基于PLC的掛號(hào)信函分揀機(jī)械手設(shè)計(jì)

譚宇碩，韓 瀚，馮亞波，劉宇輝，蘇艷玲

（1.石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，石家莊 050021；2.石家莊郵區(qū)中心局，石家莊 050021；3.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院，石家莊 050031）

0 引言

傳遞函件是郵政本門的根本任務(wù)，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門進(jìn)行信息傳遞，是社會(huì)生產(chǎn)和人民生活中不可缺少的通信手段。即使在通信方式發(fā)生重大變革的今天，特別是隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合，相繼出現(xiàn)了電子郵件、手機(jī)短信、QQ、飛信、微信、微博、推特等通信載體，函件仍然有自己的一席之地。掛號(hào)信函在郵政業(yè)務(wù)中屬于給據(jù)信函，業(yè)務(wù)量大，在函件中占比較重。

目前，國(guó)內(nèi)郵政企業(yè)配備的信函分揀機(jī)對(duì)掛號(hào)信函的標(biāo)準(zhǔn)性要求很高，但是由于掛號(hào)信函的規(guī)格不統(tǒng)一、重量和厚度迥異，很多企業(yè)不得已采用人工分揀，使分揀設(shè)備閑置，造成分揀過程中自動(dòng)化水平降低，同時(shí)也增加了人力成本，降低了分揀效率，錯(cuò)分率也大大增加；國(guó)外郵政分揀設(shè)備供應(yīng)公司也紛紛推出符合中國(guó)大陸信函分揀現(xiàn)狀的新設(shè)備，如德國(guó)西門子公司提供有自動(dòng)識(shí)讀和視屏標(biāo)碼功能的雙層信函分揀機(jī)。該類設(shè)備具有郵件處理能力高，節(jié)省空間、易于維護(hù)，同時(shí)配置更靈活、流程更優(yōu)化等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格昂貴，不易大范圍推廣。

本機(jī)械手采用PLC為系統(tǒng)控制核心，編寫上位機(jī)界面與之構(gòu)成主控系統(tǒng)；硬件易于組配，擴(kuò)展方便，抗干擾性強(qiáng)，不僅適用于掛號(hào)信函分揀，還可用于物流、速遞、超市等多種場(chǎng)合。

1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)與工作原理

該機(jī)械手由工業(yè)攝像頭、上位機(jī)、PLC、信函拾取單元、提升同步帶滑臺(tái)和旋轉(zhuǎn)臺(tái)部分等組成[1]，如圖1所示。其中信函拾取單元主要由真空發(fā)生器、電磁閥、吸盤和接近開關(guān)構(gòu)成；提升同步帶滑臺(tái)由懸臂、導(dǎo)軌、限位開關(guān)以及滑臺(tái)步進(jìn)電機(jī)組成；旋轉(zhuǎn)減速步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電源則為旋轉(zhuǎn)臺(tái)的主要元件[2]。

圖1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)械手工作原理如圖2所示，主要有以下四點(diǎn)：

圖2 機(jī)械手工作原理圖

1）待分揀的掛號(hào)信函堆疊放置在供信臺(tái)2上，由工業(yè)攝像頭15采集最上面放置的單封掛號(hào)信函條碼信息，并上傳至上位機(jī)中。

2）上位機(jī)對(duì)該信息進(jìn)行OBR識(shí)別，通過網(wǎng)絡(luò)連接郵政網(wǎng)運(yùn)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，查詢此信函被分揀的邏輯格口，并查找分揀現(xiàn)場(chǎng)對(duì)應(yīng)的物理格口編號(hào)以及旋轉(zhuǎn)臺(tái)從供信臺(tái)旋轉(zhuǎn)至該格口所需的脈沖數(shù)，將該脈沖數(shù)通過串口發(fā)送至PLC。

3）PLC接收到脈沖數(shù)之后，控制提升同步帶滑臺(tái)和信函拾取單元，拾取供信臺(tái)上待分揀信函；控制旋轉(zhuǎn)臺(tái)按照接收到的脈沖數(shù)旋轉(zhuǎn)至對(duì)應(yīng)格口位置；信函拾取單元停止運(yùn)行，信函由重力作用落入對(duì)應(yīng)的分揀格口中。

4）提升同步帶滑臺(tái)、旋轉(zhuǎn)臺(tái)和信函拾取單元復(fù)位，分揀下一封信函。

2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

PowerBuilder是美國(guó)Sybase公司研制的一種新型、快速的數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)工具。由于是面向?qū)ο蟮拈_發(fā)工具，具有良好的人機(jī)交互性，同時(shí)提供了大量的控件和函數(shù)；又因其出色的企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)連接能力，可以直接連接Oracle、SQLServer等大型數(shù)據(jù)庫(kù)，通過DataWindow可輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的各種進(jìn)行操作，所以采用該軟件進(jìn)行上位機(jī)界面編寫[3]。

圖3 上位機(jī)工作界面

上位機(jī)界面提供手工掃描條碼和OBR自動(dòng)識(shí)別兩種模式，在條碼不清晰或者粘貼位置較偏，工業(yè)攝像頭無法正常讀取時(shí)，可采用手動(dòng)模式[4]。還可以顯示查詢到的當(dāng)前分揀信函物理格口；記錄已經(jīng)分揀掛號(hào)信函數(shù)量，并計(jì)算已經(jīng)分揀的郵件耗費(fèi)的時(shí)間；同時(shí)顯示及時(shí)分揀速度、平均分揀速度等。

3 PLC控制設(shè)計(jì)

3.1 PLC控制信函分揀流程

機(jī)械手系統(tǒng)采用PLC控制信函拾取單元、提升同步帶滑臺(tái)和旋轉(zhuǎn)臺(tái)完成信函的分揀過程。因?qū)к夐L(zhǎng)度和滑臺(tái)同步電機(jī)轉(zhuǎn)速限制，供信臺(tái)上待分揀掛號(hào)信函的總厚度不能超過1m；滑臺(tái)導(dǎo)軌在吸盤拾取信函后，將懸臂提升，上行距離不超過300mm，系統(tǒng)中設(shè)置距離為200mm，如果導(dǎo)軌帶動(dòng)懸臂超出圖1中所示的上、下限位開關(guān)時(shí)，系統(tǒng)將停機(jī)報(bào)警[5]；吸盤拾取信函重量不大于4Kg，如果超過該重量，無法正常拾取時(shí)，系統(tǒng)也將停機(jī)報(bào)警。單封信函分揀流程如圖4所示。

圖4 單封掛號(hào)信函PLC控制分揀流程圖

3.2 PLC I/0端使用分配

系統(tǒng)中選擇歐姆龍CP1E-N30DT-A型PLC，電源為100-240VAC，共有18個(gè)輸入點(diǎn)和12個(gè)晶體管（漏型）輸出點(diǎn)（含2個(gè)脈沖輸出點(diǎn)）[6]。系統(tǒng)控制中共使用輸入點(diǎn)8個(gè)，輸出點(diǎn)5個(gè)，如表1所示。

表1 PLC I/0端使用分配表

4 機(jī)械手運(yùn)行效果和結(jié)論

掛號(hào)信函分揀機(jī)械手按照工作原理和設(shè)計(jì)要求組配并調(diào)試成功，如圖5所示。經(jīng)過測(cè)算，工業(yè)攝像頭識(shí)別條碼時(shí)間為0.1秒/封，平均分揀速度為2秒/封，在不間斷供信的理想情況下，工作效率為1800封/時(shí)，遠(yuǎn)高于平均人工分揀效率（500封/時(shí)），分揀成功率接近100%，如果多臺(tái)機(jī)械手配合工作，基本上可以代替人工分揀。

圖5 掛號(hào)信函分揀機(jī)械手工作圖

經(jīng)過原理分析和實(shí)踐驗(yàn)證，掛號(hào)信函機(jī)械手工作穩(wěn)定，能耗低，成本低，噪音小，抗干擾能力強(qiáng)，工作效率高，能夠滿足現(xiàn)階段掛號(hào)信函分揀的實(shí)際需要，是自動(dòng)化控制技術(shù)在企業(yè)生產(chǎn)中的成功嘗試，有明顯的推廣價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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