托盘式分拣小车及其分拣系统的研究与设计

文/丁泽新 王志明 李京欣 徐德荣

一、概述

托盘式分拣系统主要应用于医药耗材、服装、邮件、书籍等中小件物品的自动分拣。托盘式分拣系统通常由分拣小车、机架、驱动装置、落包机构、存放部、复位装置等部分组成（如图1所示）。分拣小车用于承载及运输包裹；机架用于安装和承载分拣系统其它部件；驱动装置由主动轮机构和从动轮机构及同步带组成，位于机架内侧，提供分拣小车循环运动的动力；落包机构可根据控制信号将对应包裹释放至指定的存放部内；存放部则可存放一定数量的包裹；复位装置用于将小车托盘置于开始位置。

目前，国内托盘式包裹分拣系统多采用单托盘单斜盘结构（如图2所示），效率低且落包距离大，易造成包裹及邮寄物品的破损；而双斜盘结构关键技术一直被国外垄断（如图3所示），其两个斜盘A和B通过一联动杆实现同步打开与关闭。本文突破了国外对托盘式分拣系统双斜盘技术的垄断，自主创新设计了十字交叉轨道联动机构，实现了分拣小车双斜盘结构的运用。同时为了提高设备工作效率，采用单车双托盘结构，使分拣系统的工作效率提高了近一倍。

分拣小车、落包机构、复位装置是本文的研究重点，将详细进行论述，托盘式小车分拣系统其它组成部分在本文不一一赘述。

二、分拣小车的研究与设计

分拣小车主要由内侧支架、外侧支架、托盘1、托盘2、内侧联动机构、外侧联动机构、内侧锁止机构、外侧锁止机构组成，托盘1和托盘2分别由两个斜盘组成（如图4所示）。托盘式小车分拣系统采用一车双托盘结构，能够极大地提高设备分拣效率，充分利用空间；同一托盘由两个同步开合的斜盘组成，能够显著降低落包高差，避免包裹受损，降低设备工作噪声。

内、外侧支架支撑起分拣小车的其他部件，内侧支架上安装有行走轮和水平轮，水平轮与导轨的两侧缘相接触，主要起导向作用；外侧支架上仅安装有行走轮。同一托盘由两个斜盘组成，内侧联动机构能够保证托盘1的斜盘A和斜盘B同步开合，外侧联动机构能够保证托盘2的斜盘C和斜盘D同步开合；在无触发信号的情况下，内侧锁止机构的作用是保持托盘1当前的状态不变，外侧锁止机构的作用是保持托盘2当前的状态不变。由于分拣小车上的两个托盘及其联动机构、锁止机构为对称结构，工作原理相同，因此阐述时以托盘1为例进行说明，不一一赘述。

1.分拣小车托盘技术方案

托盘1由斜盘A和斜盘B组成，斜盘A和斜盘B为对称件。斜盘主要由托盘罩、斜盘盘体、塑料轴套组成（如图5所示）。斜盘盘体通过螺钉紧固在托盘罩上，托盘罩内孔安装塑料轴承，然后与转轴配合。这种分体式结构，有利于保证托盘罩内孔的同轴度，从而保证斜盘转动灵活并减少塑料轴承的磨损。斜盘盘体底面相对转动中心为偏心布置（偏心距为L），可以满足在斜盘开到某一角度时，两个斜盘的开度较大；同时斜盘盘体末端直插入托盘罩上的狭缝内，且盘体前端有一翻边，这种结构质量轻且斜盘盘体刚度高。

2.分拣小车联动机构技术方案

联动机构主要由竖直导轨、竖直滑块（2个）、水平导轨、水平滑块（2个）、液压缓冲器、复位轮、固定板（2个）组成（如图6、图7所示）。联动机构的设计巧妙运用运动分解的思想，将斜盘的旋转运动分解为竖直及水平方向上的运动，再通过同一根水平导轨相连，从而实现同一托盘两个斜盘的同步开与合。竖直导轨固定在支架上，竖直滑块固定在水平导轨上并沿竖直导轨上下自由滑动，水平滑块通过移动副与水平导轨相连，可沿水平导轨自由滑动，水平滑块和斜盘形成铰接配合，从而实现两个斜盘的同步开与合。液压缓冲器在斜盘运动到低点时，进一步降低托盘打开时产生的噪声。

图1：托盘式分拣系统组成结构

图2：单斜盘结构示意图

图3：双斜盘结构示意

图4：分拣小车结构示意图

图5：斜盘结构示意图

3.分拣小车锁止机构技术方案

锁止机构主要由摆杆、扭簧、限位杆、拉簧组成（如图8所示）。摆杆通过转动副与支架相连，扭簧穿联在摆杆轴上，使摆杆始终有逆时针运动的趋势；限位杆同样通过转动副与支架相连，拉簧一端与限位杆相连，另一端与支架上的固定点相连，使限位杆始终有顺时针运动的趋势。落包前、复位后，限位杆被固定在水平轨道上的过渡板顶起，摆杆在扭簧作用下，逆时针旋转至过渡板下方，将联动机构锁闭（如图9所示）。摆杆旋转至指定位置时，摆杆上的限位销与支架上的限位板接触，此时摆杆停止转动。落包时，摆杆在落包机构的作用下顺时针旋转一定角度，使过渡板脱离摆杆的束缚，从而释放联动机构，斜盘在自重作用下几乎瞬时打开，将包裹落在指定的存放部内；与此同时，限位杆在拉簧的作用下，顺时针旋转，直至将摆杆锁定在预定位置，避免摆杆在扭簧作用下回到初始位置，造成斜盘夹包，同时影响后续斜盘的复位。

三、分拣系统落包机构技术方案

落包机构可根据控制信号将包裹落入指定的存放部内，保证包裹与格口信息一致。其主要由落包滚轮、气缸、气缸支架组成（如图10、图11所示，图中箭头方向为小车运动方向）。气缸支架固定在机架上，气缸竖直固定在气缸支架上，落包滚轮通过螺纹连接与气缸相连。当包裹到达指定存放部时，气缸活塞杆缩回，落包滚轮将分拣小车的摆杆推开一定角度，释放联动机构，进而释放斜盘，包裹在重力作用下落入指定存放部。本设计有两个优点：一是落包时，落包滚轮和摆杆之间为滚动摩擦，且落包滚轮为尼龙材质，工作噪声小；二是气缸活塞杆最小行程时与摆杆接触，气缸活塞杆悬臂小，活塞支点间距最大，此时气缸受力最佳。

四、分拣系统复位装置技术方案

复位装置用于将小车托盘置于开始位置。复位装置主要由复位轨道、复位轮等组成。复位轨道由轨道及固定板组成（如图12所示，图中箭头方向为小车运动方向）。轨道工作面采用两直线三圆弧的设计方法，轨道L1为非常平缓的直线段，主要为了减小分拣小车刚接触复位轨道时的瞬时冲击力；圆弧R1、R2则逐渐提高分拣小车的爬坡角度，这样有利于缩短复位轨道的长度，减少不必要的空间浪费；L2直线段为水平直线段，其目的是为了高速运行时给摆杆回位提供足够的时间；圆弧R3为下降圆弧，其目的是让分拣小车斜盘平缓地从高点回到水平位置。轨道工作面虽然是组合曲线，但其直接编程切割即可满足设计要求，加工非常方便。轨道焊接在固定板上，固定板与机架相连，安装简单。

复位装置工作过程如图13所示，（图中箭头方向为小车运动方向），其中A位置为分拣小车刚接触复位轨道时的姿态，B、C位置为分拣小车复位过程中的姿态，D位置为复位完成时的姿态。分拣小车到达复位轨道时，联动机构上的复位轮与轨道工作面接触，随着分拣小车的前移，复位轮被缓慢抬高，复位轮固定在水平轨道上，因此联动机构随之被抬起。在联动机构的驱动下，与之相连的两个斜盘被同时抬起，当到达轨道最高点时，锁止机构的限位杆将摆杆释放，摆杆在扭簧作用下旋转一定角度，将联动机构锁闭，复位过程完成。

图6：联动机构示意图

图7：联动机构实物图

图8：锁止机构结构示意图

图9：锁止机构复位后位置关系图

图10：落包机构示意图

图11：落包机构实物图

五、分拣系统的应用实例

托盘式包裹自动分拣系统的主要处理对象为：最长边≤350mm、重量≤5kg的中小件，且尤其适合软包及不规则外形包裹的分拣。此创新成果已在深圳国际邮件分拨中心项目、厦门邮政速递项目中投入使用，两个项目的主线运行速度分别为0.83m/s、 1m/s，供件方式均为人工直接摆件，分拣效率可高达14000件/h。

图12：复位轨道结构示意图

图13：复位装置工作过程示意图

图14：分拣小车实物图

图15：深圳国际邮件分拨中心项目现场

六、总结

本文提供了一种新的托盘式分拣小车及其分拣系统，分拣系统为单车双托盘结构，设备工作效率高；同一托盘由两个斜盘组成，能够显著降低落包高差，避免包裹受损；同时该系统工作噪声低，制造加工成本低。本文的主要创新点如下：

1.发明了一种新的托盘式分拣小车及其分拣系统，尤其是分拣小车、落包机构和复位轨道研究设计；

2.运用运动分解原理，自主创新设计了十字交叉轨道结构，实现了同一托盘两个斜盘的同步开合功能，打破了国外同一托盘双斜盘技术的垄断，填补了国内空白；

3.锁止机构由摆杆、限位杆、扭簧及拉簧组成，安装空间小，且机构可靠性高；

4.落包机构在气缸最小行程时工作，且落包滚轮和摆杆之间为滚动摩擦，气缸受力较好，有效延长了气缸的使用寿命，降低了设备的工作噪声；

5.复位轨道采用两直线三圆弧的曲线设计方法，分拣小车整个复位过程非常平稳，且复位轨道加工方便，直接编程切割即可。

随着电商带动物流行业的进一步发展，可以预见，双托盘双斜盘式包裹自动分拣系统将有着广阔的市场前景。