皮帶輸送機(jī)作為小車的循環(huán)動(dòng)力，包括直線分揀段和轉(zhuǎn)彎掃描段兩部分。皮帶與小車底盤通過摩擦提供動(dòng)力，在小車底盤設(shè)置交叉輪，其沿著皮帶架子上的軌道滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)皮帶過渡處的平穩(wěn)渡過。

皮帶采用PVC材料(即聚氯乙烯，密度1.35～1.40g/cm)。小車底盤選用45鋼。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得兩者之間靜摩擦因數(shù)

μ

為0.45，動(dòng)摩擦因數(shù)為

μ

為0.40。

最大靜摩擦力為

f

=

μ

N

(1)

式中：

N

為正壓力，

N

=

mg

；

g

為重力加速度，

g

=

9.8m/s。

單個(gè)翻盤式小車的質(zhì)量為3.15kg，快遞重量在0.2～3.5kg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

f

為13.98～29.33N，對(duì)皮帶的摩擦力需求不高。而皮帶輸送機(jī)帶速

v

=0.8m/s，卷筒直徑

D

=32mm，驅(qū)動(dòng)滾筒的圓周力(牽引力)

F

=300N，本設(shè)計(jì)中一條皮帶上最多3個(gè)小車同時(shí)在皮帶上，符合設(shè)計(jì)要求。

2.2 翻盤式小車的設(shè)計(jì)

翻盤式小車結(jié)構(gòu)簡圖，如圖3所示。小車由分揀平臺(tái)、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(shí)，安裝在皮帶輸送機(jī)的安裝支架上的氣缸伸出并保持，通過相對(duì)運(yùn)動(dòng)與L型桿相接觸，通過齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)打開車門，以完成分揀。

1.分揀平臺(tái)；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型軸圖3 翻盤式小車結(jié)構(gòu)簡圖

根據(jù)工作條件，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒輪取7級(jí)精度，錐齒輪選用40Cr(調(diào)質(zhì))，圓柱齒輪選用45鋼(調(diào)質(zhì))，采用軟齒面。設(shè)計(jì)示意圖如圖4所示，Ⅰ軸是輸入軸，試取

Z

=21，

Z

=61，設(shè)門板所受沖擊力為100N，軸Ⅲ的轉(zhuǎn)速為15r/min，滾動(dòng)軸承傳動(dòng)效率

η

=0.985，圓錐齒輪傳動(dòng)效率

η

=0.95，圓柱齒輪傳動(dòng)效率為

η

=0.96，圓柱齒輪傳動(dòng)比

i

=2，錐齒輪傳動(dòng)比

i

=1，壓力角取20°。

圖4 傳動(dòng)方案示意圖

小錐齒輪分度圓直徑

(2)

式中：

K

=1.3； 齒輪力矩

T

； 齒寬系數(shù)φ=0.3;

u

=1; 區(qū)域系數(shù)

Z

；彈性影響系數(shù)

Z

；接觸疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力[

σ

]。

錐齒輪模數(shù)

(3)

式中：

K

=1.3；齒形系數(shù)

Y

；應(yīng)力修正系數(shù)

Y

。經(jīng)計(jì)算并修正之后得：齒數(shù)

Z

=41，

Z

=42，模數(shù)

m

=1.25，變位系數(shù)

x

=0，

x

=0，分錐角

δ

=45°，

δ

=45°，齒寬

b

=

b

=11mm。

大圓柱齒輪分度圓直徑

(4)

圓柱齒輪模數(shù)

(5)

經(jīng)計(jì)算并修正之后得：齒數(shù)

Z

=81，

Z

=43，模數(shù)

m

=0.5，變位系數(shù)

x

=0，

x

=0，中心距

a

=31mm，齒寬

b

=40.5mm，

b

=21.5mm。

由于翻盤式小車與外部氣缸是通過相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)作，在接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊，因此，應(yīng)用ANAYS Workbench18.1軟件對(duì)沖擊過程進(jìn)行顯示動(dòng)力學(xué)分析。首先，將沖擊模型導(dǎo)入軟件中，設(shè)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(wǎng)格尺寸，其網(wǎng)格總數(shù)為85 557個(gè)。然后，進(jìn)行沖擊系統(tǒng)分析設(shè)置，將結(jié)束時(shí)間設(shè)為0.15s，添加固定在氣缸上，再添加速度限制，整個(gè)小車速度設(shè)為1 m/s，最后求解沖擊接觸位置的等效應(yīng)力與等效應(yīng)變，如圖5所示。

長度/mm(a)等效應(yīng)變?cè)茍D

長度/mm (b)等效應(yīng)力云圖圖5 翻盤式小車顯示動(dòng)力學(xué)分析

由圖5可知，在沖擊接觸的等效應(yīng)變?yōu)?.32時(shí)，沖擊的等效應(yīng)力為74.201MPa，而45鋼的屈服強(qiáng)度為355MPa，304不銹鋼的屈服強(qiáng)度為205MPa，仿真結(jié)果遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度，滿足工作要求。

2.3 其他機(jī)械裝置設(shè)計(jì)

前端掃描裝置包括工業(yè)相機(jī)和光源兩部分，光源照射為工業(yè)相機(jī)拍攝提供基礎(chǔ)，工業(yè)相機(jī)安裝垂直于翻盤式小車平臺(tái)平面。翻轉(zhuǎn)裝置與固定回位軌道結(jié)構(gòu)簡圖，如圖6所示。固定回位軌道將所有翻盤式小車平臺(tái)轉(zhuǎn)向外側(cè)，翻轉(zhuǎn)裝置由雙軸氣缸和過渡軌道構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)翻盤式小車平臺(tái)的內(nèi)外側(cè)變換。分揀區(qū)域判別裝置采用光電傳感器，利用其計(jì)數(shù)原理由組態(tài)編程判斷是否是對(duì)應(yīng)分揀區(qū)域的快遞。

(a)翻轉(zhuǎn)裝置 (b)固定回位軌道1.過渡軌道；2.雙軸氣缸圖6 翻轉(zhuǎn)裝置與固定回位軌道結(jié)構(gòu)簡圖

3 PLC-組態(tài)-視覺聯(lián)合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本裝置的控制部分是由PLC控制系統(tǒng)、組態(tài)王編程以及機(jī)器視覺聯(lián)合控制實(shí)現(xiàn)的，它們相互配合，協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作。機(jī)器視覺使用的HALCON軟件、上位機(jī)通信的組態(tài)王軟件和編寫PLC的GX Works2軟件安裝在工控機(jī)上，由人員進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

3.1 機(jī)器視覺

基于機(jī)器視覺的字符定位和識(shí)別需要對(duì)圖片進(jìn)行采集和處理，所采用的識(shí)別系統(tǒng)如圖7所示。識(shí)別系統(tǒng)包括攝像機(jī)、光源、光電傳感器、圖像處理單元。在HALCON軟件上運(yùn)行程序，當(dāng)翻盤式小車經(jīng)過工業(yè)相機(jī)拍攝區(qū)域時(shí)，由光電傳感器觸發(fā)HALCON軟件程序，程序運(yùn)行。

圖7 識(shí)別系統(tǒng)

得到快遞面單圖片后，需要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，在對(duì)字符識(shí)別中采用基于形狀模板匹配下的定位，并大量地運(yùn)用仿射變換和Blob分析對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別前的預(yù)處理。目標(biāo)定位的優(yōu)化處理包括：對(duì)圖像進(jìn)行灰度化處理降低圖像處理時(shí)間、選用中值濾波來有效抑制噪聲、定位校準(zhǔn)減少角度偏差帶來的影響。之后采用HALCON中自帶均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差局部閾值分割算法，實(shí)現(xiàn)閾值的動(dòng)態(tài)調(diào)整，閾值分割后，調(diào)用算子進(jìn)行特征選擇。在HALCON平臺(tái)上搭建字符定位識(shí)別流程，根據(jù)字符所提取的特征，與系統(tǒng)中的模板相對(duì)比，將置信度最大的值返回，以此達(dá)到識(shí)別的目的，并將提取的信息進(jìn)行儲(chǔ)存，完成HALCON程序的一個(gè)循環(huán)。

3.2 組態(tài)王編程

本裝置利用組態(tài)王作為上位機(jī)控制程序，在COM端連接三菱PLC設(shè)備，通過I/O設(shè)備與PLC交換數(shù)據(jù)。設(shè)置組態(tài)王“設(shè)備”的波特率、 奇偶校驗(yàn)、 數(shù)據(jù)位和停止位等參數(shù)，在“數(shù)據(jù)詞典”中定義需要的變量，在應(yīng)用程序命令語言中用組態(tài)語言編寫程序，并通過程序調(diào)用HALCON軟件提取的信息。

圖8 組態(tài)王軟件分揀界面

具體工作過程如下：在需要分揀作業(yè)時(shí)，點(diǎn)擊組態(tài)王控制界面的“開始分揀”按鈕，系統(tǒng)開始運(yùn)行，進(jìn)入“分揀界面”(見圖8)，當(dāng)翻盤式小車經(jīng)過工業(yè)相機(jī)拍攝后，由下一個(gè)光電傳感器觸發(fā)組態(tài)編程程序，提取HALCON軟件存儲(chǔ)的分揀信息，并對(duì)該信息進(jìn)行處理，判別屬于幾號(hào)分揀區(qū)域之后，經(jīng)算法程序計(jì)算給出對(duì)應(yīng)分揀區(qū)域的光電傳感器的分揀數(shù)值，并判斷該分揀區(qū)域所屬的內(nèi)外側(cè)信息反饋給PLC控制系統(tǒng)，完成組態(tài)程序的一個(gè)循環(huán)。

3.3 PLC控制系統(tǒng)

根據(jù)機(jī)械、電氣控制裝置的整體控制要求，對(duì)控制系統(tǒng)中各方面影響因素進(jìn)行分析，編寫相應(yīng)的PLC程序。在上位機(jī)點(diǎn)擊開始分揀時(shí)，通過輔助繼電器控制皮帶輸送機(jī)的啟動(dòng)；利用光電傳感器的計(jì)數(shù)原理，根據(jù)組態(tài)程序反饋的計(jì)數(shù)信息，同時(shí)配合輔助繼電器、定時(shí)器的使用，實(shí)現(xiàn)電氣裝置動(dòng)作的開關(guān)控制；通過控制對(duì)應(yīng)分揀區(qū)域的電磁閥，進(jìn)而控制氣動(dòng)回路的開閉，選用兩位三通電磁閥控制對(duì)應(yīng)氣動(dòng)裝置，完成氣動(dòng)推桿的伸出、保持與縮回，進(jìn)而與翻盤式小車的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)接觸，實(shí)現(xiàn)分揀。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

將機(jī)械系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)組裝完成以后，再對(duì)整體功能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證(現(xiàn)場測試圖，如圖9所示)，試驗(yàn)主要分為以下幾個(gè)方面：皮帶輸送機(jī)的配合啟動(dòng)，氣動(dòng)回路的調(diào)試，HALCON軟件、組態(tài)軟件的調(diào)試。所得實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)記錄如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)記錄

從實(shí)驗(yàn)記錄可知，皮帶輸送機(jī)可實(shí)現(xiàn)同步啟動(dòng)。翻盤式小車可以實(shí)現(xiàn)預(yù)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(tái)與翻轉(zhuǎn)裝置配合可靠，可實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的翻轉(zhuǎn)。氣缸響應(yīng)快，通過PLC程序可實(shí)現(xiàn)與小車的預(yù)定動(dòng)作。HALCON軟件程序在調(diào)整參數(shù)后，運(yùn)行穩(wěn)定；組態(tài)程序參數(shù)調(diào)整后，界面運(yùn)行流暢，響應(yīng)速度快；PLC可以正常完成組態(tài)提供的動(dòng)作信息。測試完成后，與現(xiàn)有分揀機(jī)的參數(shù)對(duì)比如表2所示。

表2 與現(xiàn)有分揀形式比較

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

(a)翻盤式快遞自動(dòng)分揀裝置實(shí)物圖

(b)HALCON程序運(yùn)行圖圖9 現(xiàn)場測試圖

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)一種基于PLC-組態(tài)-視覺聯(lián)合控制系統(tǒng)下的翻盤式自動(dòng)分揀裝置，其開發(fā)成功必將為廣大的物流配送中心建設(shè)提供了一種安全可靠、空間利用率高、節(jié)能高效、適應(yīng)能力強(qiáng)，具有廣泛的社會(huì)意義，同時(shí)也具有深遠(yuǎn)的實(shí)際運(yùn)用意義。本設(shè)計(jì)創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)翻盤式小車無需自帶動(dòng)力源，通過相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)分揀，翻盤式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩側(cè)提前傾覆，空間利用率高；

(2)小車循環(huán)動(dòng)力采用皮帶輸送機(jī)，噪音小，速度快且經(jīng)濟(jì)性好；

(3)采用機(jī)器視覺技術(shù)，通過HALCON軟件編程，提取關(guān)鍵分揀信息交由組態(tài)處理，組態(tài)通過PLC控制氣動(dòng)回路實(shí)現(xiàn)動(dòng)作，效率高，通用性好，可實(shí)現(xiàn)目前市場前端掃描的統(tǒng)一。