近年来物流行业呈高速发展状态, 据统计, 2016年我国快递年业务量超过300亿件, 同比增长51.7%, 稳居世界第一[1].快件在派收过程中可划分为城际、城区、片区三个层级, 快递员所承担的片区派收是快递行业的基石和瓶颈.在快递员的派收工作中, 普遍采用三轮电动车作为运载工具, 由于其车厢箱体结构单一, 容积有限, 无法做到快件的合理分配, 造成快件堆放杂乱无序, 信息混乱, 派件效率低;敞蓬式车厢在颠簸路段或通过减速带时易丢件, 车厢不能上锁, 在快递员离开电动车去送件时也存在安全隐患, 使快递员承担的风险很大.为有效解决快件派收过程中存在的存放杂乱、效率低、易丢件等问题, 开展用于片区快件派收的立体仓库设计很有必要.

立体仓库是指采用多层货架, 在不直接进行人工处理的情况下, 能够智能地存储和取出物料的系统.通常由存储系统、搬运系统和控制系统等组成.其中涉及到的机械装置包括多层货架、托盘、安全保护装置、输送机等[2].

用于片区快件派收的立体仓库的设计思路是:采用双层货架, 在每层货架上采用回转月牙机构实现快件存放与同层间的搬运, 采用升降台机构结合推拉机构实现快件在多层货架间的存取和搬运;以直流电机为动力源驱动传动系统, 采用分布式离合机构结合传感检测系统, 通过电磁离合的通断来控制不同机构的运作, 通过四个机构结合起来实现快件快速、便捷地存取.

片区快件派收的立体仓库结构见图1, 主要由箱体、带离合控制的传动系统、回转月牙机构、升降台机构、推拉机构等组成.箱体由方形铝型材构成骨架, 包括立柱和横梁, 作为立体仓库的基础件以支撑其他机构.骨架外部蒙皮构成全密封的箱体, 以保证快递件在运送过程中的安全性[3].

立体仓库的传动系统由电机、锥齿轮、直齿轮、电磁离合器和传动轴构成 (见图2) .主动轴I轴通过联轴器与直流电机联接, II轴为中间轴, III、IV、V轴为输出轴, III、IV轴上安装有一、二层回转月牙机构的主动链轮, V轴上安装有升降台机构的主动吊轮.启动直流电机, 电机通过联轴器带动I轴旋转, 通过齿轮Z1、Z2传动到Ⅱ轴, Z3、Z5、Z7为Ⅱ轴上的固定齿轮, 分别驱动空套齿轮Z4、Z6、Z8, 各轴的运动输出则由电磁离合器M1、M2、M3的开合状态来控制.通过各电磁离合器的通断电来控制相应机构的运作, 与三个机构结合起来实现快件快速、便捷存取.

图1 片区快件派收的立体仓库结构   下载原图

图2 立体仓库的传动系统简图   下载原图

回转月牙机构由单边带耳式链条、带磁铁的多个月牙盘和链轮组成 (见图3) .月牙盘采用特殊的月牙形设计, 链条带动月牙盘转动, 月牙盘外圆弧面绕相邻月牙盘内圆弧面发生相对旋转, 相邻多块月牙盘外缘形成类圆形绕过箱体的窄边拐角处, 避免机构在做回转运动与箱体触碰, 发生卡死现象.这样, 通过销钉连接将月牙盘与链条结合在一起形成一种可回转的移动式存储箱.磁铁镶嵌在月牙盘上的磁铁槽中, 霍尔感应元件可感应月牙盘上磁铁, 将其置于仓库取件口上方, 可对月牙盘上快件的位置赋予相应数字以确定立体仓库内快件位置, 借助另行开发的APP应用输入指令, 实现目标快件的定位与存取.

图3 回转月牙机构   下载原图

图4 升降台机构   下载原图

升降台采用单柱式结构, 由吊轮、吊绳、载物台、直线导轨、立柱四部分组成 (见图4) .立柱与箱体底部连接, 起支撑作用.直线导轨安装在立柱两侧, 与载物台相连接, 起导向作用.升降台机构中的吊轮有两个, 主动吊轮固定在V轴上, 另一个吊轮相当于滑轮, 安装在立柱顶端, 内有轴承.吊绳一端连在主动吊轮, 绕过滑轮后, 另一端连在载物台上.通过吊轮圈扬吊绳牵引载物台升降, 实现快件在二层货架与底层取物窗之间的升降运动.

推拉机构由机座、直流推杆电机、联轴器和推板组成 (见图5) .直流推杆电机作为动力源, 利用该电机可将圆周运动转变为直线运动的特性, 通过联轴器将推板直接推拉.推板槽口的长度、高度尺寸略大于月牙盘的相关尺寸, 回转月牙机构带动快件可在推板槽口内自由运转, 当快件到达取物口位置时, 电机通电, 将快件推至载物台, 实现目标快件在货架与载物台之间的交换, 反之亦然.

图5 推拉机构   下载原图

立体仓库存取快件的工作过程是:存件时, 快件置于升降台机构的载物台上, 选取目标储物地址 (含所在层数和储物位置) , 该层货架目标储物格在回转月牙机构带动下定位到推拉位置, 推拉机构推出 (常态为收回状态) , 然后升降台机构带动载物台及其上面的快件提升到相应货架, 推拉机构收回, 即将快件存放到目标位置;取件时, 先选取目标储物地址, 回转月牙机构开始回转, 与此同时升降台机构带动载物台提升到相应货架等待载货, 在目标快件到达推拉位置后, 推拉机构将快件推出到载物台上, 升降台机构带动载物台下降到取物窗, 等快递没将快件取出后, 推拉机构收回.

图6 控制系统框图   下载原图

该过程由控制系统实现自动控制.控制系统以80C51单片机为核心, 系统框图见图6.系统通过霍尔传感器对装在各月牙盘上的衔铁进行顺读、逆读的方式实现对储物格的直接寻址, 通过限位开关检测升降机构、推拉机构的位置, 通过串口通讯Rx D、Tx D实现与上位机 (手机) 的通信.系统在接收到上位机发出的存/取件信号后, 以霍尔传感器和限位开关对立体仓库当前的状态和位置进行检测, 其结果输入80C51单片机, 经运算、分析处理后, 发布运行指令, 采用PWM技术对直流电机的运行方向和速度进行控制并经由直流伺服模块对电机进行伺服驱动, 通过继电器控制电机通/断电状态和电磁离合器开/合状态, 传动系统开始工作, 其运行结果同时通过霍尔传感器和限位开关的检测进行反馈, 在自动完成相关存/取件工作后系统自动转为待机状态, 等待下一个工作循环.

图7 实物模型照片   下载原图

为验证立体仓库的运行实效, 制作了立体仓库模型 (见图7) .厢体由铝管和PVC板构成, 月牙盘采用3D打印技术制作, 外购了直流减速电机、电磁离合器、霍尔感应元件、单耳式链条和链轮、光轴、塑料齿轮、轴承、联轴器等, 装配成立体仓库的机械本体;控制系统以80C51单片机为核心, 自制了电路板, 并编写了相应控制程序.该模型运行顺畅, 月牙机构巧妙地避免了快件回转时的空间干涉, 存/取件地址识别稳定可靠, 单件存/取最长耗时约30 s, 实现了快件的安全、稳定、高效自动存取.

应用示例:见图8, 以型号为RQ161129的电动三轮车为底盘, 可将立体仓库 (箱体尺寸:160 cm×110 cm×160 cm) 直接放置在该电动车的车厢内, 也可拆除原车厢, 将立体仓库与该车底盘用螺栓连接 (见图8) , 即构成具有自动存取件功能的新型快件运载工具, 实现快递员在片区内高效、有序、安全地派收快件.改变立体仓库箱体的尺寸规格, 就可满足不同型号电动三轮车的实际需要, 扩大本设计的应用范围 (见图8) .

图8 应用示例   下载原图

片区快件派收的立体仓库机械结构巧妙, 通过独特的分布式电磁离合控制实现对双层回转月牙机构、升降台机构、推拉机构的运行顺序控制, 借助传感器对指定快件识别, 进行高效快速存取, 隔间式月牙盘使快件存放有序并可避免干涉, 全封闭的厢体结合电子密码锁有效提高了快件派收的安全性相较于传统的敞蓬式快递三轮车, 切实解决了快件堆放杂乱无序, 分件时间久, 派件效率低、易丢件等难题, 能有效降低快递员的劳动强度, 提高其工作效率, 使快件在运输过程中的安全性得到保障.该设计切合当下快递行业迅猛发展的实际需要, 具有广阔的推广应用前景.