第三代高速擺輪分揀機設計與分析

張韓靜

（上海菲達驛倉物流科技有限公司，上海 200235）

隨著電商行業(yè)、快遞行業(yè)的迅猛發(fā)展，各大電商、快遞企業(yè)的物流倉配中心對智能輸送分揀裝備的性能要求越來越高[1]。為滿足小件軟包分揀、大件重載分揀等不同場景的分揀需求，發(fā)明了擺輪分揀機。本文在前2 代分揀機的基礎上進行合理研發(fā)和改進，得到第三代高速擺輪分揀機，使分揀機在高速、高強度運轉的情況下，減少故障、增加穩(wěn)定性，從而提高其使用率、降低損耗，使系統(tǒng)的綜合性能達到最佳。

1 第三代高速擺輪分揀機的技術參數(shù)及工作原理

圖1 為第三代高速擺輪分揀機，其框架材質為Q235B 鋼材，滾筒材質為高分子橡膠+包膠。傳動方式為齒輪傳動，傳動速度為0 ～150 m·min-1。驅動電機采用直流無刷電機和伺服電機，供電方式為380 V交流電。通信方式為控制與通信鏈路通信（Control Communication Link，CC-Link）。分揀允許的最大單個包裹質量為50 kg。

圖1 第三代高速擺輪式分揀機

圖2為第三代高速擺輪式分揀機、周邊銜接設備、條形碼讀出器（Bar Code Reader，BCR）組合的其中一種布局形式。分揀機一般結合倉庫控制系統(tǒng)（Warehouse Control System，WCS）、倉儲管理系統(tǒng)（Warehouse Management System，WMS），進行物料分揀。物料到達供件設備后，通過BCR 進行掃碼，并將信息傳遞給WCS，同時WMS 也將信息傳遞給WCS，WCS統(tǒng)一傳遞給可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），由PLC 發(fā)出指令，將物料輸送至高速擺輪式分揀機進行去向定位。如果沒有WMS，則由WCS 直接將信息傳遞給PLC。

圖2 第三代高速擺輪式分揀機和周邊銜接設備布局

2 關鍵部件設計

第三代高速擺輪式分揀機是為了滿足不同尺寸范圍物件的高效、柔性分揀要求而設計的，因此其關鍵技術也是圍繞這一目的形成的。在設計方面，一方面需要考慮設備的輕量化、便捷性。為減少機構自身的質量，將整個機構進行輕量化設計，采用鋁制材質，并將結構簡化。第三代高速擺輪式分揀機的外罩和封板采用鈑金鎖固的固定方式，材質選擇普通碳鋼，并進行噴塑處理；腳架由普通的鋼方管焊接而成，焊接后進行噴塑。這樣整體架構拼搭的方式，方便安裝和后期維護?？紤]許多客戶會在購物狂歡節(jié)時租賃此設備，將固定式腳杯設計為活動式帶剎車腳輪，便于客戶移動和定位，控制接線考慮選用航空插頭。

另一方面，需要考慮模組單元化、多角度轉向、維護性及降低噪聲。第三代高速擺輪式分揀機是物流分揀輸送系統(tǒng)的核心設備[2]。擺輪傳動部分為設備的“心臟”，是動作的具體執(zhí)行單元，由多組輸送模組和旋轉模組組成。執(zhí)行系統(tǒng)的主要作用是在WCS 系統(tǒng)的控制下，根據(jù)運算從上位WMS 系統(tǒng)中獲得同步觸發(fā)信號，而后迅速完成直行或旋向動作。因此，這塊的模組設計非常關鍵。第一代高速擺輪式分揀機采用傘齒輪和圓帶傳遞，第二代分揀機采用過渡輪和圓帶傳遞，它們結構復雜、零部件較多、安裝煩瑣、維護不便且成本較高。為滿足市場需求，對結構進行簡化和優(yōu)化，采用模組單元化設計，實現(xiàn)整組拆裝，控制卡采用插拔式，方便拆裝及維護。圖3 為擺輪部分結構。

1.輸送模組；2.旋轉模組；3.轉向主動齒輪；4.轉向齒輪；5.轉向惰輪齒輪。圖3 第三代高速擺輪式分揀機擺輪部分結構

2.1 輸送模組設計

圖4為輸送模組結構，其由2 個輸送輪（內含微型電機）、1 個輸送輪支架、2 個輸送輪壓板及1 個圓盤封板組成。

1.輸送輪；2.輸送輪支架；3.輸送輪壓板；4.圓盤封板。圖4 輸送模組結構

2.1.1 輸送輪內微型電機選擇

第一代分揀機和第二代分揀機的輸送輪傳遞方式均為圓帶傳動，而第三代分揀機采用獨立的微型電機來驅動輸送輪。微型電機是一種無刷直流電機，裝在輸送輪內部，可調速，最大速度為180 m·min-1，能夠與任何輸送線對接（市場上的輸送線設備速度一般為20 ～120 m·min-1）。當微型電機不通電時，輸送輪可以自由轉動。

無刷直流電機缺少電刷，其磨損主要在軸承上。它是一種免維護電動機，只需進行除塵維護即可[3]。相較于有刷電機，無刷直流電機的優(yōu)勢在于干擾小、噪聲低、結構簡單、壽命長、維護成本低、低速扭力性能差、轉矩小，但其缺點是成本較高[4]。

每個輸送輪內部設置1 臺微型電機，每臺微型電機都會有1 條線。為避免線多混亂，開發(fā)了集成電路板，以減少配線接線工作量。但是，使用集成電路板只能減少驅動卡與控制盤之間的線，并未減少微型電機到驅動卡的線，這些線占據(jù)了整個設備箱體的空間，檢查起來非常麻煩。未來將會研發(fā)一種接頭，將多個微型電機的線插在1 個小插頭上，從插頭出線，這樣能夠大幅減少線，且使線排布整齊。

2.1.2 輸送輪上包膠材質選擇

第一代、第二代分揀機的輸送輪材質為增強尼龍，采用模具成型工藝進行制作，表面車正反螺紋，外包黃色聚氨酯橡膠，表面硬度為65。第三代分揀機的輸送輪材質為45#鋼，表面包裹黃色高分子橡膠，表面硬度為75。在研發(fā)過程中，首先使用膠水粘貼套膠，將膠水直接涂抹在輸送輪基層表面，使用一段時間后發(fā)現(xiàn)有脫膠的現(xiàn)象。然后，使用聚氨酯材質膠套，使用一段時間后，發(fā)現(xiàn)該膠套容易被摳掉。最后，仍然使用最初的套膠，把膠水更換為廠牌膠水，使用注塑器將膠水注塑進去。經(jīng)過實踐，最終確定的方法可以使輸送輪的使用壽命達到20 000 h，接近無刷電機的使用壽命。但是，輸送輪仍然存在膠不耐磨的缺陷，在使用數(shù)月后，膠與箱體表面長期接觸出現(xiàn)磨損，導致膠體表面非常光滑，由于慣性使得箱體停止有誤差。未來考慮在膠的表面增加花紋或顆粒，以增強其耐磨能力。

2.1.3 輸送輪支架、輸送輪壓板和圓盤封板制作工藝選擇

一、二、三代分揀機輸送模組內支撐輸送輪的支架均使用模具制作，材質均為高強度的鋁材；輸送輪壓板和圓盤封板材質為聚甲醛，由模具注塑成型，質量輕。由于第一代、第二代分揀機的輸送輪傳遞方式為圓帶傳動，存在等級傳遞，因此支架、壓板和圓盤的結構略有不同。第三代分揀機在保證強度的前提下，質量較前兩代輕，外觀更加精致。

2.2 旋轉模組設計

第一代、第二代分揀機的旋轉模組最大只能旋轉45°，而第三代的旋轉模組可以0°～180°任意角度旋轉。其內部的轉向機構設計為萬向式，以適合不同角度，改善傳統(tǒng)的角度限制，而且結構更簡單，組裝和維護方便，成本低。

2.2.1 伺服控制器選擇

采用伺服控制器控制旋轉模組進行多角度旋轉（0°～360°）。伺服上的轉向主動齒輪帶動轉向齒輪，轉向齒輪帶動轉向惰輪齒輪，形成齒輪和齒輪間嚙合逐級傳動。伺服控制器增加了減速機配比，使分揀機運轉更穩(wěn)定、定位更準確。伺服驅動器選用B 系列光纖通信，其比A 系列脈沖通信更加穩(wěn)定。

2.2.2 轉向齒輪材質選擇

考慮齒輪與齒輪之間的長期轉動磨損和降低噪聲的需求，將第三代分揀機的轉向惰輪齒輪的材質改成進口尼龍（Monomer Casting，MC）。在不同材質接觸時，MC 比金屬更易磨損，因此在維護保養(yǎng)時，若發(fā)現(xiàn)惰輪齒輪磨損，則整組更換轉向惰輪齒輪，更加方便快捷。因為轉向齒輪為精加工零件，其平行度、垂直度、表面粗糙度都有較高要求，所以設備運轉時的噪聲較低，為50 dB，小于其他輸送線的噪聲，周邊環(huán)境基本接近安靜環(huán)境。在輸送速度為135 m·min-1時，設備噪聲不超過45 dB（站在設備1 m 處測量）。

2.3 輸送輪排布要求

輸送輪都裝在封板的圓孔內，封板開孔間距與輸送輪排布間距一致。要想輸送更加平穩(wěn)，就要使物料在任何位置都能接觸到2 個輸送輪,即有2 個支撐點[5]。也就是說，輸送輪的間距應小于物料長度的一半，物料長度取150 mm，則輸送輪的間距應小于75 mm。這關系到2 個齒輪嚙合之間的距離和在旋轉機構上選用1 個輸送輪還是2 個輸送輪，因此要慎重確定齒輪尺寸。根據(jù)市場上常規(guī)的物料尺寸為150 mm×150 mm×50 mm，需要在旋轉機構上同時布設2 個輸送輪。物料在輸送輪上分布圖，如圖所示5。圖5 中a為1 個輸送模組上2 個輸送輪的中心距，b為2 個輸送模組上輸送輪之間的最小中心距，c為輸送輪長度，d為2 個輸送模組上2 個輸送輪的最小間距，它們之間的關系為

1.輸送輪；2.輸送輪模組；3.物料。圖5 物料在輸送輪上分布圖

3 案例分析

經(jīng)過結構改良和優(yōu)化得到的第三代高速擺輪式分揀機，通過廠內測試，已經(jīng)運用于河北省、上海市、江蘇省等地的項目。第三代分揀機在各項目中的應用實景如圖6 所示，應用情況如表1 所示。經(jīng)過在各項目長時間的使用和觀察，除不確定因素造成的卡頓外，第三代分揀機未出現(xiàn)分揀不良現(xiàn)象，能夠滿足客戶需求。此外，其性價比較高，得到了客戶的一致好評，為后續(xù)業(yè)務的開展埋下了伏筆，增強了企業(yè)的競爭力。

表1 第三代分揀機在各項目中的應用情況

圖6 第三代分揀機在各項目的應用實景

4 結語

高速擺輪式分揀機經(jīng)過多年的技術迭代、結構改良、控制優(yōu)化，形成了第三代產(chǎn)品，旨在滿足快速變化的市場需求，提高物流配送的時效性。隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術的不斷發(fā)展，擺輪分揀機將進一步完善和提升，為物流業(yè)的發(fā)展注入源源不斷的動力。