分拣导入物料的投影尺寸及近似体积测量计算方法

刘强 马立新 闵定勇 赵逍 柳智磊 蔺应晓

[摘要]分析了目前自动化物流分拣输送系统在物料导入输送环节的工艺特点和设备控制现状，并结合应用光电检测、工业可编程控制等技术，针对水平交叉带分拣输送机应用场景，对其中物料导入控制环节所面临的物料外形尺寸測量和计算问题，提出了基于物料轮廓最大值检测、尺寸特征捕捉、长宽比关系判断等要素来对物料投影尺寸进行测量的计算方法，具有数据采集实时、程序编写简单、运算量少等特点;同时基于对导入输送的物料进行横向、纵向的截面段断层扫描测量并累加计算，以较低的器件成本及较少的控制器程序运算量，实现对物料体积的近似测量计算，是一种较为经济和可取的控制计算方法。

[关键词]投影尺寸;交叉带分拣输送机;导入物料;近似体积;可编程控制器

[中图分类号]TH22

[文献标识码]A

[文章编号]1005-152X（2022）02-0113-06

[收稿日期]2021-12-28

[作者简介]刘强（1973-），通信作者，男，四川仪陇人，昆船智能技术股份有限公司高级工程师，研究方向：自动化物流设备控制系统、物流自动化工艺等;马立新（1982-），男，云南巍山人，回族，昆船智能技术股份有限公司高级工程师，研究方向：自动化物流系统智能装备及工业控制软件开发;闵定勇（1968-），男，云南文山人，昆船智能技术股份有限公司高级工程师，研究方向：自动化物流系统和产品研发。

0引言

在当前自动化物流分拣输送系统中，往往存在着多个分拣输送单元，设备面临分拣的物料千差万别，同一设备单元中物料尺寸也是多种多样，控制系统需要对物料的外形投影尺寸进行准确的测量，并将测量结果绑定给物料信息，在不同的控制环节进行传递，从而对物料在这些单元之间的导入导出分拣输送进行准确的控制，确保准确分拣;此时会有许多进行侧向导入合流输送的场景，例如Tilt-Tray Sorter倾板式分拣机、Cross-Belt Sorter交叉带分拣机等输送系统的物料导入单元，如图1所示。在进行这些系统的合流输送控制时，掌握物料长宽方向准确可靠的尺寸信息，对于控制好物料在导入和导出的输送姿态极其重要，是保证物料在上下游输送单元分拣输送准确性的关键因素。

为确保后段分拣输送单元的可控输送，在导入输送线上输送的物料均按照平行于主输送线运行方向的姿态进行摆放和输送，而为使物料准确在本级分拣输送段导出和在下一级导入，需要在本级输送段上对这些长宽方向与输送线方向不一致的物料尺寸进行测量计算。在一般场景中因设备安装空间、分段控制、以及检测器件尺寸成本等因素，决定了用于检测的测量光栅只能采用垂直于导入方向的方式安装，这就需要对测量光栅的采集数据进行一定的计算处理，方可作为物料的尺寸数据用于导入导出控制使用。目前此类系统的常用计算方法对数据采集不够实时、计算方法复杂、程序编写量和运算量大，在工程应用中存在一定不足，不能满足控制通用性以及快速准确获取物料尺寸数据的控制应用需求。

另外，当前的自动化物流分拣输送系统的一些应用场景中，尤其是在诸如快递、仓储等环节，为了实现对物料堆码、转运的空间预判、以及运费计算等功能的支持，需要实时掌握物料的体积数据，这对于在分拣输送线中导入物料体积进行测量提出了应用需求，非常有必要在综合考虑硬件配置成本以及系统控制计算能力等因素的基础上对此类需求进行响应。

随着计算机控制技术的飞速发展，当前的工控领域可编程控制器的计算能力也大幅提高，目前主流的可编程控制器的布尔量运算和浮点运算能力都达到了ns级别，工业通讯总线也达到了千兆的速率和小于10ms的响应时间;而测量光栅等光电测量元件的测量精度一般为毫米级别，故而可以结合这些进步和提升，通过优化控制器的算法对上述分拣物料的尺寸和体积进行测量和计算，从而对其可靠准确的进行分拣以及完善物料的物理信息，为整个分拣输送系统准确高效运行提供保障。

1技术应用分析

鉴于以上技术背景，本文将以昆船智能技术股份有限公司研发生产的FHD2型水平交叉带分拣机应用场景为例，介绍一种在其物料导入合流环节应用的物料长宽尺寸及近似体积测量的计算方法。水平交叉带分拣机是一种高效的物料分拣设备，一般配置有多个侧向供包台，每个供包台都由若干排队输送机、同步输送机、导入输送机组成，一般在排队输送机与同步输送机之间配置测量光栅，物料在供包台输送时，通过光栅测量出外形尺寸数据，控制系统根据外形投影尺寸数据判断出物料在输送线上的位置，同时启动位置跟踪，通过位置反馈进行系统中空闲交叉带小车的定位和同步追随，最终以与环行圈匹配的投影速度实现物料从导入口到小车的迁移，如图2所示。

水平交叉带分拣机输送系统中，物料在外形光栅检测的位置尺寸数据，既用于计算物料同步输送X方向位置的提前或滞后量，也将用于物料输送到小车上Y方向位置的停位，实现物料中心与小车车中心的对中;导入到小车上的物料通过序列位置标记和动态跟踪，各供包台、交叉带小车、导出格口在控制信息系统的统一协调下，按照不同目的地的要求将物料准确高效的导出到相应的分拣口，实现系统的连续高速运行。由此可见，物料外形投影尺寸是影响这种交叉带分拣机供包台供包导入效率的关键因素，对其快速准确的测量和计算对于物料后续在各个单元准确进行输送和分拣有着极为重要的影响。

另外交叉带分拣机系统的应用场景中，为了便于格口满料预判、以及费用计算等功能的实现，需要对分拣物料的体积数据及时准确进行测量，这样的功能可以在上述物料外形尺寸测量计算的基础上进行延伸开发，可在综合考虑硬件配置成本以及系统控制计算能力等因素基础上对此进行响应，从而满足不同系统和用户的功能需求。

2计算控制方法详述

本文介绍的计算方法基于侧向导入输送机各个导入导出段对物料的可控速水平输送，以及垂直于导入输送方向安装的测量光栅对侧向导入物料的实时测量数据。以下将分别从物料投影尺寸测量和近似体积测量两个方面对具体的测量和计算方法进行详细说明。

2.1物料投影长宽尺寸测量的计算方法

如图3所示，物料长宽尺寸测量计算方法的基本原则是测量出物料在平行和垂直于输送线导入方向的两个方向上的外形轮廓最大值数据A值、B值，以及Bn1和Bn2两个尺寸特征点的位置数据，通过判断物料摆放的长宽比关系，结合输送线导入方向与主输送线运行方向的夹角θ进行三角函数运算，获得物料与主输送线运行方向一致的长度和宽度投影尺寸数据，具体计算方法如下。

在交叉带分拣输送线的供包多级导入输送机位置安装有一套横向测量光栅，用于测量经过此处物料在垂直于输送方向上的遮挡尺寸，计算程序实时扫描物料对光栅的遮挡情况，导入输送机启动导入物料后，当物料前端点进入横向测量光栅的扫描周期开始计时（T0），物料后端点离开横向测量光栅的扫描周期停止计时（T）f，T0至Tf的计时器计时值T（ms）为该物料的测量周期时长。

根据导入输送机运行速度vθ（mm/s）结合物料在横向测量光栅测得的周期时长T（ms），可以计算出该物料沿导入输送线方向的外形轮廓最大值A（mm）：

在物料测量周期T的有效时长内，控制程序实时扫描横向测量光栅的光栅信号，分别对以下三个状态的光栅信号数据进行记录：

（1）物料向前输送，其前端点进入横向测量光栅检测位置时，将此时光栅被遮挡点记录为Bn2;

（2）在物料继续向前输送的过程中，当测量光栅靠近主输送线一侧的被遮挡光栅的数量发生减少时，则将上一次计算周期时测量光栅这一侧最小的光栅被遮挡点记录为Bn;

（3）当测量光栅远离主输送线一侧的被遮挡光栅的数量发生减少时，则将上一次计算周期时测量光栅这一侧最大的光栅被遮挡点记录为Bf，并且同时将上一次计算周期时测量光栅靠近主输送线一侧最小的光栅被遮挡点记录为Bn1。

通过计算程序实时对上述4个尺寸特征点的记录测量，则可以通过光栅的精度参数计算出物料在垂直于输送线导入方向的外形轮廓最大值B（mm），以及两个二级数据B1值和B2值，接下来根据一级数据（A、B的数值）判断物料摆放的长宽比关系，分别进一步计算物料投影长宽尺寸，如图4所示。

物料近似体积测量计算方法的基本原则是基于对在导入输送机上输送的物料进行Y、Z方向的截面段断层扫描测量并累加计算来实现的，如图5所示。

本测量计算方法是以上述物料长宽方向投影尺寸测量的数据为基础进行渐进开发和计算的;为实现对物料高度方向的检测，在导入输送机横向测量光栅的两侧安装一套高度测量光栅组成矩形光栅组，实时测量每个扫描周期经过横向测量光栅的物料高度并计算截面段的体积，具体计算方法如下：

在物料测量周期T的有效时长内，计算程序在每个程序计算周期t，采集横向测量光栅被遮挡的光栅数量，计算出本计算周期遮光长度Bcr（mm），结合输送机运行速度vθ（mm/s）与程序计算周期t（ms），以及上个计算周期保存的物料遮光长度Bbf（mm），可以近似得到在计算周期内该物料在输送机皮带面上经过小截面段的投影面积，同时采集高度测量光栅被遮挡的光栅数量，计算出遮光高度H（mm）;从而计算出该计算周期物料经过矩形光栅组的小截面段的体积vs（m3）：

在此过程中，需要将较短且相邻的若干个计算周期内发生的大幅度变化的高度测量数据作为杂波进行过滤，以最大程度排除非实体体积数据（标签、包装带等）对物料体积测量计算的干扰。

最后，计算程序累加每个计算周期物料经过矩形光栅组的若干个小截面段的体积vs之和，即可得到物料在测量周期T（测量开始时间T0至测量结束时间T）f测算得到的近似体积V（em3）：

在分拣输送线导入阶段，对物料体积数据需求不高，一般作为设备保护或辅助输送稳定控制等使用，以及为分拣输送线对物料堆码、转运的空间预判，还可为运费计算等需求提供一定的数据支持，本文的测量计算方法以较低的器件成本以及增加不多的控制器程序运算量，即可实现对外形较规则或变形不大的物料體积的近似测量，是较为经济且可取的方法。

本文论述的分拣输送线导入物料的长宽投影尺寸及近似体积测量计算方法，是针对导入物料进行测量这种工程需求的两个渐进的解决方法，体积测量依托物料长宽投影尺寸的测量数据进行计算，根据实际需要，两者既可以同时使用也可只使用一种，若不需要进行物料体积测量时，则只需在配置一套横向测量光栅的条件下完成物料长宽投影尺寸的测量计算。

3计算方法步骤及程序实现

交叉带分拣输送机系统供包台导入物料投影尺寸及近似体积测量的计算方法流程框图如图6所示。

经简化，本文前述的测量计算方法可以总结归纳为如下步骤。

导入物料长宽投影尺寸测量计算的步骤如下：（1）启动导入输送机进行物料导入;（2）物料前端点进入横向测量光栅，物料测量周期开始计时T0，记录横向测量光栅被遮挡的尺寸特征点Bn2;

（3）物料继续向前输送，在横向测量光栅靠近及远离主输送线一侧被遮挡光栅的数量发生减少时，分别捕捉并记录横向测量光栅被遮挡的尺寸特征点Bn、Bf、Bn1;

（4）物料后端点离开横向测量光栅，物料测量周期停止计时Tf，物料测量周期时长T=Tf-T0;

（5）计算物料在平行和垂直于输送线导入方向两个方向上的外形轮廓最大值数据A值、B值，以及两个特征点尺寸值B1和B2;

（6）通过A值、B值判断物料方向的长宽比关系，结合输送线导入方向与主输送线运行方向的夹角θ对特征点尺寸值B1和B2进行三角函数运算，获得物料与主输送线运行方向一致的投影长度和宽度尺寸数据。

导入物料近似体积测量计算步骤如下：

（1）启动导入输送机进行物料导入;

（2）物料前端点进入横向测量光栅，物料测量周期开始计时T0;

（3）物料继续向前输送，测量并计算该计算周期

t矩形光栅组的遮光长度Bcr和遮光高度H;

（4）利用测量值计算该计算周期t内物料经过矩形光栅组的小截面段的体积Vs并进行累加为Ve，同时将遮光长度Bcr寄存为Bbf;

（5）判断物料后端点离开矩形光栅组，物料测量周期停止计时Tf，物料测量周期时长T=Tf-T0，则物料近似体积测量计算完成：V=Ve，否则返回步骤3继续循环测量计算。

在实际工程应用中，为适用于可编程控制器运算和程序编写，以及最大程度的保持计算精度，在上述计算方法的程序设计中，本文依据目前自动化系统主流的可编程控制器程序编写特点和思路，对相关的计算方法和运算顺序做了调整优化，并对数据的单位根据实际工程需要进行调整，尽量使用整型数据进行运算，减少浮点运算的计算量，并且在程序编写中合理使用跳转、结束等命令，最大程度减少程序的判断和循环操作，提高整个控制系统的运行效率。例如采用以上算法控制的FHD2型水平交叉带分拣机系统，按照5个供包台、250辆小车、70个格口、环线圈速2m/s等参数指标，系统在不配置供包台控制器，系统主控制器采用西门子S7-1500中档型号的情况下，其程序循环周期≤5ms，设备控制经济性较好，并且对于控制系统后续其他功能的程序扩容能力也较为宽裕。

4结语

高性能的设备控制系统离不开计算方法基础的支撑，而一套高效的算法不但可以保证系统可靠稳定运行，还可以提升系统功能冗余，降低系统控制成本。本文介绍的分拣导入物料的投影尺寸及近似体积测量计算方法采用基于物料轮廓最大值检测、尺寸特征点捕捉、长宽比关系判断等要素来对物料长宽投影尺寸进行测量，具有数据采集实时、程序编写简单、运算量少等特点，并且在稍加改进的基础上就能具备对物料近似体积测量的扩展功能，是一套可广泛应用的技术方法，在算法技术和应用效果上与目前相关行业的其他控制技术相比有较为本质的区别和明显的优势，目前该算法技术已经应用于昆船智能技术股份有限公司生产的各型交叉带分拣输送机系统中，通过了多个项目实施的检验，并且在2021年4月获得了国家知识产权局的发明专利授权，为企业带来了良好的经济和社会效益。

[参考文献]

[1]刘征.基于光幕的车辆尺寸自动测量系统及其测量方法.CN102620662A[P].2012-08-01.

[2]謝灿兴.交叉带分拣机上包台的建模与仿真[D].北京：北京邮电大学，2010.

[3]谭刚.交叉带式高速包刷分拣机的研究与仿真[D].重庆：重庆大学，2004.

[4]时良平，戴国斌.邮政及物流设备设计[M].北京：人民邮电出版社，2011.