多訂單作業模式下汽車KD件自動分揀線的設計與應用

關鍵詞：KD 件；多訂單；自動分揀；輸送線；掃碼識別；拼箱作業

0 引言

2022 年，中國汽車全年出口量突破300 萬輛，自8 月以來月均出口量超30 萬輛，屢創歷史新高，拉動了整體汽車行業增長[1]。在這樣的背景條件下，車企的KD 車間在包裝零件時面臨著需同時處理多個訂單的情形。其中，出口紙箱件占到了KD 總零件數量的70% 以上。當前的作業模式需要員工在工位上完成翻包、檢驗和粘貼標簽工作，再將紙箱送上流水線重新分揀，最后按照相同訂單號裝入木箱[2]。

當訂單號數量增加之后，流水線尾拼箱臺堆積的紙箱訂單號多達十余個，操作工在拼箱時，需要從數量龐大的堆垛里挑選出相同訂單號的紙箱。該環節容易成為整個包裝工作的瓶頸，堆積的紙箱愈多，挑選難度愈大，容易造成惡性循環，影響包裝效率。因此，KD 車間需要在現有流水線的基礎上進行優化，設計出自動分揀線，讓不同訂單號的紙箱流向多個拼箱作業臺，減小員工拼箱時挑選的訂單范圍，加速成品流轉。

1 自動分揀線整體規劃及設計方案

根據作業需求分析，自動分揀線應具有如下功能：能夠將所有包裝好的紙箱輸送至后端，并盡可能減少場地占用面積；掃描或手動錄入訂單號后，設備能夠按訂單順利分揀；當流水線上的紙箱出現擁堵時，能夠自行疏導。因此，對于自動分揀線優化總體要求可細化為以下幾點。

（1）保留原有2 條流水線的輥筒輸送線，后端采用弧形輸送線以增加流水線緩存并減少作業面積。

（2）利用掃描槍或鍵盤等輸入設備在系統中錄入訂單號。當設備識別到紙箱上的二維碼中的訂單號后，系統給分揀臺發出指令，使紙箱在對應的分揀臺分出，進入拼箱作業臺。

（3）流水線各部分分段安裝，整體上后段速度應大于前段速度，避免擁堵，雙線合流處紙箱能有序通過。

綜上所述，自動分揀線設計如圖1 所示。其工作流程為：錄入訂單號——紙箱上線——掃碼識別訂單號——系統匹配訂單號與分揀臺號——分揀臺完成分揀——紙箱拼箱。

2 輸送線設計

2.1 輥筒輸送線設計

輥筒輸送線共有2 條，長度各為1.6×104 mm，可在線旁放置10 ～ 16 個包裝工作臺。在每個對應點位預留電源接口，為工作臺上的辦公電腦和工具設備提供電源。每個工位旁安裝緊急停止按鈕，便于控制輸送線啟停。單條輥筒線由多段組裝而成，每段長度2 000 mm，由一臺電機通過鏈輪鏈條帶動輥筒運轉（圖2）。

輥筒輸送線的有效寬度應當根據紙箱尺寸確定[4]。以此KD車間在用的紙箱尺寸為例，紙箱尺寸鏈如表1 所紙箱長或寬任一邊的最小尺寸為700 mm，同時需考慮方便在輥筒線尾的質檢員對紙箱進行開箱檢查，輥筒線的有效寬度可設置為900 mm。為方便員工把紙箱推上輥筒線，輥筒線臺面高度應與包裝工作臺高度一致或略低，此處設置為720 mm。

此外，輥筒線帶積放功能，主要有2 個目的：第一，當紙箱受阻擋時，輥軸空轉，紙箱停止傳輸，而后方的紙箱可以繼續傳輸，形成緩存，該過程無需頻繁控制輥筒線啟停；第二，當人體或物體不慎被卷入輥筒內，輥筒與輥軸間載荷增大，超過最大靜摩擦力，輥軸空轉打滑，防止對人體或物體產生進一步損害[3]。為防止出現安全事故，也為了防止灰塵、水滴及細小物體等落入鏈條中，輥筒兩端鏈條和鏈輪傳動部位應當使用護罩保護。

2.2 皮帶輸送線設計示。可以看出，

為盡量減少場地占用面積，皮帶輸送線整體形狀設計成“U”型，并由多段輸送臺構成。輸送臺分為直線段和弧線段：直線段有2 種長度規格，一種為3 500 mm，主要用于合流前與分揀臺之間的連接部分；另外一種為1 000 mm，主要用于“U”型彎出彎后與第一個分揀臺之間的連接部分。弧線段外半徑為1 800 mm，內半徑為800 mm，主要用于輥筒輸送線與皮帶線90°轉向連接以及皮帶“U”型彎部分。為確保紙箱能夠順利通過，皮帶線的有效寬度與輥筒輸送線保持一致，定為900 mm ；皮帶線的高度也與輥筒輸送線保持一致，定為720 mm（圖3）。

輸送線驅動滾筒和改向滾筒采用無縫鋼管，確保運行過程不會變形。其配有張緊調節裝置，具有足夠調節量，同時為防止皮帶跑偏，輸送線帶有裝置及糾偏調節機構。

3 掃碼識別機構及設計

紙箱分揀的原則為按照訂單號進行分揀，所以系統必須讀取每個紙箱上的訂單信息。因此，掃碼識別機構應當設在分揀線合流后“ U”型彎的出彎處（圖 4）。讀碼器是掃碼識別機構的核心部件，本設計采用了海康威視ID5000 全功能型固定式工業讀碼器，分辨率覆蓋1.6 ～ 20.0 MP，目標物識別距離范圍為1 240 ～ 1 600 mm。讀碼器底部距離皮帶線高度應當大于紙箱的最大高度，避免紙箱與設備相互干渉。讀碼器角度應當調節至能夠讀取所有紙箱標簽。

當包裝經過圖像識別區域時，讀碼器自動拍照，識別出二維碼中的訂單號信息。系統根據此前錄入的訂單號與分揀臺匹配數據，給分揀臺發出信號。紙箱到達指定的分揀臺時，執行分揀操作。

4 分揀臺及拼箱作業臺設計

4.1 分揀臺設計

分揀臺的傳送機構采用了麥克納姆輪（Mecanum Wheel）。當系統判定需要分揀時，分揀臺上的輪子使紙箱橫移，進入拼箱作業臺；反之不需分揀時，輪子帶動紙箱往下一個分揀臺輸送[5]。分揀臺傳輸原理為：當2 根主軸帶動輪輞和輪輻同向轉動，紙箱沿著平行于輸送線方向Y 向繼續傳輸；當2 根主軸帶動輪輞和輪輻反向轉動，紙箱沿著垂直于皮帶線輸送方向X 向行進（圖5）。

分揀臺的高度和寬度與皮帶線保持一致，分別為720 mm 和900 mm。因為紙箱通過分揀臺時方向不變，分揀臺長度應當不小于紙箱尺寸鏈中長度方向的最大尺寸1 400 mm。最終，分揀臺長度設計為1 460 mm。

4.2 拼箱作業臺設計

紙箱完成分揀后，進入拼箱作業臺緩存，等待拼箱。為了減少員工搬運紙箱的行走距離，紙箱應當能自然滑落到拼箱作業臺尾部，集中位置完成拼箱作業。因此，作業臺面需要安裝萬向滾珠。相鄰滾珠間的中心距為80 mm，滾珠座兩端使用螺釘固定在臺面上，最大負載為45 kg/ 個。

臺面長度為2 500 mm，寬度應當略大于分揀臺的長度，定為1 600 mm， 單層最大可容納4 個ZX122 或8 個ZX222， 又或者36 個ZX448 紙箱。臺面前端高度應當與分揀臺一致，定為720 mm ；臺面后端應低于前端，后端支腿的高度可調節，前后端高度差應當調節到能使所有紙箱能夠沿臺面自然滑下為宜。滾珠臺左右兩端和后端應當安裝擋板，防止紙箱從周圍跌落。左右兩端擋板高度應當高出萬向球頂10 mm，后端擋板高度應當高出萬向球頂65 mm（圖6）。

5 合流機構設計及線速設置

為了使從2 條輥筒輸送線的紙箱能夠順利合流，需要在“U”型彎前增加一個合流機構線。合流機構主要的構成部件有皮帶輸送線、輥筒輸送線和擋板（圖7）。紙箱尺寸鏈中，紙箱長度方向尺寸最大為1 400 mm，為使紙箱偏轉90°后能夠順利通過，合流輥筒線的有效寬度設計為1 500 mm。合流輥筒線的高度與輥筒輸送線保持一致，定為720 mm。該處線速設置如下：合流輥筒線速V2 應大于上游輥筒輸送線的線速V1，合流后皮帶線速V4 應大于合流前皮帶線速V3。當上游紙箱擁堵、相互擠壓時，前后速度差能夠拉開紙箱的間距，有序通過。

紙箱放行控制邏輯如下：當X 向或Y 向任一方向的紙箱先到達擋板時，傳感器識別到該向有紙箱合流，將信號傳遞給PLC，使擋板落下，優先讓該向紙箱通過。在紙箱通過合流區前，另外一向擋板始終抬起，避免雙向紙箱同時匯入合流區，相互干涉。當X 向與Y 向的紙箱同時到達1 號擋板和2 號擋板的位置時，傳感器識別到雙向均有紙箱合流，將信號傳遞給PLC，控制擋板升降輪流放行，順序為X——Y——X……避免單條輸送線發生持續擁堵的情況。

為確保紙箱能從頭到尾平穩有序地傳，并順利合流，各段輸送線速度應設置如下：合流前輥筒線速度V1 為1.0×104 m/min ；合流后輥筒線速度V2 為3.0×104 mm /min ；合流前皮帶線速度V3 為1.0×104 mm /min ；合流后皮帶線速度V4 為3.0×104 mm/min ；弧形皮帶線速度為1.5×104 mm /min ；分揀臺輸送速度為1.5×104 mm /min ；分揀臺之間皮帶線速度為1.5×104 mm /min。

6 運行驗證

自動分揀線安裝完成后，KD 車間將1 周的訂單號提前錄入分揀線系統中，開始進行驗證。該周計劃包裝的訂單總共有46 個，需要分揀到5 個拼箱作業臺，訂單分類原則如下。

（1）客戶每周下達5 個Lot 訂單，5 個訂單正好分到不同的拼箱作業臺上。

（2）客戶每周下達其他PBP 訂單，同一車型的紙箱分到同一拼箱作業臺上。

（3）歷史未交付PBP 訂單，同一車型的紙箱分到同一拼箱作業臺上。

（4）總體上保持5 個拼箱作業臺的作業量均衡。

經過為期1 周的驗證，分揀線各模塊基本能按照設計要求實現相應功能，平均單個拼箱作業臺的訂單號數量從之前的17 個/ 天減少至7 個/ 天，訂單號數量下降了58%，降低了拼箱作業難度（圖8）。此外，在運行過程中還發現存在如下問題：若供應商未按照當周計劃供貨，系統無法識別這些未提前錄入的訂單號，當紙箱經過讀碼器時，分揀線會停線報警，需要安排人員錄入新訂單號，才能把紙箱重新送上分揀線，響應處理時間大約1 ～ 2 min。

7 結束語

自動分揀線對于KD 件包裝生產效率有提升作用，一定程度上緩解了拼箱作業臺的擁堵情況，對于改善目前KD 作業現狀有積極意義。分揀線系統目前仍是獨立運行的，尚未與KD 車間的訂單管理和包裝系統互聯，具有其局限性，無法實時讀取到已到貨訂單，匹配訂單號與分揀臺信息時需要人工介入，仍有進一步優化的空間。自動分揀線是KD 車間在自動化和智能化道路探索上邁進的第一個新臺階，在未來，紙箱件高位立體庫和碼垛機器人建設項目都要基于分揀線作進一步拓展，實現紙箱排序出庫和自動碼垛功能[6]，屆時的KD 車間將會打造成一個高效、精益、少人化的智能車間。