新型液動(dòng)快件自動(dòng)化分揀裝置設(shè)計(jì)*

范景峰 ,黃雙成 ,梅二召 ,范冰冰，曹志廣

(1.河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450042；2.鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450000；3.河南順豐速運(yùn)有限公司工業(yè)工程處，鄭州 450000)

0 引言

在科技迅速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)全球化的市場(chǎng)環(huán)境影響下，物流行業(yè)正在蓬勃發(fā)展，物流快件自動(dòng)化分揀，不僅解放了勞動(dòng)力，提高了生產(chǎn)效率，而且還促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)[1]。目前我國(guó)物流發(fā)展已成為世界上發(fā)展速度快，具有活力的新興市場(chǎng)[2]。

目前，快遞分揀行業(yè)中存在自動(dòng)化程度低、作業(yè)流程復(fù)雜、自動(dòng)化設(shè)備昂貴等現(xiàn)象；自動(dòng)化分揀系統(tǒng)建設(shè)成本高、運(yùn)行成本高、投入人力較大、效率較低、錯(cuò)分錯(cuò)發(fā)比較嚴(yán)重等[3]。根據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)品的不足[4-5]，針對(duì)目前市場(chǎng)上快件分揀裝置中存在的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種新型液動(dòng)快件自動(dòng)化分揀系統(tǒng)，滿足客戶需求，適應(yīng)我國(guó)快遞行業(yè)的迅速發(fā)展，具有較好的應(yīng)用前景。

1 整體設(shè)計(jì)方案

圖1為新型液動(dòng)快件自動(dòng)化分揀裝置的三維模型結(jié)構(gòu)示意圖，快件自動(dòng)化分揀系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)：解倒包平臺(tái)、托盤、液壓缸、軌道、滑槽、動(dòng)力系統(tǒng)、巴槍、電機(jī)等。

圖1 分揀裝置截面簡(jiǎn)圖

該結(jié)構(gòu)不僅間距大小可以調(diào)節(jié)，也可以實(shí)現(xiàn)外形規(guī)格不同的貨物分揀，通用性好，易于維修和替換，完全實(shí)現(xiàn)低成本組建；利用單片機(jī)控制電機(jī)帶動(dòng)整條生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)快件分揀的速度控制；整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 整體結(jié)構(gòu)示意圖

工作過(guò)程如下：首先快件放入解倒包平臺(tái)內(nèi)，利用人工將快件放入托盤上；當(dāng)有快件的托盤運(yùn)動(dòng)到巴槍下方時(shí)，巴槍掃描快件上的二維碼，當(dāng)有快件的托盤運(yùn)動(dòng)到指定的位置時(shí)，液壓回路動(dòng)作，液壓缸運(yùn)動(dòng)，托盤傾斜，快件落下，然后液壓缸回到初始位置，托盤復(fù)位，完成整個(gè)快件投遞過(guò)程。

2 主要部件的設(shè)計(jì)

2.1 托盤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

托盤機(jī)構(gòu)主要包括：托盤支架、液壓缸、托盤等部分組成。根據(jù)不同快件大小和重量的不同，一般設(shè)計(jì)托盤承重不低于5 kg，上線快件限重4 kg；托盤設(shè)置的長(zhǎng)為50 cm，寬36 cm，側(cè)面高5 cm，上件過(guò)程中必須控制上件重量，否則損壞托盤；初始狀態(tài)是托盤水平，在液壓缸的作用下，左右可以傾斜60°，液壓缸運(yùn)動(dòng)控制托盤傾斜和復(fù)位。托盤整體設(shè)計(jì)及機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

1.托盤 2.液壓缸 3.托盤定位桿 4.光電傳感器 5.托盤傾斜擋板 6.托盤支架

2.2 液壓控制回路設(shè)計(jì)

托盤液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：托盤的主要運(yùn)動(dòng)包括托盤左傾斜、復(fù)位到水平位置、托盤右傾斜3個(gè)工位。利用光電傳感器控制托盤左傾斜60°、托盤右傾斜60°、托盤水平3個(gè)工位；根據(jù)三工位要求設(shè)計(jì)出液壓回路如圖4所示，電磁閥動(dòng)作與光電傳感器配合情況如表1所示。

表1 電磁換向閥動(dòng)作與光電傳感器配合

1.定量泵 2.單向閥 3.溢流閥 4.蓄能器 5.三位四通電磁換向閥 6.單向節(jié)流閥 7.液壓缸

表1中，“+”表示電磁閥通電，光電傳感器檢測(cè)到托盤傾斜擋板；“-”表示電磁閥不通電，光電傳感器沒(méi)有檢測(cè)到托盤傾斜擋板。

托盤液壓回路采用兩個(gè)基本回路：①節(jié)流調(diào)速回路，定量泵供油提供整個(gè)回路的油壓，單向節(jié)流閥控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度，從而控制托盤的運(yùn)動(dòng)速度，滿足不同分揀速度的要求；②蓄能回路，該液壓回路油路上安裝一個(gè)蓄能器，蓄能器一個(gè)作用是吸收多余的液壓回路的能量，減緩換向閥換向沖擊引起的托盤裝置突然左傾斜或右傾斜，引起沖擊和振動(dòng)。

3 控制電路總體設(shè)計(jì)

新型液動(dòng)快件自動(dòng)化分揀系統(tǒng)的電控部分主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)模塊、動(dòng)力控制模塊、電機(jī)控制模塊等。本系統(tǒng)主要利用單片機(jī)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制分揀速度的快慢。

3.1 單片機(jī)模塊

該系統(tǒng)采用的單片機(jī)是STC12C5A60 S2單片機(jī)，該單片機(jī)特點(diǎn)是：運(yùn)行速度高、耗能比較低、抗干擾能力超強(qiáng)、兼容性強(qiáng)等特點(diǎn)[6-7]。

對(duì)設(shè)計(jì)的單片機(jī)系統(tǒng)模塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)Keil5.0上對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行編程[8]，通過(guò)仿真器將編寫(xiě)的程序下載到單片機(jī)芯片上，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)仿真與調(diào)試，驗(yàn)證單片機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)托盤三工位的動(dòng)作與功能，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境如圖5所示。

圖5 單片機(jī)功能實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

3.2 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分

該系統(tǒng)動(dòng)力部分有電機(jī)、定量泵等，液壓動(dòng)力裝置主要包括：溢流閥、單向節(jié)流閥、電磁換向閥等。

液壓動(dòng)力裝置控制核心采用STC12C5 A60S2單片機(jī)控制，單片機(jī)通過(guò)控制電磁換向閥來(lái)控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)托盤的左傾斜、水平、右傾斜；光電傳感器收集托盤的傾斜和水平信號(hào)反饋到單片機(jī)；最終實(shí)現(xiàn)托盤運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。

當(dāng)左側(cè)光電傳感器檢測(cè)到托盤到達(dá)預(yù)設(shè)的位置時(shí)，單片機(jī)引腳P1.0=0，P1.1=0，T1為高電平，T2為低電平，U6所指示的光電耦合器觸發(fā)，從而控制D2所指示的可控硅導(dǎo)通，YV2得電，托盤左傾斜回到水平位置；當(dāng)右側(cè)光電傳感器檢測(cè)到托盤到達(dá)預(yù)設(shè)的位置時(shí)，單片機(jī)的P1.0=1，P1.1=0，T1為低電平，T2為高電平，U2所指示的光電耦合器觸發(fā)，從而控制D18所指示的可控硅導(dǎo)通，YV1得電，托盤右傾斜回到水平位置。當(dāng)中位光電傳感器檢測(cè)到托盤處于水平位置時(shí)，單片機(jī)的P1.0=1，P1.1=1，T1和T2都為高電平，兩個(gè)光電耦合器都不會(huì)觸發(fā)，兩個(gè)可控硅截止，YV1和YV2都斷電，托盤處于水平位置，具體電路如圖6所示。

圖6 單片機(jī)控制電磁換向閥電路

3.3 電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制模塊

該設(shè)計(jì)的分揀裝置中步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)托盤機(jī)構(gòu)在預(yù)定的軌道上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)下面的皮帶機(jī)將裝好的包裹運(yùn)到裝車區(qū)。該分揀裝置供電采用220V的交流電，L297是步進(jìn)電機(jī)的專用控制器，能夠用單四拍、雙四拍等控制步進(jìn)電機(jī)，能將控制器發(fā)過(guò)來(lái)的脈沖信號(hào)從新按照一定的規(guī)律在分配，提供給步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的信號(hào)[9-10]；然而，L298可以放大L297提供過(guò)來(lái)的信號(hào)。電路設(shè)計(jì)原理圖如圖7所示，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)物圖如圖8所示。

圖7 電路設(shè)計(jì)原理圖

圖8 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)物圖

4 生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

本設(shè)計(jì)整體目前應(yīng)用到河南順豐速運(yùn)有限公司，為了驗(yàn)證該新型液動(dòng)快件自動(dòng)化分揀裝置的系統(tǒng)的穩(wěn)定性能、使用性能、安全性、可靠性等[11-13]；同時(shí)也為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和安全性，根據(jù)設(shè)計(jì)方案制作出一條生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果分析：

(1)整條生產(chǎn)線每小時(shí)分揀大概4000件左右，該生產(chǎn)線運(yùn)行平穩(wěn)、可靠性強(qiáng)、安全性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)合理等。

(2)分揀平均完成時(shí)間0.9 s左右，其中包含工人上件時(shí)間，設(shè)計(jì)符合生產(chǎn)線要求。

(3)整條生產(chǎn)線速度和生產(chǎn)效率相對(duì)較高，在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，生產(chǎn)過(guò)程的速度可以通過(guò)單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)一起調(diào)節(jié)控制。

(4)試驗(yàn)過(guò)程中，從上件、巴槍掃描、托盤運(yùn)動(dòng)到指定位置、快件落入包裹內(nèi)等，能夠平穩(wěn)進(jìn)行、振動(dòng)小、噪音小、效果良好，驗(yàn)證了整條生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

5 結(jié)論

為了更好的適應(yīng)現(xiàn)代物流行業(yè)需求，實(shí)現(xiàn)快遞分揀裝置自動(dòng)化程度高、作業(yè)流程簡(jiǎn)單、制造成本低等要求，制定了新型液動(dòng)快件自動(dòng)化分揀裝置的整體設(shè)計(jì)方案。

(1)該生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、自動(dòng)化程度高、分揀質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。

(2)該生產(chǎn)線提出的單片機(jī)控制的液壓回路分揀裝置，運(yùn)用單片機(jī)控制整個(gè)分揀裝置的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)用光電傳感器和液壓回路控制托盤的三工位運(yùn)動(dòng)；通過(guò)生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該分揀裝置整體運(yùn)行平穩(wěn)，分揀錯(cuò)誤率低，運(yùn)行效果良好。

(3) 該生產(chǎn)線利用單片機(jī)模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)分揀速度可調(diào)，更大程度的適應(yīng)不同分揀要求，在未來(lái)快遞分揀行業(yè)中具有較好的應(yīng)用前景。