拨叉式小件物品分拣机

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摘 要： 通过调研、讨论、设计、制造及后期测试，完成了参赛作品--拨叉式小件物品分拣机。该作品主要用于物流、图书、小件商品等形状、大小各异的物品分拣，以代替其传统分拣过程中的繁重劳动。若运用在物流分拣领域，可实现分拣机构的小型化和低能耗化，且成本与传统大型物流分拣机相比大大降低，有利于促进整个物流系统的自动化。而在图书分拣领域可实现小空间内的精确快速图书分拣，从而减轻图书管理员的大量工作。另外，本系统具有分拣准确率高、自动化程度高、能耗低（低于相同劳动强度下人的功率）、成本低、小型化等特点，是根据小件物品分拣量身定制的一种高效小型自动化分拣机。

关键词：物流；图书分拣；自动化；准确度高；小型化

1 作品介绍

随着商品品种的增多，配送中心增加，多品种、高频次、随机性的商品分类作业在20世纪90代后得到迅速发展。而出错率高、费时费力的人力分类作业浪费了大量人力资源，这种落后、原始的分拣方式在我国仍然广泛存在。与此同时，国外某些场合的分拣工作已经被自动分拣机及其系统所替代，邮政包裹分拣系统目前已经广泛应用于流通、商业的物流中心和配送中心。如图1所示的、常见的分拣机常采用滚板式，浮动滚轮式，挡板式、倾斜式、滑块式等。这些机构通常体积庞大，能耗大、对分拣物品形状有特殊要求，并且大部分不适用于小件物品的分拣。

在查阅了不同分拣方式并比较其优劣后，作者最终自己设计了一种全新的拨叉式分拣机构，从而在实现较高的自动化过程和机构的小型化后，也同时大幅降低了成本和能耗，而且简单实用。

2 系统工作过程

图2所示是拨叉式小件物品分拣机的整体实物图。

下面用一组图片来展示此分拣机构的工作过程：

步骤1（如图3）：将一摞书籍（内含RIFD卡）放于图书推送装置上；

步骤2（如图4）：打开开关，减速电机带动丝杠将书本升到指定高度；

书籍放于图书推送装置上 书本升到指定高度

步骤3（如图5）：书本上升达指定高度后，步进电机带动推片将书本送上传送带；

步骤4（如图6）：书本在传送带上移动；

步骤5（如图7）：射频卡扫描器获得分类信息；

步骤6（如图8）：光电开关测物体长度；

步骤7（如图9）：被分拣物品被拨叉翻起；

步骤8（如图10）：被分拣物品被放到滑道上；

步骤9（如图11）：被分拣物品翻落至收集处，拨叉复位。同时下一图书已被推出，继续下一分拣工作。

过程补充说明：

本系统的步骤1～3是一个图书推送装置，当分拣的物品是书本时，使用我们制作的图书推送装置可以将厚厚的一叠书一本一本得推上传送带，而不再需要人工一本本放置。如需分拣其他物品只需将物品直接放上传送带，从步骤4开始即可。简单方便。

在此过程中，分拣段的数目可根据需要随意增减，有利于根据用户的需求进行改装。

另外，此分拣机构具备以下特点：

（1）独创拨叉式分拣，对物品形状要求不高，且可根据物品长度选择驱动拨叉的数目。整个物品分拣过程平稳，不宜造成损坏。

（2）机构简洁小巧，稳定性高，易于维护。扫描部分，采用非接触式射频扫描技术，较条形码等其他方式识别率更高；翻拣部分，拨叉与滑道实现平稳接合，过程简洁高效。

（3）信息同步化。上位机采用LabVIEW编程，运用数据库信息管理技术，并可实现快递数据全网同步化，进一步提升物流行业的运行效率和管理水平。

（4） 功耗低，一个分拣阶段的功率仅26 W左右。初步计算，33个分拣段相当于约8个人的工作量，而人中等强度体力劳动下功率约为500 W，机器功耗远低于人工。

（5）另外，本机构附加了图书推送部分。在分拣图书时，可实现更高程度的自动化。

3 技术原理说明

下面我们将从机构设计、电路驱动、上位机控制和整体性能理论分析四方面分别进行说明。

3.1 机械部分

本系统的机械部分采用solidworks三维制图软件设计与仿真，然后使用雕刻机、车床等各种机械设备加工、装配。最终设计并制作了这个拨叉式小件物品分拣机。

三维软件模拟出最终效果图如图12所示。

3.2 电路部分

本系统的控制器采用STC12C5a60S2（增强型51单片机），主要用于控制底层硬件的驱动以及与上位机进行通信。其中底层硬件有：JGB37-520 型直流减速电机、LM298电机驱动等；传感器选用光电接近开关来测量物体长度，非接触式射频卡扫描器获取物品信息，激光对管传感器，光电限位开关及压力传感器等；电源采用畜电池供电。图17为其内部电路连接图，图18是其标准化接口。

3.3 上位机部分

本系统的上位机软件是用LabVIEW编写的可视化控制端，其功能是：实时显示分拣状态；选择合适的分拣窗口；调取数据库获得产品信息；读取并分析扫描信息；控制下位机实施分拣；记录传递分拣系统的快递信息；现场监控分拣流水线等。图19是其用LabVIEW编写的上位机可视化操作界面图。

4 整体性能理论分析

4.1 分拣效率

为保证扫描的准确率，将传送速率定在30 cm/s，所分拣小件物品的长度大都小于30 cm。加上人工放置时的时间，大约能保证两秒钟能分拣一件物品，即分拣效率约为30 件/min。实际测试数据与理论值相似，在能保证分拣成功率的最快分拣速度约为35件/min。通过测试，对图书的分拣成功率达95%以上；由于快件形状变化较大，表面状况不佳，分拣成功率约为90%。

4.2 分拣机体积

本设备的加速段长0.6 m，每个分拣段长0.4 m，横截面尺寸均为0.33 m × 0.33 m。设某场合有20个不同的分拣类，则分拣机总长为0.6+0.4×20=8.6 m。而分拣机可以通过一个转向段变成折线形。算上收集箱的体积，分拣机的宽度大约在1 m左右。因此有20个分拣类的分拣机可以存放在4m×4m的空间内。相比传统的分拣机，具有明显的体积优势。 投送装置大体上相当于一个0.34 m×0.34 m×0.42 m的长方体，相对来说占用空间可忽略不计。

4.3 能耗

本设备在加速段选用8 W（额定）电机一个；分拣段选用 8 W（额定）电机一个；5 W（额定）电机两个； 0.4 W（工作）射频卡扫描器一个； 控制电路能耗可忽略。

投送装置选用0.5 W（工作）激光对管两个；12 W（工作）电机一个；8 W（工作）步进电机一个；控制电路能耗可忽略。

同样，以20个分拣类的分拣机为例，满负荷工作功率为8+20×（8+5×2+0.4）=376 W，小于大型分拣机一个电机的功率。加上投送装置后，分拣书本的满负荷功率为376+0.5×2+12+8=397 W，同样不超过大型分拣机一个电机的功率。通过查询资料，人中等强度体力劳动下功率约为500 W。20个分拣段保守估计相当于5个人的劳动量，则本机器正常工作时耗能甚至远低于人的功率。

5 作品创新点和应用市场

5.1 创新点

本拨叉式分拣系统的主要创新点如下：

（1）独创拨叉式分拣，对物品形状要求不高，且可根据物品长度选择驱动拨叉的数目。整个物品分拣过程平稳，不宜造成损坏；

（2）机构简洁小巧，稳定性高，易于维护。扫描部分，采用非接触式射频扫描技术，较条形码等其他方式识别率更高；翻拣部分，拨叉与滑道实现平稳接合，过程简洁高效；

（3）信息同步化。上位机采用LabVIEW编程，运用数据库信息管理技术，并可实现快递数据全网同步化，进一步提升物流行业的运行效率和管理水平；

（4）功耗低，一个分拣阶段的功率仅26 W左右。初步计算，33个分拣段相当于约8个人的工作量，而人中等强度体力劳动下功率约为500 W，机器功耗远低于人工；

（5）另外，机构附加了图书推送部分。在分拣图书时，可实现更高程度的自动化。

5.2 应用前景

目前，我国快递业业务量巨大：仅2013年4月份即完成了6.6亿件，业务收入达109.2亿元。随之而来的是耗费人力、物力巨大的分拣工作工作量的暴增。因此一款经济适用的分拣设备市场前景可观。本拨叉式小型分拣机同样可用于图书分拣，药品分拣及小商品的分拣。操作简单，成本低廉，能耗低，能促进这些领域的自动化，综合节能效果显著。