托盤式分揀小車及其分揀系統的研究與設計

文/丁澤新 王志明 李京欣 徐德榮

一、概述

托盤式分揀系統主要應用于醫藥耗材、服裝、郵件、書籍等中小件物品的自動分揀。托盤式分揀系統通常由分揀小車、機架、驅動裝置、落包機構、存放部、復位裝置等部分組成（如圖1所示）。分揀小車用于承載及運輸包裹；機架用于安裝和承載分揀系統其它部件；驅動裝置由主動輪機構和從動輪機構及同步帶組成，位于機架內側，提供分揀小車循環運動的動力；落包機構可根據控制信號將對應包裹釋放至指定的存放部內；存放部則可存放一定數量的包裹；復位裝置用于將小車托盤置于開始位置。

目前，國內托盤式包裹分揀系統多采用單托盤單斜盤結構（如圖2所示），效率低且落包距離大，易造成包裹及郵寄物品的破損；而雙斜盤結構關鍵技術一直被國外壟斷（如圖3所示），其兩個斜盤A和B通過一聯動桿實現同步打開與關閉。本文突破了國外對托盤式分揀系統雙斜盤技術的壟斷，自主創新設計了十字交叉軌道聯動機構，實現了分揀小車雙斜盤結構的運用。同時為了提高設備工作效率，采用單車雙托盤結構，使分揀系統的工作效率提高了近一倍。

分揀小車、落包機構、復位裝置是本文的研究重點，將詳細進行論述，托盤式小車分揀系統其它組成部分在本文不一一贅述。

二、分揀小車的研究與設計

分揀小車主要由內側支架、外側支架、托盤1、托盤2、內側聯動機構、外側聯動機構、內側鎖止機構、外側鎖止機構組成，托盤1和托盤2分別由兩個斜盤組成（如圖4所示）。托盤式小車分揀系統采用一車雙托盤結構，能夠極大地提高設備分揀效率，充分利用空間；同一托盤由兩個同步開合的斜盤組成，能夠顯著降低落包高差，避免包裹受損，降低設備工作噪聲。

內、外側支架支撐起分揀小車的其他部件，內側支架上安裝有行走輪和水平輪，水平輪與導軌的兩側緣相接觸，主要起導向作用；外側支架上僅安裝有行走輪。同一托盤由兩個斜盤組成，內側聯動機構能夠保證托盤1的斜盤A和斜盤B同步開合，外側聯動機構能夠保證托盤2的斜盤C和斜盤D同步開合；在無觸發信號的情況下，內側鎖止機構的作用是保持托盤1當前的狀態不變，外側鎖止機構的作用是保持托盤2當前的狀態不變。由于分揀小車上的兩個托盤及其聯動機構、鎖止機構為對稱結構，工作原理相同，因此闡述時以托盤1為例進行說明，不一一贅述。

1.分揀小車托盤技術方案

托盤1由斜盤A和斜盤B組成，斜盤A和斜盤B為對稱件。斜盤主要由托盤罩、斜盤盤體、塑料軸套組成（如圖5所示）。斜盤盤體通過螺釘緊固在托盤罩上，托盤罩內孔安裝塑料軸承，然后與轉軸配合。這種分體式結構，有利于保證托盤罩內孔的同軸度，從而保證斜盤轉動靈活并減少塑料軸承的磨損。斜盤盤體底面相對轉動中心為偏心布置（偏心距為L），可以滿足在斜盤開到某一角度時，兩個斜盤的開度較大；同時斜盤盤體末端直插入托盤罩上的狹縫內，且盤體前端有一翻邊，這種結構質量輕且斜盤盤體剛度高。

2.分揀小車聯動機構技術方案

聯動機構主要由豎直導軌、豎直滑塊（2個）、水平導軌、水平滑塊（2個）、液壓緩沖器、復位輪、固定板（2個）組成（如圖6、圖7所示）。聯動機構的設計巧妙運用運動分解的思想，將斜盤的旋轉運動分解為豎直及水平方向上的運動，再通過同一根水平導軌相連，從而實現同一托盤兩個斜盤的同步開與合。豎直導軌固定在支架上，豎直滑塊固定在水平導軌上并沿豎直導軌上下自由滑動，水平滑塊通過移動副與水平導軌相連，可沿水平導軌自由滑動，水平滑塊和斜盤形成鉸接配合，從而實現兩個斜盤的同步開與合。液壓緩沖器在斜盤運動到低點時，進一步降低托盤打開時產生的噪聲。

圖1：托盤式分揀系統組成結構

圖2：單斜盤結構示意圖

圖3：雙斜盤結構示意

圖4：分揀小車結構示意圖

圖5：斜盤結構示意圖

3.分揀小車鎖止機構技術方案

鎖止機構主要由擺桿、扭簧、限位桿、拉簧組成（如圖8所示）。擺桿通過轉動副與支架相連，扭簧穿聯在擺桿軸上，使擺桿始終有逆時針運動的趨勢；限位桿同樣通過轉動副與支架相連，拉簧一端與限位桿相連，另一端與支架上的固定點相連，使限位桿始終有順時針運動的趨勢。落包前、復位后，限位桿被固定在水平軌道上的過渡板頂起，擺桿在扭簧作用下，逆時針旋轉至過渡板下方，將聯動機構鎖閉（如圖9所示）。擺桿旋轉至指定位置時，擺桿上的限位銷與支架上的限位板接觸，此時擺桿停止轉動。落包時，擺桿在落包機構的作用下順時針旋轉一定角度，使過渡板脫離擺桿的束縛，從而釋放聯動機構，斜盤在自重作用下幾乎瞬時打開，將包裹落在指定的存放部內；與此同時，限位桿在拉簧的作用下，順時針旋轉，直至將擺桿鎖定在預定位置，避免擺桿在扭簧作用下回到初始位置，造成斜盤夾包，同時影響后續斜盤的復位。

三、分揀系統落包機構技術方案

落包機構可根據控制信號將包裹落入指定的存放部內，保證包裹與格口信息一致。其主要由落包滾輪、氣缸、氣缸支架組成（如圖10、圖11所示，圖中箭頭方向為小車運動方向）。氣缸支架固定在機架上，氣缸豎直固定在氣缸支架上，落包滾輪通過螺紋連接與氣缸相連。當包裹到達指定存放部時，氣缸活塞桿縮回，落包滾輪將分揀小車的擺桿推開一定角度，釋放聯動機構，進而釋放斜盤，包裹在重力作用下落入指定存放部。本設計有兩個優點：一是落包時，落包滾輪和擺桿之間為滾動摩擦，且落包滾輪為尼龍材質，工作噪聲小；二是氣缸活塞桿最小行程時與擺桿接觸，氣缸活塞桿懸臂小，活塞支點間距最大，此時氣缸受力最佳。

四、分揀系統復位裝置技術方案

復位裝置用于將小車托盤置于開始位置。復位裝置主要由復位軌道、復位輪等組成。復位軌道由軌道及固定板組成（如圖12所示，圖中箭頭方向為小車運動方向）。軌道工作面采用兩直線三圓弧的設計方法，軌道L1為非常平緩的直線段，主要為了減小分揀小車剛接觸復位軌道時的瞬時沖擊力；圓弧R1、R2則逐漸提高分揀小車的爬坡角度，這樣有利于縮短復位軌道的長度，減少不必要的空間浪費；L2直線段為水平直線段，其目的是為了高速運行時給擺桿回位提供足夠的時間；圓弧R3為下降圓弧，其目的是讓分揀小車斜盤平緩地從高點回到水平位置。軌道工作面雖然是組合曲線，但其直接編程切割即可滿足設計要求，加工非常方便。軌道焊接在固定板上，固定板與機架相連，安裝簡單。

復位裝置工作過程如圖13所示，（圖中箭頭方向為小車運動方向），其中A位置為分揀小車剛接觸復位軌道時的姿態，B、C位置為分揀小車復位過程中的姿態，D位置為復位完成時的姿態。分揀小車到達復位軌道時，聯動機構上的復位輪與軌道工作面接觸，隨著分揀小車的前移，復位輪被緩慢抬高，復位輪固定在水平軌道上，因此聯動機構隨之被抬起。在聯動機構的驅動下，與之相連的兩個斜盤被同時抬起，當到達軌道最高點時，鎖止機構的限位桿將擺桿釋放，擺桿在扭簧作用下旋轉一定角度，將聯動機構鎖閉，復位過程完成。

圖6：聯動機構示意圖

圖7：聯動機構實物圖

圖8：鎖止機構結構示意圖

圖9：鎖止機構復位后位置關系圖

圖10：落包機構示意圖

圖11：落包機構實物圖

五、分揀系統的應用實例

托盤式包裹自動分揀系統的主要處理對象為：最長邊≤350mm、重量≤5kg的中小件，且尤其適合軟包及不規則外形包裹的分揀。此創新成果已在深圳國際郵件分撥中心項目、廈門郵政速遞項目中投入使用，兩個項目的主線運行速度分別為0.83m/s、 1m/s，供件方式均為人工直接擺件，分揀效率可高達14000件/h。

圖12：復位軌道結構示意圖

圖13：復位裝置工作過程示意圖

圖14：分揀小車實物圖

圖15：深圳國際郵件分撥中心項目現場

六、總結

本文提供了一種新的托盤式分揀小車及其分揀系統，分揀系統為單車雙托盤結構，設備工作效率高；同一托盤由兩個斜盤組成，能夠顯著降低落包高差，避免包裹受損；同時該系統工作噪聲低，制造加工成本低。本文的主要創新點如下：

1.發明了一種新的托盤式分揀小車及其分揀系統，尤其是分揀小車、落包機構和復位軌道研究設計；

2.運用運動分解原理，自主創新設計了十字交叉軌道結構，實現了同一托盤兩個斜盤的同步開合功能，打破了國外同一托盤雙斜盤技術的壟斷，填補了國內空白；

3.鎖止機構由擺桿、限位桿、扭簧及拉簧組成，安裝空間小，且機構可靠性高；

4.落包機構在氣缸最小行程時工作，且落包滾輪和擺桿之間為滾動摩擦，氣缸受力較好，有效延長了氣缸的使用壽命，降低了設備的工作噪聲；

5.復位軌道采用兩直線三圓弧的曲線設計方法，分揀小車整個復位過程非常平穩，且復位軌道加工方便，直接編程切割即可。

隨著電商帶動物流行業的進一步發展，可以預見，雙托盤雙斜盤式包裹自動分揀系統將有著廣闊的市場前景。