第三代高速摆轮分拣机设计与分析

张韩静

（上海菲达驿仓物流科技有限公司，上海 200235）

随着电商行业、快递行业的迅猛发展，各大电商、快递企业的物流仓配中心对智能输送分拣装备的性能要求越来越高[1]。为满足小件软包分拣、大件重载分拣等不同场景的分拣需求，发明了摆轮分拣机。本文在前2 代分拣机的基础上进行合理研发和改进，得到第三代高速摆轮分拣机，使分拣机在高速、高强度运转的情况下，减少故障、增加稳定性，从而提高其使用率、降低损耗，使系统的综合性能达到最佳。

1 第三代高速摆轮分拣机的技术参数及工作原理

图1 为第三代高速摆轮分拣机，其框架材质为Q235B 钢材，滚筒材质为高分子橡胶+包胶。传动方式为齿轮传动，传动速度为0 ～150 m·min-1。驱动电机采用直流无刷电机和伺服电机，供电方式为380 V交流电。通信方式为控制与通信链路通信（Control Communication Link，CC-Link）。分拣允许的最大单个包裹质量为50 kg。

图1 第三代高速摆轮式分拣机

图2为第三代高速摆轮式分拣机、周边衔接设备、条形码读出器（Bar Code Reader，BCR）组合的其中一种布局形式。分拣机一般结合仓库控制系统（Warehouse Control System，WCS）、仓储管理系统（Warehouse Management System，WMS），进行物料分拣。物料到达供件设备后，通过BCR 进行扫码，并将信息传递给WCS，同时WMS 也将信息传递给WCS，WCS统一传递给可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），由PLC 发出指令，将物料输送至高速摆轮式分拣机进行去向定位。如果没有WMS，则由WCS 直接将信息传递给PLC。

图2 第三代高速摆轮式分拣机和周边衔接设备布局

2 关键部件设计

第三代高速摆轮式分拣机是为了满足不同尺寸范围物件的高效、柔性分拣要求而设计的，因此其关键技术也是围绕这一目的形成的。在设计方面，一方面需要考虑设备的轻量化、便捷性。为减少机构自身的质量，将整个机构进行轻量化设计，采用铝制材质，并将结构简化。第三代高速摆轮式分拣机的外罩和封板采用钣金锁固的固定方式，材质选择普通碳钢，并进行喷塑处理；脚架由普通的钢方管焊接而成，焊接后进行喷塑。这样整体架构拼搭的方式，方便安装和后期维护。考虑许多客户会在购物狂欢节时租赁此设备，将固定式脚杯设计为活动式带刹车脚轮，便于客户移动和定位，控制接线考虑选用航空插头。

另一方面，需要考虑模组单元化、多角度转向、维护性及降低噪声。第三代高速摆轮式分拣机是物流分拣输送系统的核心设备[2]。摆轮传动部分为设备的“心脏”，是动作的具体执行单元，由多组输送模组和旋转模组组成。执行系统的主要作用是在WCS 系统的控制下，根据运算从上位WMS 系统中获得同步触发信号，而后迅速完成直行或旋向动作。因此，这块的模组设计非常关键。第一代高速摆轮式分拣机采用伞齿轮和圆带传递，第二代分拣机采用过渡轮和圆带传递，它们结构复杂、零部件较多、安装烦琐、维护不便且成本较高。为满足市场需求，对结构进行简化和优化，采用模组单元化设计，实现整组拆装，控制卡采用插拔式，方便拆装及维护。图3 为摆轮部分结构。

1.输送模组；2.旋转模组；3.转向主动齿轮；4.转向齿轮；5.转向惰轮齿轮。图3 第三代高速摆轮式分拣机摆轮部分结构

2.1 输送模组设计

图4为输送模组结构，其由2 个输送轮（内含微型电机）、1 个输送轮支架、2 个输送轮压板及1 个圆盘封板组成。

1.输送轮；2.输送轮支架；3.输送轮压板；4.圆盘封板。图4 输送模组结构

2.1.1 输送轮内微型电机选择

第一代分拣机和第二代分拣机的输送轮传递方式均为圆带传动，而第三代分拣机采用独立的微型电机来驱动输送轮。微型电机是一种无刷直流电机，装在输送轮内部，可调速，最大速度为180 m·min-1，能够与任何输送线对接（市场上的输送线设备速度一般为20 ～120 m·min-1）。当微型电机不通电时，输送轮可以自由转动。

无刷直流电机缺少电刷，其磨损主要在轴承上。它是一种免维护电动机，只需进行除尘维护即可[3]。相较于有刷电机，无刷直流电机的优势在于干扰小、噪声低、结构简单、寿命长、维护成本低、低速扭力性能差、转矩小，但其缺点是成本较高[4]。

每个输送轮内部设置1 台微型电机，每台微型电机都会有1 条线。为避免线多混乱，开发了集成电路板，以减少配线接线工作量。但是，使用集成电路板只能减少驱动卡与控制盘之间的线，并未减少微型电机到驱动卡的线，这些线占据了整个设备箱体的空间，检查起来非常麻烦。未来将会研发一种接头，将多个微型电机的线插在1 个小插头上，从插头出线，这样能够大幅减少线，且使线排布整齐。

2.1.2 输送轮上包胶材质选择

第一代、第二代分拣机的输送轮材质为增强尼龙，采用模具成型工艺进行制作，表面车正反螺纹，外包黄色聚氨酯橡胶，表面硬度为65。第三代分拣机的输送轮材质为45#钢，表面包裹黄色高分子橡胶，表面硬度为75。在研发过程中，首先使用胶水粘贴套胶，将胶水直接涂抹在输送轮基层表面，使用一段时间后发现有脱胶的现象。然后，使用聚氨酯材质胶套，使用一段时间后，发现该胶套容易被抠掉。最后，仍然使用最初的套胶，把胶水更换为厂牌胶水，使用注塑器将胶水注塑进去。经过实践，最终确定的方法可以使输送轮的使用寿命达到20 000 h，接近无刷电机的使用寿命。但是，输送轮仍然存在胶不耐磨的缺陷，在使用数月后，胶与箱体表面长期接触出现磨损，导致胶体表面非常光滑，由于惯性使得箱体停止有误差。未来考虑在胶的表面增加花纹或颗粒，以增强其耐磨能力。

2.1.3 输送轮支架、输送轮压板和圆盘封板制作工艺选择

一、二、三代分拣机输送模组内支撑输送轮的支架均使用模具制作，材质均为高强度的铝材；输送轮压板和圆盘封板材质为聚甲醛，由模具注塑成型，质量轻。由于第一代、第二代分拣机的输送轮传递方式为圆带传动，存在等级传递，因此支架、压板和圆盘的结构略有不同。第三代分拣机在保证强度的前提下，质量较前两代轻，外观更加精致。

2.2 旋转模组设计

第一代、第二代分拣机的旋转模组最大只能旋转45°，而第三代的旋转模组可以0°～180°任意角度旋转。其内部的转向机构设计为万向式，以适合不同角度，改善传统的角度限制，而且结构更简单，组装和维护方便，成本低。

2.2.1 伺服控制器选择

采用伺服控制器控制旋转模组进行多角度旋转（0°～360°）。伺服上的转向主动齿轮带动转向齿轮，转向齿轮带动转向惰轮齿轮，形成齿轮和齿轮间啮合逐级传动。伺服控制器增加了减速机配比，使分拣机运转更稳定、定位更准确。伺服驱动器选用B 系列光纤通信，其比A 系列脉冲通信更加稳定。

2.2.2 转向齿轮材质选择

考虑齿轮与齿轮之间的长期转动磨损和降低噪声的需求，将第三代分拣机的转向惰轮齿轮的材质改成进口尼龙（Monomer Casting，MC）。在不同材质接触时，MC 比金属更易磨损，因此在维护保养时，若发现惰轮齿轮磨损，则整组更换转向惰轮齿轮，更加方便快捷。因为转向齿轮为精加工零件，其平行度、垂直度、表面粗糙度都有较高要求，所以设备运转时的噪声较低，为50 dB，小于其他输送线的噪声，周边环境基本接近安静环境。在输送速度为135 m·min-1时，设备噪声不超过45 dB（站在设备1 m 处测量）。

2.3 输送轮排布要求

输送轮都装在封板的圆孔内，封板开孔间距与输送轮排布间距一致。要想输送更加平稳，就要使物料在任何位置都能接触到2 个输送轮,即有2 个支撑点[5]。也就是说，输送轮的间距应小于物料长度的一半，物料长度取150 mm，则输送轮的间距应小于75 mm。这关系到2 个齿轮啮合之间的距离和在旋转机构上选用1 个输送轮还是2 个输送轮，因此要慎重确定齿轮尺寸。根据市场上常规的物料尺寸为150 mm×150 mm×50 mm，需要在旋转机构上同时布设2 个输送轮。物料在输送轮上分布图，如图所示5。图5 中a为1 个输送模组上2 个输送轮的中心距，b为2 个输送模组上输送轮之间的最小中心距，c为输送轮长度，d为2 个输送模组上2 个输送轮的最小间距，它们之间的关系为

1.输送轮；2.输送轮模组；3.物料。图5 物料在输送轮上分布图

3 案例分析

经过结构改良和优化得到的第三代高速摆轮式分拣机，通过厂内测试，已经运用于河北省、上海市、江苏省等地的项目。第三代分拣机在各项目中的应用实景如图6 所示，应用情况如表1 所示。经过在各项目长时间的使用和观察，除不确定因素造成的卡顿外，第三代分拣机未出现分拣不良现象，能够满足客户需求。此外，其性价比较高，得到了客户的一致好评，为后续业务的开展埋下了伏笔，增强了企业的竞争力。

表1 第三代分拣机在各项目中的应用情况

图6 第三代分拣机在各项目的应用实景

4 结语

高速摆轮式分拣机经过多年的技术迭代、结构改良、控制优化，形成了第三代产品，旨在满足快速变化的市场需求，提高物流配送的时效性。随着物联网、人工智能等技术的不断发展，摆轮分拣机将进一步完善和提升，为物流业的发展注入源源不断的动力。