擺輪分揀機技術發展與分揀控制技術應用研究

文/王同旭

一、引言

近十年時間，電商、快遞等行業高速發展，帶動了物流裝備的快速成長。輸送分揀設備是電商、快遞等行業搬運、揀選、分揀的核心裝備，各種輸送分揀設備構建了不同規模的中大型物流倉儲配送中心，實現快速完成訂單揀選和分揀作業[1]。電商、快遞的市場急速擴張，各大電商與快遞公司為了搶占市場，在全國各地快速布局倉儲物流配送中心，旨在提高物流時效性，縮短物流時間，吸引客戶。以京東、順豐為代表，提出了當日收、次日達，甚至是當日達的服務宗旨。這一切的背后是以各種輸送分揀設備的性能不斷優化提升做支撐的。

隨著市場需求與客戶要求不斷提升，對物流裝備的要求也更加苛刻，如物品種類規格適應范圍廣，運行速度快，分揀效率、分揀準確率高等。擺輪分揀機作為物流倉儲配送中心常用的分揀設備，其技術不斷迭代發展，相繼出現了不同結構的擺輪分揀機，其性能不斷提升。以分揀效率技術指標為例，2010年前，擺輪分揀機的分揀效率≤2000pcs/h，如今的分揀效率可達到6000-8000pcs/h，其發展歷程如圖1所示。

圖1 擺輪分揀機分揀效率發展歷程示意圖

二、擺輪分揀機結構形式

1.擺輪分揀機結構組成與分類

根據擺輪分揀機的功能劃分，其結構主要由三部分組成：輸送單元、傳動單元、轉向單元，如圖2、3所示。輸送單元與物品底部接觸，輸送單元持續運轉，實現物品向前輸送；傳動單元為動力傳遞結構，將電機動力轉換成輸送單元動力；轉向單元驅動擺輪轉向，實現物品分揀。經過多年的技術發展和迭代，擺輪分揀機各組成部分結構形式各不相同。

圖2 擺輪分揀機組成部分示意圖

根據擺輪分揀機的組成部分不同，將其分成不同類型。

根據輸送單元結構分類：O帶式擺輪分揀機、動力球式擺輪分揀機、電輥筒式擺輪分揀、輥筒式擺輪分揀機、皮帶式擺輪分揀機。

根據傳動單元結構分類：O帶傳動、同步帶傳動、磁性輪傳動、齒輪傳動、摩擦傳動，電輥筒直驅。

圖3 擺輪分揀機結構示意圖

圖5 頂升式擺輪分揀機應用場景圖

圖6 氣動式擺輪分揀機示意圖

圖7 氣動式擺輪分揀機應用場景圖

根據轉向單元結構分類：固定角度頂升式、氣動轉向、步進驅動轉向、齒輪齒條轉向、同步帶轉向、伺服驅動轉向。

（1）擺輪分揀機技術發展

擺輪分揀機結構的迭代發展，與其運行速度、分揀效率息息相關。根據分揀效率的不同，可將擺輪分揀機的發展分成低速、中速和高速三個階段。低速階段的頂升式擺輪分揀機、氣動式擺輪分揀機，如圖4、5、6、7所示，分揀效率≤2000pcs/h。采用同步帶與同步帶輪將電機動力傳遞給驅動輥筒，輥筒帶動O帶并驅動擺輪輸送，實現物品輸送[2]。采用氣缸頂升或是氣缸驅動連桿轉向，驅動擺輪轉向，實現物品分揀[3]。

圖4 頂升式擺輪分揀機示意圖

中速階段的電動式擺輪分揀機、動力球式擺輪分揀機，如圖8、9、10、11所示，分揀效率≤4000pcs/h。采用同步帶與同步帶輪將電機動力傳遞給動力球，每個動力球內有一組錐齒輪，將水平轉動轉換成垂直轉動，實現物品輸送，其運行速度快，承載能力強。采用伺服電機驅動連桿轉向，帶動擺輪轉向，實現物品分揀[4]，伺服驅動轉向動作柔和，響應快，分揀效率高。

圖8 電動式擺輪分揀機示意圖

圖9 電動式擺輪分揀機應用場景圖

圖10 動力球式擺輪分揀機示意圖

圖13 電輥筒式擺輪分揀機應用場景圖

隨著市場需求的不斷提升，對物流裝備的性能也日益提高，加速推進擺輪分揀機進入高速階段，其分揀效率高6000-8000pcs/h，運行速度快120-180m/min，承載能力強≥60kg，運行穩定可靠。在總結上述擺輪分揀機的結構特點基礎上，從結構簡化、單元模組、易拆裝維護、易拓展等方面考慮，設計了兩款新型擺輪分揀機：電輥筒式擺輪分揀機、皮帶式擺輪分揀機。

圖15 電輥筒單元模組示意圖

圖17 皮帶式擺輪分揀機應用場景圖

（2）新型擺輪分揀機結構設計

①電輥筒式擺輪分揀機

電輥筒式擺輪分揀機，輸送單元為獨立的電輥筒，每臺擺輪分揀機包含多個電輥筒，按照一定間距平行或是交錯布置，控制板卡驅動電輥筒運行，實現物品輸送，如圖12、13所示。采用獨立運行的電輥筒，無需傳動單元，其結構更為簡潔，如圖14、15所示。

圖12 電輥筒式擺輪分揀機示意圖

圖14 電輥筒輸送單元示意圖

電輥筒式擺輪分揀機采用模組化設計，多組轉向單元模塊，伺服電機驅連桿轉向，轉向動作柔和，響應快，分揀效率高；轉向角度控制精準，角度偏差±0.5°，能夠確保物品輸送不會出現偏轉而影響后續分揀，可實現多角度、雙向分揀。采用輪式輸送單元，對部分軟包輸送分揀有一定的局限性。

②皮帶式擺輪分揀機

皮帶式擺輪分揀機的輸送單元為皮帶，如圖16、17所示，皮帶的驅動動力有多種形式。如采用磁性輪將水平轉動轉換成垂直轉動，驅動皮帶運行，電磁驅動技術，無摩擦接觸傳動，運行穩定噪音低，如圖18所示。如采用表面為多楔帶齒的電輥筒直接驅動多楔帶運行，輸送單元結構簡單，如圖19所示。

圖16 皮帶式擺輪分揀機示意圖

圖18 磁性輪驅動示意圖

圖19 皮帶式單元模組示意圖

皮帶式擺輪分揀機采用標準模塊化設計，每排輸送轉向單元為獨立模塊，可根據應用場景進行拓展布置，給系統部署帶來更多可能；現場運營維護時，可輕松快速自上而下拆卸單元模塊，便于拆裝維護，如圖19所示。

皮帶輸送單元與物品柔性接觸，接觸面積大，適應大件、小件不同種類和規格的物品分揀，尤其適合小件箱盒和軟包分揀。

電輥筒式擺輪分揀機與皮帶式擺輪分揀機，采用電輥筒作為輸送單元，其結構簡潔，運行穩定；采用伺服轉向結構，響應快，轉向精準；采用單元模組設計，可實現小間距精確控制，提高分揀效率，易于布局拓展，便于拆裝維護。兩款新型擺輪分揀機的運行速度高，分揀效率高，物品適用范圍廣。當然，擺輪分揀機要實現高速高效穩定運行，除了有完美的機械結構，還需要優越的分揀控制技術。

三、擺輪分揀機分揀控制技術

提高擺輪分揀機的分揀效率，可以通過提高運行速度、縮小物品間隙、提高轉向動作響應實現。在高速、快響應的前提下，如何保證伺服驅動對轉向結構沖擊小，設備運行平穩？如何保證物品柔性分揀，減少物品沖擊？其分揀控制技術顯得尤為重要。

1.擺輪分揀機電氣控制過程簡述

擺輪分揀機作為輸送分揀系統的一部分，如圖20所示，其電氣控制可作為獨立的控制單元，單獨控制擺輪分揀機輸送分揀。

圖20 擺輪分揀機電氣控制示意圖

經過前端的合流、拉距，將物品按照一定間距排列進入分揀機前端輸送線。讀碼器讀取物品條碼信息，與WCS/WMS信息交互，獲取物品分揀目的地。物品輸送至擺輪分揀機的前端輸送機，觸發光電，主控PLC給擺輪分揀信號（動作信號）和方向信號（目的地方向），其第一模組擺輪轉向到指定角度，伺服電機停止轉向動作，擺輪會保持在此位置。同時相繼延遲一定時間，另外幾個模組擺輪先后轉向到位，實現物品分揀。

當物品完全通過觸發光電后，觸發光電信號消失，延遲一定時間（保證在這段時間內，物品末端能運行到第一組擺輪末端，即物品完成分揀動作），第一模組擺輪回中（直行）轉向，并保持在直行位置。同樣相繼延遲一定時間，另外幾個模組擺輪先后轉向至直行，完成一個分揀動作，待下一個物品觸發光電執行分揀動作。

以上為擺輪分揀機分揀動作控制的粗略概括，為保證擺輪分揀機高速高效穩定運行，需要精確控制，如速度控制、間距控制、伺服轉向動作控制等。

2.擺輪分揀機分揀效率計算

擺輪分揀機分揀效率與運行速度，物品長度，以及物品間隙相關[5]，如公式（1）所示：

式中：

P—分揀效率，pcs/h；

V—運行速度，m/s；

L—物品長度（平均長度），mm；

G—物品間隙（平均間隙），mm；

η—分揀系數（常取0.85）；

如電輥筒擺式輪分揀機的運行速度V=2m/s，物品平均長度L=500mm，物品平均間隙G=500mm，分揀系數η=0.85，則其分揀效率為：

從公式（1）、（2）中，能夠看出，擺輪分揀機的分揀效率與運行速度成正比，與物品節距（物品長度與物品間隙之和）成反比。顯而易見，在物品長度確定的情況下，欲提高分揀效率，可提高運行速度和減小物品間隙。

3.擺輪分揀機速度控制

提高擺輪分揀機運行速度，需要同步提高輸送機的運行速度。物品直行輸送時，擺輪運行速度與前后端的輸送機的運行速度相同；但在物品分揀過程中，擺輪的直行分速度小于直行輸送速度，分揀物品與后面的直行物品間的間隙會逐漸變小，可能會影響后續直行物品的輸送和分揀。

為解決這一問題，可增相鄰大物品間隙，以彌補速度變化造成間隙減小，但會影響分揀效率。或是提高擺輪分揀時的速度，保證其直行分速度與輸送機的速度相同，其分揀速度與直行速度的關系，如圖21所示，參照公式（3）。

按照分揀角度為30°/45°兩種，其分揀速度分別為：

由此可知，要保證擺輪分揀機高速高效分揀，擺輪分揀機需要有兩個速度模式，一個是常規狀態下的直行速度，另一個是分揀速度，且兩種速度模式能夠快速切換。當PLC給擺輪分揀信號（動作信號）和方向信號（目的地方向）時，擺輪進行轉向，PLC與電輥筒控制板卡采用R485通訊，快速切換至分揀速度模式，保證物品間隙不會發生變化。

4.擺輪分揀機物品間距控制

減小物品間隙。擺輪采用模組化設計，多組轉向驅動模組，擺輪模組的長度，與擺輪外形尺寸和結構尺寸相關，為了保證高速高效分揀，擺輪模組的長度一般＜250mm。每個擺輪模組的長度應小于物品間隙，才能保證擺輪模組轉向不會影響相鄰物品的輸送分揀。即要求在相鄰物品間隙內，擺輪能夠實現左分位置（-45°）與右分位置（+45°）的極限位置快速切換，則極限位置的轉向空間＞250mm。考慮物品經過不同輸送分揀設備，其位置會發生偏移，造成相鄰物品間隙變小，常規設定相鄰物品最小間隙為350mm，能夠滿足正常分揀，保證其分揀效率，亦能減少分揀回流率（因為物品間隙過小）。

綜上，可確定極限位置空間范圍為250-350mm，常取300mm。即在300mm空間內完成極限位置轉向，極限位置轉向時間計算如公式（6）：

5.擺輪分揀機伺服轉向動作控制

在150ms內，既要完成極限位置切換，又要確保轉向動作平穩，對伺服轉向要求極高[6]。當前擺輪分揀機多采用400W的伺服電機，配速比為20的減速機，作為轉向單元的驅動。

伺服電機的額定轉速為3000rpm，在150ms內完成極限位置的切換，伺服電機先加速轉向至額定轉速，再均勻轉向，再進行減速，其運動過程如圖22所示。其加速時間和減速時間相同，如公式（9所示），額定轉速、轉向加速度、動作時間關系，如公式（7）、（8）、（10）、（11）所示。

圖22 擺輪分揀機伺服驅動動作時刻示意圖

由計算可知，伺服電機的轉向加速度很大，其沖擊力很大，需要調整伺服電機的轉向參數，以減少伺服電機的轉向沖擊。如減緩伺服電機啟動和停止階段的轉向變化曲線，即在加速/減速階段，逐漸增大/減小轉向加速度值，使得電機轉速曲線變得更順暢，如圖23所示。另外，伺服電機剛性其實是速度環、位置環和時刻積分常數組合成的一個參數，可以通過調整伺服驅動器的增益參數，減少伺服電機剛性，減少分揀沖擊，保證轉向動作平穩。

圖23 擺輪分揀機伺服驅動變加速度示意圖

6.擺輪分揀機多角度轉向控制

分揀時，要保證物品能夠完全分揀出去，可設置大角度分揀，但大角度突然轉向分揀，會造成的物品分揀變向和翻滾損壞。可以通過轉向角度控制，每個模組擺輪設置不同的分揀角度，分揀角度逐漸增加，如30°、35°、40°、45°、50°，使得物品緩慢轉向、平穩輸送分揀，保證物品柔性分揀， 如圖24所示。

圖24 擺輪分揀機變角度分揀示意圖

四、總結

隨著快遞、電商物流行業的快速發展，倉儲物流配送中心對物流裝備的性能要求越來越高，促進了擺輪分揀機技術快速迭代發展，各種結構的擺輪分揀機相繼問世，旨在解決不同應用場景需求，如小件軟包分揀，大件重載分揀等。擺輪分揀機經過近10年的低速、中速發展，如今步入了高速發展階段，其性能參數要求變得更高：分揀效率高6000-8000pcs/h，運行速度快120-180m/min，承載能力強≥60kg，運行穩定可靠。

本文總結了各種擺輪分揀機的結構特點與應用場景，對其分揀動作過程和分揀控制技術進行了較充分的研究和實踐，以此為基礎設計了兩款采用電輥筒和皮帶作為輸送單元的新型擺輪分揀機，并已成功應用于快遞、零售、電商等行業。

新型擺輪分揀機的輸送單元結構簡潔可靠，能夠高速重載穩定運行；伺服轉向結構和單元模組化設計，伺服轉向精準、響應快，通過伺服轉向過程控制和多角度轉向控制，可減少分揀轉向沖擊，物品分揀軌跡更順暢，確保其分揀平穩性；同時，采用了雙速度模式控制與小間距精確控制，確保高速分揀時物品間距不會發生變化，提升分揀效率。新型擺輪分揀機的獨特結構與電氣控制技術完美結合，使得新型擺輪分揀機滿足高速、高效、穩定、可靠運行的要求。誠然，市場需求日益變化，技術日益革新，擺輪分揀機技術也將會迎來新的發展。