分揀導入物料的投影尺寸及近似體積測量計算方法

劉強 馬立新 閔定勇 趙逍 柳智磊 藺應曉

[摘要]分析了目前自動化物流分揀輸送系統在物料導入輸送環節的工藝特點和設備控制現狀，并結合應用光電檢測、工業可編程控制等技術，針對水平交叉帶分揀輸送機應用場景，對其中物料導入控制環節所面臨的物料外形尺寸測量和計算問題，提出了基于物料輪廓最大值檢測、尺寸特征捕捉、長寬比關系判斷等要素來對物料投影尺寸進行測量的計算方法，具有數據采集實時、程序編寫簡單、運算量少等特點;同時基于對導入輸送的物料進行橫向、縱向的截面段斷層掃描測量并累加計算，以較低的器件成本及較少的控制器程序運算量，實現對物料體積的近似測量計算，是一種較為經濟和可取的控制計算方法。

[關鍵詞]投影尺寸;交叉帶分揀輸送機;導入物料;近似體積;可編程控制器

[中圖分類號]TH22

[文獻標識碼]A

[文章編號]1005-152X（2022）02-0113-06

[收稿日期]2021-12-28

[作者簡介]劉強（1973-），通信作者，男，四川儀隴人，昆船智能技術股份有限公司高級工程師，研究方向：自動化物流設備控制系統、物流自動化工藝等;馬立新（1982-），男，云南巍山人，回族，昆船智能技術股份有限公司高級工程師，研究方向：自動化物流系統智能裝備及工業控制軟件開發;閔定勇（1968-），男，云南文山人，昆船智能技術股份有限公司高級工程師，研究方向：自動化物流系統和產品研發。

0引言

在當前自動化物流分揀輸送系統中，往往存在著多個分揀輸送單元，設備面臨分揀的物料千差萬別，同一設備單元中物料尺寸也是多種多樣，控制系統需要對物料的外形投影尺寸進行準確的測量，并將測量結果綁定給物料信息，在不同的控制環節進行傳遞，從而對物料在這些單元之間的導入導出分揀輸送進行準確的控制，確保準確分揀;此時會有許多進行側向導入合流輸送的場景，例如Tilt-Tray Sorter傾板式分揀機、Cross-Belt Sorter交叉帶分揀機等輸送系統的物料導入單元，如圖1所示。在進行這些系統的合流輸送控制時，掌握物料長寬方向準確可靠的尺寸信息，對于控制好物料在導入和導出的輸送姿態極其重要，是保證物料在上下游輸送單元分揀輸送準確性的關鍵因素。

為確保后段分揀輸送單元的可控輸送，在導入輸送線上輸送的物料均按照平行于主輸送線運行方向的姿態進行擺放和輸送，而為使物料準確在本級分揀輸送段導出和在下一級導入，需要在本級輸送段上對這些長寬方向與輸送線方向不一致的物料尺寸進行測量計算。在一般場景中因設備安裝空間、分段控制、以及檢測器件尺寸成本等因素，決定了用于檢測的測量光柵只能采用垂直于導入方向的方式安裝，這就需要對測量光柵的采集數據進行一定的計算處理，方可作為物料的尺寸數據用于導入導出控制使用。目前此類系統的常用計算方法對數據采集不夠實時、計算方法復雜、程序編寫量和運算量大，在工程應用中存在一定不足，不能滿足控制通用性以及快速準確獲取物料尺寸數據的控制應用需求。

另外，當前的自動化物流分揀輸送系統的一些應用場景中，尤其是在諸如快遞、倉儲等環節，為了實現對物料堆碼、轉運的空間預判、以及運費計算等功能的支持，需要實時掌握物料的體積數據，這對于在分揀輸送線中導入物料體積進行測量提出了應用需求，非常有必要在綜合考慮硬件配置成本以及系統控制計算能力等因素的基礎上對此類需求進行響應。

隨著計算機控制技術的飛速發展，當前的工控領域可編程控制器的計算能力也大幅提高，目前主流的可編程控制器的布爾量運算和浮點運算能力都達到了ns級別，工業通訊總線也達到了千兆的速率和小于10ms的響應時間;而測量光柵等光電測量元件的測量精度一般為毫米級別，故而可以結合這些進步和提升，通過優化控制器的算法對上述分揀物料的尺寸和體積進行測量和計算，從而對其可靠準確的進行分揀以及完善物料的物理信息，為整個分揀輸送系統準確高效運行提供保障。

1技術應用分析

鑒于以上技術背景，本文將以昆船智能技術股份有限公司研發生產的FHD2型水平交叉帶分揀機應用場景為例，介紹一種在其物料導入合流環節應用的物料長寬尺寸及近似體積測量的計算方法。水平交叉帶分揀機是一種高效的物料分揀設備，一般配置有多個側向供包臺，每個供包臺都由若干排隊輸送機、同步輸送機、導入輸送機組成，一般在排隊輸送機與同步輸送機之間配置測量光柵，物料在供包臺輸送時，通過光柵測量出外形尺寸數據，控制系統根據外形投影尺寸數據判斷出物料在輸送線上的位置，同時啟動位置跟蹤，通過位置反饋進行系統中空閑交叉帶小車的定位和同步追隨，最終以與環行圈匹配的投影速度實現物料從導入口到小車的遷移，如圖2所示。

水平交叉帶分揀機輸送系統中，物料在外形光柵檢測的位置尺寸數據，既用于計算物料同步輸送X方向位置的提前或滯后量，也將用于物料輸送到小車上Y方向位置的停位，實現物料中心與小車車中心的對中;導入到小車上的物料通過序列位置標記和動態跟蹤，各供包臺、交叉帶小車、導出格口在控制信息系統的統一協調下，按照不同目的地的要求將物料準確高效的導出到相應的分揀口，實現系統的連續高速運行。由此可見，物料外形投影尺寸是影響這種交叉帶分揀機供包臺供包導入效率的關鍵因素，對其快速準確的測量和計算對于物料后續在各個單元準確進行輸送和分揀有著極為重要的影響。

另外交叉帶分揀機系統的應用場景中，為了便于格口滿料預判、以及費用計算等功能的實現，需要對分揀物料的體積數據及時準確進行測量，這樣的功能可以在上述物料外形尺寸測量計算的基礎上進行延伸開發，可在綜合考慮硬件配置成本以及系統控制計算能力等因素基礎上對此進行響應，從而滿足不同系統和用戶的功能需求。

2計算控制方法詳述

本文介紹的計算方法基于側向導入輸送機各個導入導出段對物料的可控速水平輸送，以及垂直于導入輸送方向安裝的測量光柵對側向導入物料的實時測量數據。以下將分別從物料投影尺寸測量和近似體積測量兩個方面對具體的測量和計算方法進行詳細說明。

2.1物料投影長寬尺寸測量的計算方法

如圖3所示，物料長寬尺寸測量計算方法的基本原則是測量出物料在平行和垂直于輸送線導入方向的兩個方向上的外形輪廓最大值數據A值、B值，以及Bn1和Bn2兩個尺寸特征點的位置數據，通過判斷物料擺放的長寬比關系，結合輸送線導入方向與主輸送線運行方向的夾角θ進行三角函數運算，獲得物料與主輸送線運行方向一致的長度和寬度投影尺寸數據，具體計算方法如下。

在交叉帶分揀輸送線的供包多級導入輸送機位置安裝有一套橫向測量光柵，用于測量經過此處物料在垂直于輸送方向上的遮擋尺寸，計算程序實時掃描物料對光柵的遮擋情況，導入輸送機啟動導入物料后，當物料前端點進入橫向測量光柵的掃描周期開始計時（T0），物料后端點離開橫向測量光柵的掃描周期停止計時（T）f，T0至Tf的計時器計時值T（ms）為該物料的測量周期時長。

根據導入輸送機運行速度vθ（mm/s）結合物料在橫向測量光柵測得的周期時長T（ms），可以計算出該物料沿導入輸送線方向的外形輪廓最大值A（mm）：

在物料測量周期T的有效時長內，控制程序實時掃描橫向測量光柵的光柵信號，分別對以下三個狀態的光柵信號數據進行記錄：

（1）物料向前輸送，其前端點進入橫向測量光柵檢測位置時，將此時光柵被遮擋點記錄為Bn2;

（2）在物料繼續向前輸送的過程中，當測量光柵靠近主輸送線一側的被遮擋光柵的數量發生減少時，則將上一次計算周期時測量光柵這一側最小的光柵被遮擋點記錄為Bn;

（3）當測量光柵遠離主輸送線一側的被遮擋光柵的數量發生減少時，則將上一次計算周期時測量光柵這一側最大的光柵被遮擋點記錄為Bf，并且同時將上一次計算周期時測量光柵靠近主輸送線一側最小的光柵被遮擋點記錄為Bn1。

通過計算程序實時對上述4個尺寸特征點的記錄測量，則可以通過光柵的精度參數計算出物料在垂直于輸送線導入方向的外形輪廓最大值B（mm），以及兩個二級數據B1值和B2值，接下來根據一級數據（A、B的數值）判斷物料擺放的長寬比關系，分別進一步計算物料投影長寬尺寸，如圖4所示。

物料近似體積測量計算方法的基本原則是基于對在導入輸送機上輸送的物料進行Y、Z方向的截面段斷層掃描測量并累加計算來實現的，如圖5所示。

本測量計算方法是以上述物料長寬方向投影尺寸測量的數據為基礎進行漸進開發和計算的;為實現對物料高度方向的檢測，在導入輸送機橫向測量光柵的兩側安裝一套高度測量光柵組成矩形光柵組，實時測量每個掃描周期經過橫向測量光柵的物料高度并計算截面段的體積，具體計算方法如下：

在物料測量周期T的有效時長內，計算程序在每個程序計算周期t，采集橫向測量光柵被遮擋的光柵數量，計算出本計算周期遮光長度Bcr（mm），結合輸送機運行速度vθ（mm/s）與程序計算周期t（ms），以及上個計算周期保存的物料遮光長度Bbf（mm），可以近似得到在計算周期內該物料在輸送機皮帶面上經過小截面段的投影面積，同時采集高度測量光柵被遮擋的光柵數量，計算出遮光高度H（mm）;從而計算出該計算周期物料經過矩形光柵組的小截面段的體積vs（m3）：

在此過程中，需要將較短且相鄰的若干個計算周期內發生的大幅度變化的高度測量數據作為雜波進行過濾，以最大程度排除非實體體積數據（標簽、包裝帶等）對物料體積測量計算的干擾。

最后，計算程序累加每個計算周期物料經過矩形光柵組的若干個小截面段的體積vs之和，即可得到物料在測量周期T（測量開始時間T0至測量結束時間T）f測算得到的近似體積V（em3）：

在分揀輸送線導入階段，對物料體積數據需求不高，一般作為設備保護或輔助輸送穩定控制等使用，以及為分揀輸送線對物料堆碼、轉運的空間預判，還可為運費計算等需求提供一定的數據支持，本文的測量計算方法以較低的器件成本以及增加不多的控制器程序運算量，即可實現對外形較規則或變形不大的物料體積的近似測量，是較為經濟且可取的方法。

本文論述的分揀輸送線導入物料的長寬投影尺寸及近似體積測量計算方法，是針對導入物料進行測量這種工程需求的兩個漸進的解決方法，體積測量依托物料長寬投影尺寸的測量數據進行計算，根據實際需要，兩者既可以同時使用也可只使用一種，若不需要進行物料體積測量時，則只需在配置一套橫向測量光柵的條件下完成物料長寬投影尺寸的測量計算。

3計算方法步驟及程序實現

交叉帶分揀輸送機系統供包臺導入物料投影尺寸及近似體積測量的計算方法流程框圖如圖6所示。

經簡化，本文前述的測量計算方法可以總結歸納為如下步驟。

導入物料長寬投影尺寸測量計算的步驟如下：（1）啟動導入輸送機進行物料導入;（2）物料前端點進入橫向測量光柵，物料測量周期開始計時T0，記錄橫向測量光柵被遮擋的尺寸特征點Bn2;

（3）物料繼續向前輸送，在橫向測量光柵靠近及遠離主輸送線一側被遮擋光柵的數量發生減少時，分別捕捉并記錄橫向測量光柵被遮擋的尺寸特征點Bn、Bf、Bn1;

（4）物料后端點離開橫向測量光柵，物料測量周期停止計時Tf，物料測量周期時長T=Tf-T0;

（5）計算物料在平行和垂直于輸送線導入方向兩個方向上的外形輪廓最大值數據A值、B值，以及兩個特征點尺寸值B1和B2;

（6）通過A值、B值判斷物料方向的長寬比關系，結合輸送線導入方向與主輸送線運行方向的夾角θ對特征點尺寸值B1和B2進行三角函數運算，獲得物料與主輸送線運行方向一致的投影長度和寬度尺寸數據。

導入物料近似體積測量計算步驟如下：

（1）啟動導入輸送機進行物料導入;

（2）物料前端點進入橫向測量光柵，物料測量周期開始計時T0;

（3）物料繼續向前輸送，測量并計算該計算周期

t矩形光柵組的遮光長度Bcr和遮光高度H;

（4）利用測量值計算該計算周期t內物料經過矩形光柵組的小截面段的體積Vs并進行累加為Ve，同時將遮光長度Bcr寄存為Bbf;

（5）判斷物料后端點離開矩形光柵組，物料測量周期停止計時Tf，物料測量周期時長T=Tf-T0，則物料近似體積測量計算完成：V=Ve，否則返回步驟3繼續循環測量計算。

在實際工程應用中，為適用于可編程控制器運算和程序編寫，以及最大程度的保持計算精度，在上述計算方法的程序設計中，本文依據目前自動化系統主流的可編程控制器程序編寫特點和思路，對相關的計算方法和運算順序做了調整優化，并對數據的單位根據實際工程需要進行調整，盡量使用整型數據進行運算，減少浮點運算的計算量，并且在程序編寫中合理使用跳轉、結束等命令，最大程度減少程序的判斷和循環操作，提高整個控制系統的運行效率。例如采用以上算法控制的FHD2型水平交叉帶分揀機系統，按照5個供包臺、250輛小車、70個格口、環線圈速2m/s等參數指標，系統在不配置供包臺控制器，系統主控制器采用西門子S7-1500中檔型號的情況下，其程序循環周期≤5ms，設備控制經濟性較好，并且對于控制系統后續其他功能的程序擴容能力也較為寬裕。

4結語

高性能的設備控制系統離不開計算方法基礎的支撐，而一套高效的算法不但可以保證系統可靠穩定運行，還可以提升系統功能冗余，降低系統控制成本。本文介紹的分揀導入物料的投影尺寸及近似體積測量計算方法采用基于物料輪廓最大值檢測、尺寸特征點捕捉、長寬比關系判斷等要素來對物料長寬投影尺寸進行測量，具有數據采集實時、程序編寫簡單、運算量少等特點，并且在稍加改進的基礎上就能具備對物料近似體積測量的擴展功能，是一套可廣泛應用的技術方法，在算法技術和應用效果上與目前相關行業的其他控制技術相比有較為本質的區別和明顯的優勢，目前該算法技術已經應用于昆船智能技術股份有限公司生產的各型交叉帶分揀輸送機系統中，通過了多個項目實施的檢驗，并且在2021年4月獲得了國家知識產權局的發明專利授權，為企業帶來了良好的經濟和社會效益。

[參考文獻]

[1]劉征.基于光幕的車輛尺寸自動測量系統及其測量方法.CN102620662A[P].2012-08-01.

[2]謝燦興.交叉帶分揀機上包臺的建模與仿真[D].北京：北京郵電大學，2010.

[3]譚剛.交叉帶式高速包刷分揀機的研究與仿真[D].重慶：重慶大學，2004.

[4]時良平，戴國斌.郵政及物流設備設計[M].北京：人民郵電出版社，2011.