一種智能立體旋轉(zhuǎn)快遞存取裝置設(shè)計研究

阮學(xué)云，丁 恒，胡自然，陳 華

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

1 引言

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展，快遞行業(yè)也得到蓬勃發(fā)展。然而，在快遞物流派送過程中，快遞終端派送作為一道必不可少的工序，多年來一直采取人工送貨上門或在一定的時間段等待顧客收取快遞，費時費力，大大降低了派送效率，為客戶帶來極大不便，因此市場對安全高效的智能快遞存取裝置的需求十分迫切[1]。

目前為止，市場上已存在類似的機械產(chǎn)品，即固定式快遞柜[2]?，F(xiàn)在市場上已有的自動存取裝置雖然已經(jīng)投入市場使用，但是效益和評價等方面存在很多不足。從用戶體驗方面來說，類似固定式存取柜這種產(chǎn)品的外形類似于超市的自動存取貨柜，存取件必須找到對應(yīng)的柜門，不夠便捷。針對快件量大的派送區(qū)域，這種產(chǎn)品存在存件數(shù)量少，效率低的難題

因此設(shè)計一種新型智能快遞存儲裝置，解決目前快件存儲利用率低，占地面積大，智能化程度不高的問題有著重要意義。

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對以上存在不足，設(shè)計了一種智能立體旋轉(zhuǎn)快遞存取裝置。該結(jié)構(gòu)整體示意圖，如圖1所示。包括機械結(jié)構(gòu)和PLC控制系統(tǒng)兩部分，其中機械結(jié)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)體、儲物格、螺旋滑槽等；PLC控制系統(tǒng)包括PLC、工控機、伺服電機以及減速器、電動推桿、霍爾傳感器等[3]。由于采用PLC控制系統(tǒng)與機械機構(gòu)協(xié)調(diào)工作[4]，實現(xiàn)了智能分發(fā)快遞，可以減少勞動強度，保證投遞員和商品的安全。

圖1 智能立體旋轉(zhuǎn)快遞裝置的整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall Structure Diagram of Intelligent Three-Dimensional Rotating Express Device

3 機械系統(tǒng)機構(gòu)及工作原理

智能立體旋轉(zhuǎn)快遞存取裝置設(shè)計右視圖與主視圖，如圖2、圖3所示。該機械裝置內(nèi)部包含有儲物格，機座，支撐桿，減速器，大小齒輪，角接觸球軸承，支撐圓盤，儲物圓盤，頂板，頂部支撐，頂部連接軸，底盤，推桿支架，螺旋滑槽等[5-6]。

圖2 智能立體旋轉(zhuǎn)快遞裝置右視圖Fig.2 Right View Diagram of Intelligent Three-Dimensional Rotating Express Device

圖3 智能立體旋轉(zhuǎn)快遞裝置主視圖Fig.3 Main View Diagram of Intelligent Three-Dimensional Rotating Express Device

機械結(jié)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)體、儲物格、螺旋滑槽等。機械裝置主要工作原理：PLC控制系統(tǒng)向伺服電機驅(qū)動器發(fā)出相應(yīng)信號，驅(qū)動器通過控制脈沖以控制電機的啟動和停止，電機通過減速器傳動實現(xiàn)降速和增大扭矩，在減速器作用下，其聯(lián)接小齒輪帶動嚙合在旋轉(zhuǎn)盤的大齒輪傳動，大齒輪帶動旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)體上的儲物格隨之轉(zhuǎn)動。其中旋轉(zhuǎn)體裝置分為多層圓盤，每層平均分為多個儲物格，上層儲物格多，為小件儲物格，下層為大件儲物格，以適應(yīng)不同尺寸的快遞和提高空間的利用率，達到小地方大存量的效果，中間是一個旋轉(zhuǎn)軸，三層圓盤可以繞軸旋轉(zhuǎn)，每層的軸上都有一個電動推桿，可以將儲物格內(nèi)的快遞推入螺旋滑槽上，從而實現(xiàn)快遞的快速取件。該裝置還包括中央控制裝置、可旋轉(zhuǎn)圓形儲物裝置、輸入輸出裝置、傳送裝置、運動執(zhí)行等裝置。其中中央控制裝置具有掃描條形碼、發(fā)送驗證短信、控制運動執(zhí)行裝置、可旋轉(zhuǎn)圓形儲物裝置、輸入輸出裝置的功能。輸入輸出裝置由小鍵盤、液晶顯示頻、攝像頭等組成，快遞員放入快遞時掃描快遞包裝和各個儲物格的條形碼，中央控制裝置記錄每個快遞存放的位置。傳送裝置是多層螺旋向下的滑軌，上層快遞滑過本層軌道后進入下層軌道，最終滑向出口。運動執(zhí)行裝置主要由電動機、減速器、齒輪等組成。

4 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 智能立體旋轉(zhuǎn)快遞存取裝置控制原理

本機構(gòu)的PLC控制系統(tǒng)部分、包括PLC、工控機、伺服電機以及減速器、電動推桿、霍爾傳感器等主要元件，由PLC控制系統(tǒng)向伺服電機上的減速器發(fā)出指令控制電機的速度，通過霍爾傳感器的檢測，以實現(xiàn)電機的制動，在電動推桿的配合下從而實現(xiàn)快件的存取[7]。當(dāng)快遞員根據(jù)操作窗口（PLC控制）提示的存件大小輸入具體尺寸規(guī)格（大中?。r，系統(tǒng)自動分配對應(yīng)型號的空儲物格到達相應(yīng)的存件口，快遞員可以放入所要派送的快件，這時需要快遞員掃描快件上的條形碼，然后輸入收件人的手機號碼，這時系統(tǒng)會生成一個和快遞所在儲物格對應(yīng)位置的隨機驗證碼，并發(fā)送給用戶。用戶根據(jù)驗證碼，輸入操作平臺界面后，中央控制系統(tǒng)會據(jù)此信號發(fā)送給伺服電機實現(xiàn)儲物格旋轉(zhuǎn)，當(dāng)霍爾傳感器檢測到對應(yīng)快件的儲物格物理地址時，儲物格停止轉(zhuǎn)動，智能推桿機構(gòu)自動彈出所需的快件，實現(xiàn)取件動作。智能立體旋轉(zhuǎn)快遞存取裝置控制原理圖，如圖4所示。

圖4 智能立體旋轉(zhuǎn)快遞存取裝置控制原理圖Fig.4 The Diagram of Control Principle of Intelligent Three-Dimensional Rotating Express Access Device

4.2 PLC控制部分程序工作原理

4.2.1 PLC工作原理

當(dāng)可編程邏輯控制器投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，可編程邏輯控制器的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。

（1）輸入采樣階段

在輸入采樣階段，可編程邏輯控制器以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)的單元內(nèi)[8]。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入?？删幊踢壿嬁刂破?。

（2）用戶程序執(zhí)行階段

在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。

（3）輸出刷新階段

當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，可編程邏輯控制器就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。這時，才是可編程邏輯控制器的真正輸出[9]。

4.2.2 存件工作原理

快遞員通過工控機組態(tài)界面，以管理員身份打開管理器，點擊存件指令，選擇箱型，輸入運單號碼以及收件人的手機號碼，確認(rèn)。工控機中設(shè)計的組態(tài)軟件會將相應(yīng)箱型空格的位置以及存件指令告知PLC[10]，系統(tǒng)通過霍爾傳感器找到相應(yīng)列的位置，并會給伺服電機驅(qū)動器相應(yīng)信號，驅(qū)動器通過控制脈沖以控制電機的啟動和停止。電機通過減速器傳動達到按照固定速比降速和增大扭矩的目的。減速器聯(lián)接小齒輪帶動套在旋轉(zhuǎn)盤的大齒輪傳動，實現(xiàn)儲物格的旋轉(zhuǎn)運動。當(dāng)相應(yīng)箱型層的空儲物格轉(zhuǎn)至正對箱門的位置時，PLC控制電機停止轉(zhuǎn)動，箱門自動彈開，并通過預(yù)先編好的程序，將擬定的帶有隨機開箱碼和運單號碼的信息實時發(fā)送至客戶手機。最后，快遞員將快遞放入空儲物格中，將箱門關(guān)上，工控機操作界面回復(fù)初始狀態(tài)。完成存件流程。

4.2.3 取件工作原理

客戶取件時，工作原理與取件原理類似，不同點在于，用戶通過工控機組態(tài)界面，點擊存件指令輸入取件開箱碼，組態(tài)會將相應(yīng)箱格的位置以及取件指令告知PLC，PLC傳遞高速脈沖信號給伺服電機驅(qū)動器，驅(qū)動器控制電機的轉(zhuǎn)動，通過霍爾傳感器的檢測，到達相應(yīng)列位置時，PLC控制電機停止轉(zhuǎn)動。當(dāng)儲物格的位置到位后，推桿伸出，將物件推至螺旋滾軸滑槽。物件順滑槽至下方取物箱。推桿有最大行程，當(dāng)達到最大行程后，將會自動退回?？蛻魧⑽锛∽?，完成取件動作。

5 現(xiàn)場試驗

在機械結(jié)構(gòu)與PLC控制系統(tǒng)組裝完成以后，需要對整個裝置功能進行試驗驗證，調(diào)試主要分為以下幾個方面：伺服電機的調(diào)速，推桿的調(diào)試，門鎖的調(diào)試。所得實驗相關(guān)參數(shù)記錄，如表1所示。具體實施措施：將伺服電機與PLC連接前，需事先設(shè)置伺服電機的固定轉(zhuǎn)速，電機轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)所需脈沖數(shù)，這里將脈沖數(shù)設(shè)置為3000，即每3000個脈沖電機轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)，這時，只需控制脈沖頻率即可控制電機轉(zhuǎn)速；推桿及門鎖所需的額定電壓為24V，所以需要對其接入24V的直流電源。伺服電機接入220V交流電壓，在接收到PLC控制系統(tǒng)的命令后，一方面電機運行，配合減速器帶動旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動，另一方面，電動推桿實行伸縮運動，將快件推落到螺旋滑槽，實行存取件。

表1 實驗記錄Tab.1 The Records of Experiment

圖5 智能立體旋轉(zhuǎn)裝置現(xiàn)場實驗圖Fig.5 The Field Experiment Diagram of Intelligent Three-Dimensional Rotating Device

圖6 工控機現(xiàn)場實驗圖Fig.6 The Field Experiment Diagram of Industrial Computer

實驗發(fā)現(xiàn)在電壓穩(wěn)定的情況下伺服電機、電動推桿、自動門鎖動作時間基本一致，根據(jù)PLC控制系統(tǒng)與機械結(jié)構(gòu)的配合可以實現(xiàn)快件的存取，該PLC控制原理可行。

6 結(jié)論

設(shè)計一種基于PLC控制系統(tǒng)下的一種智能立體旋轉(zhuǎn)快遞存取裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡單、安全高效，本設(shè)計創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）分層圓盤儲物格，空間利用率高，占地面積小，螺旋滑槽機構(gòu)能夠平穩(wěn)安全的將快件輸送到取件口。（2）電動推桿通過伸長和收縮將快遞推入到螺旋滑槽，工作效率高，實用價值大。（3）采用PLC控制系統(tǒng)，實現(xiàn)智能發(fā)送驗證碼、二維碼等驗證信息，保證隱私安全。