一種優(yōu)化的分揀機(jī)包件位置修正系統(tǒng)設(shè)計(jì)

詹 克 旭

(中國郵政集團(tuán)公司上海研究院 上海 200062)(博世華域轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司 上海 201821)

0 引 言

隨著我國電商業(yè)的飛速發(fā)展，公眾對(duì)速遞物流類業(yè)務(wù)的需求不斷增加，速遞物流類業(yè)務(wù)已經(jīng)成為百姓關(guān)注的主要業(yè)務(wù)之一。近些年，DHL、Fedex、UPS等跨國速遞公司進(jìn)入我國市場(chǎng)，國內(nèi)的順豐、申通、圓通、中通和韻達(dá)等一些民營快遞公司也蓬勃發(fā)展起來了，使整個(gè)物流業(yè)競(jìng)爭(zhēng)更加激烈。在整個(gè)中國市場(chǎng)，速遞物流的發(fā)展速度和發(fā)展前景是可以預(yù)見的。同時(shí)，消費(fèi)者對(duì)速遞物流的時(shí)限要求也越來越高，這一要求也促進(jìn)了物流行業(yè)的發(fā)展。為了滿足公眾服務(wù)的需求，高速自動(dòng)分揀技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并且仍然在不斷提高。高速自動(dòng)分揀對(duì)縮短時(shí)限能起到關(guān)鍵作用[1-3]，其技術(shù)成分已經(jīng)成為整個(gè)速遞傳遞過程的核心環(huán)節(jié)。

自動(dòng)包件分揀機(jī)是集光、機(jī)、電和信息技術(shù)于一體的系統(tǒng)設(shè)備，整個(gè)自動(dòng)包件分揀系統(tǒng)內(nèi)部糅合了同步、上包、信息處理、識(shí)別及入格等關(guān)鍵技術(shù)。自動(dòng)包件分揀機(jī)作為多項(xiàng)高新技術(shù)集成的產(chǎn)物，整個(gè)系統(tǒng)的分揀效率、差錯(cuò)率和可靠性等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)都將受到每一項(xiàng)技術(shù)成熟與否的影響[4]。

1 總體功能與構(gòu)成

包件分揀機(jī)主要由主控系統(tǒng)、供件臺(tái)系統(tǒng)、小車控制系統(tǒng)、掃描儀系統(tǒng)、格口液晶顯示系統(tǒng)組成。各子系統(tǒng)之間通過紅外收發(fā)器、現(xiàn)場(chǎng)總線和局域網(wǎng)聯(lián)系起來。包件分揀系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 包件分揀機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

包件分揀機(jī)主控系統(tǒng)的總體功能：將小包郵件由供件臺(tái)準(zhǔn)確地上到小車上；小車在環(huán)型圈行駛，經(jīng)過掃描儀后，掃描儀識(shí)別包件上的條形碼信息，根據(jù)主控系統(tǒng)的開拆信息分配小車控制系統(tǒng)需要落包的格口；小車控制系統(tǒng)把包件運(yùn)送至目的格口，小車皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)使包件落入格口；格口液晶系統(tǒng)顯示格口包件數(shù)，并可以對(duì)格口進(jìn)行鎖格等操作，告知主控系統(tǒng)停止對(duì)該格口落包[5-6]。

1.1 主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)主要由主控制機(jī)、數(shù)據(jù)交換機(jī)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成。其中：主控制機(jī)用于控制整個(gè)包件分揀機(jī)，相當(dāng)于中心大腦；數(shù)據(jù)交換機(jī)的作用是用來獲取開拆信息，開拆信息包含了分揀機(jī)需要對(duì)包件進(jìn)行分揀的信息，包括寄達(dá)局、條形碼等信息；數(shù)據(jù)服務(wù)器是用來存儲(chǔ)已被分揀的包件信息和來自數(shù)據(jù)交換機(jī)的信息等。

1.2 供件臺(tái)系統(tǒng)

供件臺(tái)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。靠近供件終端機(jī)的皮帶段定義為第一段供件臺(tái)，靠近分揀環(huán)線的皮帶段定義為第四段供件臺(tái)。

圖2 供件臺(tái)系統(tǒng)

第一段供包臺(tái)勻速供包，負(fù)責(zé)將包件在第二段供件臺(tái)空閑的時(shí)候遞送到第二段供件臺(tái)；第二段供件臺(tái)完成稱重，底面積測(cè)量；第三段供件臺(tái)為同步段，負(fù)責(zé)將包件調(diào)整到合適的速度，供到第四段供件臺(tái)；第四段供件臺(tái)，負(fù)責(zé)將包件送到分揀環(huán)線上。

1.3 小車控制系統(tǒng)

小車控制系統(tǒng)主要由軌道通信板和小車板組成，其中小車板由紅外收發(fā)器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，用于獲取信息和進(jìn)行上件和落格操作。軌道板和小車板通過紅外通信來獲取格口信息、主環(huán)信息等。小車在直線電機(jī)的作用下，在環(huán)型軌道上運(yùn)行，到了供件臺(tái)后小車控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)接包，到達(dá)指定格口后小車皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)把包件落入格口。

1.4 掃描儀系統(tǒng)

掃描儀系統(tǒng)用于獲取包件上的二維碼，閱讀二維碼后將會(huì)被送到主控機(jī)進(jìn)行處理，最終將分配一個(gè)目的地格口。

1.5 格口液晶顯示系統(tǒng)

格口液晶顯示系統(tǒng)由格口和格口液晶控制器組成，如圖3所示。格口是用于存放指定目的地的包件。格口液晶控制器可以顯示格口信息，其中包括包件數(shù)量、格口滿格和目的地等。同時(shí)可以通過格口按鍵對(duì)格口進(jìn)行操作，進(jìn)行打印、鎖格等操作。

圖3 格口液晶顯示系統(tǒng)

2 包件位置修正系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

減少分揀差錯(cuò)是包件分揀機(jī)的一個(gè)重要指標(biāo)，為了發(fā)揮包件分揀機(jī)的重大作用，使系統(tǒng)作業(yè)人員不需要直接參與，基本實(shí)現(xiàn)無人化，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、減少人力成本、提高分揀效率，就必須有效地減少錯(cuò)誤率。

包件分揀機(jī)存在分揀差錯(cuò)的主要原因是包件上件可能不是很準(zhǔn)確，這樣在落格時(shí)就可能存在提前落格或飄格等情況。對(duì)于包件分揀機(jī)系統(tǒng)來說，由于優(yōu)化了供件臺(tái)供件算法并采取了其他一些措施，上包狀態(tài)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)了。但是由于主環(huán)處于高速運(yùn)行，并且有些包件形狀不太規(guī)則等諸多情況，這樣就難免會(huì)出現(xiàn)包件被傳送到小車上位置不是很精確。

為了避免出現(xiàn)上件不準(zhǔn)造成錯(cuò)格的情況，采用在掃描儀處增加智能相機(jī)的方式，設(shè)計(jì)了一種包件位置修正系統(tǒng)。其工作原理是：包件上到小車上，在經(jīng)過掃描儀以后，通過智能相機(jī)識(shí)別出包件在小車上的具體位置，并通過紅外通信的方式告知小車，進(jìn)而在小車運(yùn)行到指定格口后執(zhí)行提前或延后落格動(dòng)作，避免出現(xiàn)飄格或提前落格的分揀差錯(cuò)。系統(tǒng)主要由智能相機(jī)、軌道板、小車板三部分組成。具體包件修正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 包件修正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 智能相機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

小車經(jīng)過智能相機(jī)后，觸發(fā)智能相機(jī)開始采集圖像，對(duì)小車托盤進(jìn)行拍照。包件在小車托盤上定義了四個(gè)邊界，以確定包件的具體位置，為小車進(jìn)行提前或延遲落格提供依據(jù)。

包件在小車上位置示意如圖5所示。T、B、L、R為包件與小車托盤的位置關(guān)系，T、B、L、R為正數(shù)表示包件的這四個(gè)邊界在托盤內(nèi)，T、B、L、R為負(fù)數(shù)表示包件的這四個(gè)邊界在托盤外。圖5中包件左邊界在小車托盤左邊界外，包件其余三個(gè)邊界都在小車托盤邊界以內(nèi)。

圖5 包件位置示意圖

智能相機(jī)定位包件的具體位置后，需要將定位信息通過串口發(fā)送給軌道板。智能相機(jī)與軌道板之間信息交互采用Modbus通信協(xié)議的RTU方式，具體的實(shí)現(xiàn)是通過RS422總線來連接。

Modbus協(xié)議作為一種通用語言應(yīng)用于電子控制器上，它已經(jīng)成為一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備之間、控制器相互之間可以通過此協(xié)議通信。正因如此，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以進(jìn)行集中監(jiān)控，具體通過Modbus協(xié)議連成的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)[7-10]。

當(dāng)Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)幀到達(dá)終端設(shè)備時(shí)，它進(jìn)入被尋址到的設(shè)備可以經(jīng)由一個(gè)簡(jiǎn)單的“端口”實(shí)現(xiàn)。該設(shè)備首先要去掉數(shù)據(jù)幀的“信封”(數(shù)據(jù)頭)，然后讀取有效數(shù)據(jù)，如果確認(rèn)數(shù)據(jù)沒有錯(cuò)誤，該數(shù)據(jù)所請(qǐng)求的任務(wù)將被執(zhí)行。

數(shù)據(jù)幀格式：地址(Address)、命令(Function)、數(shù)據(jù)(Data)和校驗(yàn)碼(Check)。

其中包件定位信息放在請(qǐng)求數(shù)據(jù)(Data)中，通過智能相機(jī)識(shí)別處理后，按協(xié)定的通信協(xié)議發(fā)送給軌道板。通信協(xié)議規(guī)定包件在小車托盤上應(yīng)該進(jìn)行橫向偏移和縱向偏移。橫向偏移可以使小車托盤提前或延遲執(zhí)行落格動(dòng)作；縱向偏移可以使小車托盤在落格前提前進(jìn)行包件位置調(diào)整，將包件調(diào)整到小車托盤縱向中心位置。

包件位置信息固定為3個(gè)字節(jié)，其中第1個(gè)字節(jié)的高低字節(jié)分別表示包件位置的橫向偏移和縱向偏移情況。0代表沒有偏移或沒有包裹，1代表正向偏移，2代表負(fù)向偏移。第2個(gè)字節(jié)代表本小車托盤上包裹橫向偏移量(單位：mm)。第3個(gè)字節(jié)代表本小車托盤上包裹縱向偏移量(單位：mm)。如：0x64即100mm。

2.2 小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于小車控制系統(tǒng)與軌道為非接觸式工作方式，在軌道板和小車板上都安裝有紅外通信模塊，數(shù)據(jù)通信方式采用紅外無線通信技術(shù)。

紅外傳輸距離在幾厘米到幾十米，使用時(shí)只能以半雙工方式進(jìn)行通信，因不同器件不同應(yīng)用設(shè)計(jì)，接收靈敏度與發(fā)射強(qiáng)度強(qiáng)弱不一。紅外線傳輸?shù)姆N類目前主要有以下三種，它們都屬于 IrDA 的物理層：

(1) 默認(rèn)傳輸模式 IrDA-SIR(Serial Infrared，串行紅外協(xié)議)；

(2) 快速 IrDA-FIR (Fast Infrared，快速紅外協(xié)議)；

(3) 超高速 IrDA-VFIR(Very Fast Infrared，超高速紅外協(xié)議)。

基于包件分揀機(jī)的應(yīng)用特性，本系統(tǒng)采用默認(rèn)傳輸模式IrDA-SIR。IrDA-SIR，即IrDA1.0 協(xié)議，是最早的也是最基本的傳輸模式。它基于UART，簡(jiǎn)稱SIR，提供短程的紅外異步串行傳輸，采用3/16ENDEC編/解碼機(jī)制，使用一個(gè)啟動(dòng)位、8個(gè)數(shù)據(jù)位和一個(gè)停止位。SIR 的最高通信速率采用電腦串行端口的最高速率115 200 bit/s，其主要原因是由于受到UART 通信速率的限制。它也可以調(diào)整速度以匹配速度較低的設(shè)備。該標(biāo)準(zhǔn)的主要優(yōu)點(diǎn)在于可使用已有的串行硬件而無需增加其他成本，且錯(cuò)誤率低[11-13]，對(duì)照明或陽光的抗干擾能力很強(qiáng)。

采用紅外無線通信后，當(dāng)小車通過軌道板時(shí)，通過小車上的紅外與軌道上的紅外板進(jìn)行無線通信。軌道板通過RS422總線得到智能相機(jī)傳遞過來的包件位置數(shù)據(jù)后，經(jīng)過內(nèi)部處理將包件位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為小車能夠識(shí)別的紅外通信格式。最終將數(shù)據(jù)通過紅外發(fā)模塊發(fā)送給小車，小車接收到包件位置信息后，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)包件的位置修正處理。具體電機(jī)調(diào)整，需要經(jīng)過精確的計(jì)算，如需考慮到齒輪的傳動(dòng)比等多方面情況。小車板落格原理如圖6所示。

圖6 小車板落格原理

為了確保包件可以正常入格，對(duì)于縱向偏移來說，如果包件沒有縱向偏移量，則小車無需動(dòng)作；如果有偏移量，小車需要馬上進(jìn)行調(diào)整，以確保包件在到達(dá)格口之前，包件已經(jīng)被調(diào)整到小車的中心位置，保證落格的準(zhǔn)確性。對(duì)于橫向偏移來說，如果包件沒有橫向偏移量，則小車無需動(dòng)作；如果有偏移量，小車在獲取到格口信息后，會(huì)預(yù)留一段落格的調(diào)整距離，在到達(dá)指定格口前提前或延后驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行落格動(dòng)作。當(dāng)橫向偏移為主環(huán)運(yùn)行方向靠近小車托盤前面的時(shí)候，小車進(jìn)行提前落格動(dòng)作；當(dāng)橫向偏移為主環(huán)運(yùn)行方向靠近小車托盤后面的時(shí)候，小車進(jìn)行延后落格動(dòng)作。

3 驗(yàn) 證

原有包件分揀機(jī)已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際的工作生產(chǎn)中，如圖7所示。但是由于會(huì)出現(xiàn)提前落格和飄格問題，包件會(huì)被分揀到目標(biāo)格口的隔壁幾個(gè)格口。這樣一來，系統(tǒng)的錯(cuò)包率高的問題就比較的突出，同時(shí)給操作工人帶來了無謂的工作量，不滿足用戶對(duì)包件分揀機(jī)性能指標(biāo)的要求。

圖7 分揀機(jī)現(xiàn)場(chǎng)照片

本設(shè)計(jì)是在原有包件分揀機(jī)的基礎(chǔ)上提出來的。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)多天實(shí)際分揀的應(yīng)用檢驗(yàn)，系統(tǒng)的錯(cuò)包率由原來的0.1%降低至0.01%，達(dá)到了用戶對(duì)分揀機(jī)性能指標(biāo)的要求。同時(shí)，通過走訪現(xiàn)場(chǎng)一線分揀員工，反饋系統(tǒng)性能得到了提升，真正實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化分揀，獲得一致好評(píng)。

4 結(jié) 語

為了滿足快速發(fā)展的物流行業(yè)對(duì)分揀系統(tǒng)效率和性能不斷提升的需求，本文提出一種優(yōu)化的分揀機(jī)包件位置修正系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在自動(dòng)包件分揀機(jī)系統(tǒng)中，影響包件分揀系統(tǒng)的效率和性能的重要因素之一是包件是否能夠正確的落格。因此，本系統(tǒng)通過智能相機(jī)定位包件在小車上的具體位置，使小車從一個(gè)“盲人”狀態(tài)變得可以“看清世界”了。通過紅外通信技術(shù)將信息傳遞給主環(huán)運(yùn)行的小車，使原本因?yàn)榘谛≤嚿系奈恢貌皇呛芎枚斐砂e(cuò)格的情況大大降低。

通過對(duì)系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化，有效降低分揀誤差，提高了系統(tǒng)整體的運(yùn)行效率和可靠性。系統(tǒng)已經(jīng)被應(yīng)用到了某些省市的物流分揀中心，得到了諸多客戶滿意的反饋結(jié)果。加入了包件位置修正的自動(dòng)分揀機(jī)系統(tǒng)，基本實(shí)現(xiàn)無人化，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人力成本。隨著物流行業(yè)的快速發(fā)展，系統(tǒng)可被廣泛應(yīng)用到自動(dòng)分揀領(lǐng)域。