近年來物流行業呈高速發展狀態, 據統計, 2016年我國快遞年業務量超過300億件, 同比增長51.7%, 穩居世界第一[1].快件在派收過程中可劃分為城際、城區、片區三個層級, 快遞員所承擔的片區派收是快遞行業的基石和瓶頸.在快遞員的派收工作中, 普遍采用三輪電動車作為運載工具, 由于其車廂箱體結構單一, 容積有限, 無法做到快件的合理分配, 造成快件堆放雜亂無序, 信息混亂, 派件效率低;敞蓬式車廂在顛簸路段或通過減速帶時易丟件, 車廂不能上鎖, 在快遞員離開電動車去送件時也存在安全隱患, 使快遞員承擔的風險很大.為有效解決快件派收過程中存在的存放雜亂、效率低、易丟件等問題, 開展用于片區快件派收的立體倉庫設計很有必要.

立體倉庫是指采用多層貨架, 在不直接進行人工處理的情況下, 能夠智能地存儲和取出物料的系統.通常由存儲系統、搬運系統和控制系統等組成.其中涉及到的機械裝置包括多層貨架、托盤、安全保護裝置、輸送機等[2].

用于片區快件派收的立體倉庫的設計思路是:采用雙層貨架, 在每層貨架上采用回轉月牙機構實現快件存放與同層間的搬運, 采用升降臺機構結合推拉機構實現快件在多層貨架間的存取和搬運;以直流電機為動力源驅動傳動系統, 采用分布式離合機構結合傳感檢測系統, 通過電磁離合的通斷來控制不同機構的運作, 通過四個機構結合起來實現快件快速、便捷地存取.

片區快件派收的立體倉庫結構見圖1, 主要由箱體、帶離合控制的傳動系統、回轉月牙機構、升降臺機構、推拉機構等組成.箱體由方形鋁型材構成骨架, 包括立柱和橫梁, 作為立體倉庫的基礎件以支撐其他機構.骨架外部蒙皮構成全密封的箱體, 以保證快遞件在運送過程中的安全性[3].

立體倉庫的傳動系統由電機、錐齒輪、直齒輪、電磁離合器和傳動軸構成 (見圖2) .主動軸I軸通過聯軸器與直流電機聯接, II軸為中間軸, III、IV、V軸為輸出軸, III、IV軸上安裝有一、二層回轉月牙機構的主動鏈輪, V軸上安裝有升降臺機構的主動吊輪.啟動直流電機, 電機通過聯軸器帶動I軸旋轉, 通過齒輪Z1、Z2傳動到Ⅱ軸, Z3、Z5、Z7為Ⅱ軸上的固定齒輪, 分別驅動空套齒輪Z4、Z6、Z8, 各軸的運動輸出則由電磁離合器M1、M2、M3的開合狀態來控制.通過各電磁離合器的通斷電來控制相應機構的運作, 與三個機構結合起來實現快件快速、便捷存取.

圖1 片區快件派收的立體倉庫結構   下載原圖

圖2 立體倉庫的傳動系統簡圖   下載原圖

回轉月牙機構由單邊帶耳式鏈條、帶磁鐵的多個月牙盤和鏈輪組成 (見圖3) .月牙盤采用特殊的月牙形設計, 鏈條帶動月牙盤轉動, 月牙盤外圓弧面繞相鄰月牙盤內圓弧面發生相對旋轉, 相鄰多塊月牙盤外緣形成類圓形繞過箱體的窄邊拐角處, 避免機構在做回轉運動與箱體觸碰, 發生卡死現象.這樣, 通過銷釘連接將月牙盤與鏈條結合在一起形成一種可回轉的移動式存儲箱.磁鐵鑲嵌在月牙盤上的磁鐵槽中, 霍爾感應元件可感應月牙盤上磁鐵, 將其置于倉庫取件口上方, 可對月牙盤上快件的位置賦予相應數字以確定立體倉庫內快件位置, 借助另行開發的APP應用輸入指令, 實現目標快件的定位與存取.

圖3 回轉月牙機構   下載原圖

圖4 升降臺機構   下載原圖

升降臺采用單柱式結構, 由吊輪、吊繩、載物臺、直線導軌、立柱四部分組成 (見圖4) .立柱與箱體底部連接, 起支撐作用.直線導軌安裝在立柱兩側, 與載物臺相連接, 起導向作用.升降臺機構中的吊輪有兩個, 主動吊輪固定在V軸上, 另一個吊輪相當于滑輪, 安裝在立柱頂端, 內有軸承.吊繩一端連在主動吊輪, 繞過滑輪后, 另一端連在載物臺上.通過吊輪圈揚吊繩牽引載物臺升降, 實現快件在二層貨架與底層取物窗之間的升降運動.

推拉機構由機座、直流推桿電機、聯軸器和推板組成 (見圖5) .直流推桿電機作為動力源, 利用該電機可將圓周運動轉變為直線運動的特性, 通過聯軸器將推板直接推拉.推板槽口的長度、高度尺寸略大于月牙盤的相關尺寸, 回轉月牙機構帶動快件可在推板槽口內自由運轉, 當快件到達取物口位置時, 電機通電, 將快件推至載物臺, 實現目標快件在貨架與載物臺之間的交換, 反之亦然.

圖5 推拉機構   下載原圖

立體倉庫存取快件的工作過程是:存件時, 快件置于升降臺機構的載物臺上, 選取目標儲物地址 (含所在層數和儲物位置) , 該層貨架目標儲物格在回轉月牙機構帶動下定位到推拉位置, 推拉機構推出 (常態為收回狀態) , 然后升降臺機構帶動載物臺及其上面的快件提升到相應貨架, 推拉機構收回, 即將快件存放到目標位置;取件時, 先選取目標儲物地址, 回轉月牙機構開始回轉, 與此同時升降臺機構帶動載物臺提升到相應貨架等待載貨, 在目標快件到達推拉位置后, 推拉機構將快件推出到載物臺上, 升降臺機構帶動載物臺下降到取物窗, 等快遞沒將快件取出后, 推拉機構收回.

圖6 控制系統框圖   下載原圖

該過程由控制系統實現自動控制.控制系統以80C51單片機為核心, 系統框圖見圖6.系統通過霍爾傳感器對裝在各月牙盤上的銜鐵進行順讀、逆讀的方式實現對儲物格的直接尋址, 通過限位開關檢測升降機構、推拉機構的位置, 通過串口通訊Rx D、Tx D實現與上位機 (手機) 的通信.系統在接收到上位機發出的存/取件信號后, 以霍爾傳感器和限位開關對立體倉庫當前的狀態和位置進行檢測, 其結果輸入80C51單片機, 經運算、分析處理后, 發布運行指令, 采用PWM技術對直流電機的運行方向和速度進行控制并經由直流伺服模塊對電機進行伺服驅動, 通過繼電器控制電機通/斷電狀態和電磁離合器開/合狀態, 傳動系統開始工作, 其運行結果同時通過霍爾傳感器和限位開關的檢測進行反饋, 在自動完成相關存/取件工作后系統自動轉為待機狀態, 等待下一個工作循環.

圖7 實物模型照片   下載原圖

為驗證立體倉庫的運行實效, 制作了立體倉庫模型 (見圖7) .廂體由鋁管和PVC板構成, 月牙盤采用3D打印技術制作, 外購了直流減速電機、電磁離合器、霍爾感應元件、單耳式鏈條和鏈輪、光軸、塑料齒輪、軸承、聯軸器等, 裝配成立體倉庫的機械本體;控制系統以80C51單片機為核心, 自制了電路板, 并編寫了相應控制程序.該模型運行順暢, 月牙機構巧妙地避免了快件回轉時的空間干涉, 存/取件地址識別穩定可靠, 單件存/取最長耗時約30 s, 實現了快件的安全、穩定、高效自動存取.

應用示例:見圖8, 以型號為RQ161129的電動三輪車為底盤, 可將立體倉庫 (箱體尺寸:160 cm×110 cm×160 cm) 直接放置在該電動車的車廂內, 也可拆除原車廂, 將立體倉庫與該車底盤用螺栓連接 (見圖8) , 即構成具有自動存取件功能的新型快件運載工具, 實現快遞員在片區內高效、有序、安全地派收快件.改變立體倉庫箱體的尺寸規格, 就可滿足不同型號電動三輪車的實際需要, 擴大本設計的應用范圍 (見圖8) .

圖8 應用示例   下載原圖

片區快件派收的立體倉庫機械結構巧妙, 通過獨特的分布式電磁離合控制實現對雙層回轉月牙機構、升降臺機構、推拉機構的運行順序控制, 借助傳感器對指定快件識別, 進行高效快速存取, 隔間式月牙盤使快件存放有序并可避免干涉, 全封閉的廂體結合電子密碼鎖有效提高了快件派收的安全性相較于傳統的敞蓬式快遞三輪車, 切實解決了快件堆放雜亂無序, 分件時間久, 派件效率低、易丟件等難題, 能有效降低快遞員的勞動強度, 提高其工作效率, 使快件在運輸過程中的安全性得到保障.該設計切合當下快遞行業迅猛發展的實際需要, 具有廣闊的推廣應用前景.