計泡機的設計流程及體積、重量的測量

蘇寒剛

摘 要介紹了計泡機的設計流程以及獲取包裹重量、體積的方法，提出了采用微積分的方法測量包裹體積，對于不規則的包裹，也能準確地獲得其體積，為達到更精準的測量效果，提出了一種穩定皮帶速度的方法，實踐證明，這種方法行之有效，并且已廣泛應用于生產。

【關鍵詞】計泡機 體積 重量

1引言

隨著物流行業的快速發展，快遞公司攬收、處理的包裹數量越來越多，每個包裹的條碼、重量、體積等信息與郵資費用密切相關，如果分揀中心能夠在流水化分揀包裹的同時，又收集到包裹的條碼、重量、體積等信息，對包裹計費做核對，那么快遞公司能夠減少損失，又能很好的管理數據。計泡機就是應這樣的需求而產生的，它能獲取包裹的條碼、重量、體積等數據，并綁定發送給后臺系統，后臺系統再對這些數據進行計費核對。

2 計泡機的設計

2.1 計泡的含義

計泡是指對速遞郵件，取體積重量和實際重量中的較大者，作為計費重量，再按照資費標準計算應收郵費。通常計泡公式是這樣的：體積重量（kg）=長（cm）×寬（cm）×高（cm）/計泡比。計泡比速遞行業通常為6000cm3/kg。快遞攬收包裹時，要將包裹的實際重量及體積重量相比較，取其大者來計費，因此準確的獲取包裹的重量、體積很重要。

2.2 計泡的流程設計

在分揀中心，我們希望在分揀包裹的同時又能獲取其條碼、重量、體積等數據，在后臺計算出其郵資費用，于是我們設計出計泡機基本結構，它包含三段皮帶機，即上包段、稱重段、導入段，在稱重段和導入段之間用二對光幕（上下、左右各一對）來測體積，結構圖如圖1所示。

上包段可以掃描條碼，稱重段采用動態稱自動稱重，光幕用來測體積，導入段將條碼與重量、體積綁定，再傳到主環分揀，計泡機工作流程如圖2所示。

掃描條碼可以用無線PDA，也可以用掃描槍加電腦方式來實現，現在以無線PDA為例來介紹計泡機的工作流程：操作員將包裹放入上包段，用無線PDA掃描條碼，條碼信息通過藍牙傳給計泡機主控板（需配有藍牙接收器），計泡機啟動運行，在稱重段得到重量，經過光幕后得到體積，進入導入段后將條碼、重量、體積綁定，通過藍牙把綁定結果發送給PDA，PDA收到數據后傳輸給后臺，同時計泡機在導入段將包裹導入主環。計泡機可以根據需要設計成多段式，譬如在上包段和導入段都增加段數做積放，增加系統緩存。

3 體積的測量方法

3.1 計算方法

對于任意包裹，我們可以按照微積分的方法，將整個體積沿著運動方向，切成無數個微小標準長方體，將所有微小長方體求和，就可以得到包裹總的體積，我們用V表示包裹的體積，△Vi表示每個微小的長方體，計算體積公式如下：

我們只要測出每個小長方體長（L）、寬（W）、高（H），即可計算出每個小塊的體積 △Vi=L*W*H。

3.2 光幕介紹

采用光幕來測量體積，通常光幕成對使用，即一根發送信號、一根接收信號，當物體在該對光幕中間時，光幕能測出有多少個像素被遮擋了，由于二個像素之間的距離是固定的，通常是5mm或者10mm等，根據被遮擋像素的個數可以計算出包裹的長度。

光幕的工作模式有二種：連續模式和主從模式，連續模式是指光幕不斷地把測量到的數據通過串口往外發送，主從模式則是指主控板通過串口問光幕當前的測量值是多少，光幕收到指令后立即返回測量結果。

3.3 體積測量實現方法

計泡機采用二對光幕，即上、下一對（用于測寬度），左、右一對（用于測高度），當包裹沿著運動方向經過光幕時，二對光幕不斷地測出每時刻的寬度和高度值，根據包裹通過光幕的速度及每次測量的時間間隔，可以計算出包裹每次被切割部分的長度值，從而計算出這一小塊的體積，當包裹離開光幕時，將所有微小長方體體積進行疊加就可得到包裹的實際體積。

為了實現上面的方法，我們選用ST公司32位ARM7微處理器作為主控芯片，選用邦納的光幕，如果我們采用一個串口與二對光幕通信的話，只能采用RS485通信的方式，即485總線上掛二對光幕，MCU采用輪詢的方式定時與其中一對光幕通信（不能同時讀取二對光幕的數據，因為這樣會造成485總線數據沖突），即上次獲得上下光幕測到的寬度值，下次定時獲得左右光幕測到的高度值。此時光幕需設置成主從模式，而且還應設置成不同的地址，MCU才能區分不同的光幕。包裹獲取體積測量流程圖如圖3所示。

體積測量首先要判斷是否有包裹到了光幕，即判斷寬、高是否有數據值，而不是零，然后定時讀取寬、高值，當寬、高都為零時，說明包裹離開了光幕，此時可以將所有微小體積累加，即可得到包裹的實際體積。

3.4 體積測量優化

由于采用485總線，MCU定時讀取光幕數據，每次定時只能讀取一對光幕的數據，不能同時讀取二對光幕的數據，這相當于二次定時周期獲得了一次寬和高的值，測得的精度偏低。為了提高體積測量的精度，我們增加一個串口，使得每對光幕單獨用一個RS422串口進行通信，這樣一個定時周期就能同時獲得寬、高值，此時光幕工作模式即可以設置成主從模式，也可以設置成連續模式，這種方法能將每個微小體積劃分得更細，測量精度更高。

3.5 寬、高數據緩沖表

建立包裹寬度及高度緩沖區：PackageSizeTemp.WideBuf[MAXLENGTH]和PackageSizeTemp.HeighBuf[MAXLENGTH]，當包裹離開光幕后根據這些數據就可以計算出包裹的體積。我們定時讀取一次高度和寬度值，第i次測量的時候，得到第i次的體積為

PackageSizeTemp.volume[i-1]=（PackageSizeTemp.WideBuf[i-1]* PackageSizeTemp.HeighBuf[i-1]）*FixSpeed*FixTime；

FixSpeed是皮帶速度，根據需要可以設成1m/s，也可以設成1.2m/s等，FixTime是采樣的時間間隔， FixSpeed*FixTime就是每個微小體積塊的長度，通過上式就可以得到每個被切成塊的體積，時間間隔取得越小，得到的體積越接近真實體積，誤差越小。

3.6 皮帶速度控制

我們可以采用手動方式設置皮帶的速度，利用變頻器和測速儀，手動設置變頻器頻率值，使得測速儀測到的速度達到我們需要的速度，以后每次開機運行，變頻器都運行到該頻率值，這種方法雖然簡單，但不能保證變頻器每次在這個頻率，速度都一定是我們需要的，如果皮帶速度偏差大了，我們計算出的體積值也會不準。

如果我們能檢測皮帶速度，當發現速度有誤差，通過增大或者減小變頻器頻率值來穩定皮帶速度，這樣就能保證測量體積的精確性，皮帶測速和調速可以采用下面的方法來實現：

（1）測速方法：在電機的皮帶軸上在裝個小軸，小軸大部分是金屬的，一小部分是連續的非金屬的，我們用接近開關靠近該軸，當接近開關檢測到金屬時，輸出低電平，當檢測到非金屬物，輸出高電平，通過接近開關檢測皮帶軸，當連續出現二個下降沿時，表明測到小軸轉了一圈，二個下降沿的時間為軸轉動一圈用的時間，而軸的周長是固定的，于是我們就可以計算出軸的轉速，從而得到皮帶的速度。

（2）調速方法：將實際測到的速度與我們需要的目標速度進行比較，計算出速度差，將速度差再換算成頻率差，通過改變變頻器的頻率來實現調速。

圖4為主控板與變頻器的連接圖，主控板的一個串口，采用一條RS485總線將多個變頻器連在一起，電機是受變頻器輸出頻率控制的。通過一條485總線，可以對多段皮帶進行調速，我們可以采用定時的方法，每次定時時間到了就對一段皮帶調速，所有段皮帶輪流調速，需要注意以下幾點：

（1）在同一485總線上的變頻器需設置成不同的地址，主控板可以進行區分；

（2）采用定時調速，每個定時周期調一個變頻器，該定時周期時間必須大于 MCU發指令到變頻器返回完指令用的時間。

由于變頻器的頻率值與皮帶速度對應關系相對是比較穩定的，每段皮帶調速對頻率要求不高，300至400ms調一次也是完全可以的。

4 重量的獲得

動態稱主要是由皮帶機+重量傳感器+表頭構成，動態稱與靜態稱的區別在于靜態稱是停止不動再稱重量，而動態稱是運動時稱重量，因此動態稱效率高、穩定性好，非常適用于流水線生產作業，對于計泡機，選擇動態稱是非常適宜的。動態稱通常在兩頭裝有檢測光電管，用來作為稱重的觸發信號，當頭端光電管檢測到包裹時，動態稱開始稱重，當離開尾端光電管時，得到重量并發送給計泡機主控板，主控板從而得到重量。主控板與動態稱表頭采用一個485串口進行通信，直接接收動態稱發過來的重量數據即可。

在計泡機，當包裹離開光幕到達導入段時，主控板就獲得了重量及體積數據，然后再與在上包段掃描的條碼綁定，將結果傳給PDA，PDA再傳給后臺，后臺再進行分析、統計，整個計泡的過程就實現了。

5 結束語

本文介紹了計泡機的設計方法以及操作流程，并介紹了通過動態稱獲取重量，通過光幕，采用將包裹沿運動方向切成無數小片，計算每個小片體積，再累加得到總體積的方法，為了提高測量精度，提出了采用測速、調速的方法穩定皮帶速度，實踐證明，計泡機設計合理，在生產中能夠發揮很大的作用。

參考文獻

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作者單位

上海郵政科學研究院 上海市 200062