单开门分拣小车及分拣系统的设计与应用

摘 要：针对电商类小包分拣的新需求，本文研究设计了一种单开门分拣小车及分拣系统，其典型特点为分拣小车为一车多盘结构，且分拣小车的多个托盘是相互独立的，每个托盘上均可放置一个快件，分拣效率得到成倍提高；分拣小车托盘闭合时，四周均有挡边，且落件时靠包件自重下落，包件适应性更强，分拣准确率更高；复位轨道采用顺向设计，整个系统稳定性更高，噪声更低；格口滑槽为双侧摆动结构，可同时向环内或环外落件，在占地面积几乎不变的前提下，可使格口数量翻倍；驱动采用摩擦驱动的方式，与直线电机等其他驱动方式相比，更加节能环保。

关键词：商类小包、单开门分拣小车、一车四盘、顺向复位、双侧格口、摩擦驱动

一、概述

在我国快递物流分拣领域，大多数邮件处理中心都投入使用了交叉带、模组带、摆轮等自动化分拣设备，但在处理电商类小包时，现有设备则存在着效率优势不明显、分拣准确率低、占地面积大等突出问题，迫切需要一种新的电商类小包分拣系统。

针对此需求，本文通过自主创新，研究设计了一种单开门分拣小车及分拣系统，主要应用于电商类小包的高速分拣（包裹尺寸：50mm≤最长边L≤200mm，50mm≤次长边B≤200mm，50mm≤高H≤200mm；包裹重量：0.01kg≤W≤5kg）。如图1所示，该系统主要由单开门分拣小车、落包机构、复位装置、双侧格口、驱动系统等组成。

二、技术方案

1.分拣小车技术方案

国内外单开门分拣小车通常采用单盘结构（图2），设备分拣效率及场地利用率低。本项目的单开门分拣小车为一车多盘结构（典型的如一车四盘结构），且分拣小车的多个托盘是相互独立的，每个托盘上均可放置一件快件，结构紧凑，使效率得到成倍提高。

单开门分拣小车主要由内外侧支架、托盘、锁止机构、缓冲装置组成（图3），其中1为外侧支架；2、3、7、8为托盘；4为内侧支架；5、6、9、10为锁止机构。单开门分拣系统分拣小车独创的一车多盘结构，使“低速供件、高效分拣”在实际中得以实现，非常适用于电商类小包的自动分拣。

（1）内外侧支架

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（图4）。内、外侧支架通过两根转轴和两条挡板（序号11、序号18）连接在一起。托盘绕转轴做旋转运动，挡板可避免托盘上的包裹在运输过程中，尤其是转弯时，从托盘上滑落。连杆（序号13）用于将相邻分拣小车连接在一起，摩擦板（序号16）在驱动装置的夹持下推动小车前进。

（2）锁止机构

锁止机构主要由摆杆、摆杆滚轮、扭簧组成（图5）。本例中以外侧锁止机构为例进行说明，内侧锁止与之相反。扭簧始终使摆杆具有顺时针旋转的趋势。托盘的锁闭过程见图6，当托盘翻转到一定角度时，托盘上的斜推块和摆杆滚轮接触；随着托盘的翻转，斜推块同时将摆杆推开，当托盘达到水平状态时，摆杆滚轮此时和斜推块的接触面刚好脱离，在扭簧的作用下，摆杆旋转至托盘底面，将托盘锁住。这种斜面顶推设计，结构更为简单，从根本上解决了上一代产品存在的推杆锁定不可靠的问题。

（3）缓冲装置

缓冲装置主要由固定在内外侧支架上的缓冲块组成，其作用是降低小车开门时的噪声，且托盘回弹尽可能小（图7）。托盘打开接近90°时，托盘侧边和缓冲块侧边接触，缓冲块和托盘接触面为一斜面，随着托盘的摆动，缓冲块和托盘接触面之间的间隙越来越小，从而通过相互之间的挤压力将托盘平稳停住，避免托盘回弹对落件轨迹的影响。

2.卸载和复位机构技术方案

卸载机构可根据控制信号将包裹落入指定的格口滑槽内，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，见图8（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，释放托盘，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，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，气缸受力此时最佳。

复位装置用于将小车托盘置于开始位置。整个复位轨道采用顺向复位的设计，即复位轨道设置在分拣小车下方，且复位轨道沿小车运行方向逐渐抬高，这保证了小车复位的可靠性和平稳性。复位装置由铝型材按设计曲线弯制而成，铝型材工作面可覆上橡胶等柔软材质。复位过程中，托盘和复位轨道上表面接触，沿着复位轨道预设的轨迹，最终完成复位动作，见图9（图中箭头方向为小车运动方向）。需要说明的是，在复位轨道的最高点，有一段水平段，其目的是给摆杆回位留有充分时间，进一步保证复位的可靠性。

由于卸载和复位机构采用纯机械结构设计，整套设备除主驱动外无额外能耗。同规模同驱动方式条件下，交叉带分拣机每百米主机能耗为3kw，而单开门分拣系统仅需2.2kw，能耗降低25%以上。

3.滑槽格口技术方案

单开门分拣系统的滑槽为双侧格口，可在占地面积几乎不变的条件下，使设备的格口路向实现翻倍。双侧格口主要由上部滑板、中间翻转板、底板、撑袋架、翻转执行机构组成（图10），其显著特征为快件可双向落件，即快件可向外侧或内侧邮袋内落件。上部滑板可有效降低外侧小车托盘向外侧格口或内侧小车托盘向内侧格口落件时的高差，降低包件破损率。翻转执行机构根据快件的路向调整中间翻转板的位置，控制快件落向外侧或内侧，从而达到双向落格的目的。翻转执行机构可为气缸驱动或电机驱动。中间翻转板的转轴在中间位置，翻转执行机构受力好。撑袋架撑起邮袋袋口，便于快件自动滑进邮袋内。

4.驱动系统技术方案

驱动装置采用摩擦驱动的方式，取代了传统的橡胶链驱动方式，布局更加灵活，其主要由驱动电机、电机带轮、挂胶驱动轮、双面齿形带、张紧带轮、拉簧、固定板、摆动板组成（图11）。驱动电机通过双面齿形带驱动挂胶驱动轮转动，两个挂胶驱动轮运转方向相反，在拉簧的作用下，摆动板可向固定板靠近，从而使两个挂胶驱动轮能够以一定的夹持力驱动摩擦板（图4）前进，因摩擦板和单开门分拣小车固连，因此分拣小车得以绕轨道循环运行。

三、成果推广应用情况

单开门分拣系统具有分拣效率和准确率高、包件破损率低等特点，在为快递公司创造效益的同时，也使快递用户的满意度显著提升，是电商类小包分拣的一种更优选择。本成果在2020年8月与印尼客户达成销售合同，并于2021年12月通过设备终验收，从投产至今已累计分拣快件达1.03亿件（实物及现场图见图12、图13）。

四、总结

针对常规自动化分拣设备在处理电商类小包时存在的效率和分拣准确率低、设备占地面积大等痛点，本文设计开发了一款单开门分拣小车及其分拣系统，其主要特点有：

1.单开门分拣小车为一车四盘结构，且分拣小车的多个托盘是相互独立的，每个托盘上均可放置一件快件，为国内首创。在主线速度1.0米/秒、单端供件的条件下，机械效率可高达20571件/小时，是同配置下交叉带分拣机等常规自动化分拣设备效率的1.5倍以上。

2.单开门分拣小车托盘闭合时，四周均有挡边，且落件时靠包件自重下落，因此分拣准确率可达99.99%以上。

3.采用动态双侧格口设计，增加了快件的分拣路向，格口路向是同规格单侧格口路向的两倍，分拣颗粒度更高。

4.双侧格口采用跷跷板式结构，可有效降低外侧小车托盘向外侧格口或内侧小车托盘向内侧格口落件时的高差，快件落件轨迹更加平顺，包件破损率更低。

5.系统采用摩擦驱动的方式，更加节能环保。

本文通过对单开门分拣小车及分拣系统的研究设计，形成了一种新的物流分拣设备，丰富了电商类小包分拣的设备选型。