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文檔簡介
1、分揀系統(tǒng)及分揀機的設(shè)計和應(yīng)用綜述分揀系統(tǒng)及分揀機的設(shè)計和應(yīng)用綜述摘 要:隨著2016-2020年全國電子商務(wù)物流規(guī)劃的頒布,到2020年基本形成布局完善、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、功能強大、運作高效和服務(wù)優(yōu)質(zhì)的電商物流體系,信息化、標(biāo)準(zhǔn)化、集約化發(fā)展取得重大進(jìn)展,先進(jìn)物流裝備、技術(shù)在行業(yè)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。其中,提升物流設(shè)施設(shè)備智能化水平是重要任務(wù),隨著近年來人工成本的快速上升,對智能分揀系統(tǒng)等信息化產(chǎn)品需求增加,本論文對分揀系統(tǒng)和分揀機的研究進(jìn)行簡單的總結(jié)和歸類,以便未來更好的研究分揀技術(shù)。 1 分揀系統(tǒng)的設(shè)計隨著人們對網(wǎng)絡(luò)購物越來越青睞,電子商務(wù)已經(jīng)進(jìn)入了一個高速發(fā)展的時期,為了配合市場發(fā)展的趁勢,國內(nèi)很多企
2、業(yè)都在積極建設(shè)自有的電商物流系統(tǒng),比如知名的電商企業(yè)阿里巴巴和京東。對于物流系統(tǒng)而言,最具核心價值的環(huán)節(jié)就是它的配送中心。配送中心承擔(dān)著銜接上游供應(yīng)商與下游客戶,實現(xiàn)高效地物品流通服務(wù)的重要責(zé)任,配送中心布局如果直接應(yīng)用于電商的配送中心,可能會不太適用。配送中心的倉儲和分揀都要占據(jù)大量的空間,包括商品存儲的貨架,分揀緩存區(qū)和補貨區(qū)等,所以,合理設(shè)計和布局分揀系統(tǒng)是至關(guān)重要。訂單量巨大時,為保證客戶滿意度,還要盡快完成訂單的分揀配送,所以對配送中心的效率要求也會很高。Gray等1綜合了成本與揀選效率方面的需求,提出一種多級分層模型,求解揀選系統(tǒng)中涉及到的揀貨區(qū)數(shù)量、品項分配及訂單分批等配置優(yōu)化問
3、題。Le Du等2建立了一種混合整數(shù)規(guī)劃模型,對分區(qū)揀選策略下的人工揀選系統(tǒng)涉及到的品項分配及揀選順序問題進(jìn)行求解。該模型以訂單處理總時間最短為優(yōu)化目標(biāo)。與此同時,文章還分析了揀貨區(qū)數(shù)量對訂單處理總時間的影響,若減少揀貨區(qū)的數(shù)量,會增加系統(tǒng)中的揀貨人員行走距離,但同時也能夠減少子訂單的合流時間,考慮到這種互相影響互相制約的情形,指出了尋求揀貨區(qū)數(shù)量平衡點的方式。Guenov等3在分區(qū)揀選的策略下,研究了AS/RS系統(tǒng)的揀貨區(qū)形狀。以AS/RS系統(tǒng)可以劃分為三個揀貨區(qū)為前提,按照揀選量將所有品項分為A,B,C三類。文章分別給出了三種揀貨區(qū)的外形配置,并設(shè)計了分段啟發(fā)式算法求解每種外形配置下的訂單
4、處理總時間。最后通過仿真分析了每種配置下揀貨區(qū)的特點。Bartholdi等4-7在分區(qū)揀選策略下,針對人工揀選系統(tǒng)提出了救火隊模型,克服揀貨區(qū)固定劃分后存在的問題。該模型中各揀貨人員可以根據(jù)與相鄰揀貨員的相遇情況動態(tài)確定揀貨區(qū)的邊界。救火隊模型具有極強的自組織性,各揀貨人員能依據(jù)自身的工作效率,動態(tài)確定工作范圍,使工作時間快速達(dá)到平衡,有效消除整個作業(yè)過程中可能出現(xiàn)的效率瓶頸。李詩珍等8提出一種訂單分批的揀選模型,該模型以最小化行走距離為目標(biāo),與此同時,文章基于啟發(fā)式的聚類算法建立了訂單分批問題的聚類模型,并設(shè)計了基于包絡(luò)解碼的混合遺傳算法對模型進(jìn)行求解。Parikh等9研究了如何選擇揀選策略
5、,其中主要針對訂單分批揀選策略與分區(qū)揀選策略進(jìn)行了討論。選擇的過程綜合地考慮了揀選頻率、揀選人員可能出現(xiàn)的交叉、揀選人員工作量均衡及訂單分流需求等因素,基于此建立了以最小化揀選成本為目標(biāo)的選擇模型,同時基于模型分析了揀選效率、訂單數(shù)量、訂單結(jié)構(gòu)等因素會對揀選策略的選擇帶來何種影響。王艷艷等10研究了人工揀選系統(tǒng)的訂單分批揀選策略方面的問題,建立了以最小化揀選成本為目標(biāo)的模型,該模型的建立綜合考慮了包括揀選路徑、訂單相似性、訂單提前期在內(nèi)的三個主要影響因素。通過改進(jìn)的小生境遺傳算法對模型求解。王艷艷等11分析了揀選過程中出現(xiàn)的問題,概括起來,就是配送線路對分揀作業(yè)的影響。當(dāng)不同配送線路中的貨物品
6、牌結(jié)構(gòu)不一致時,容易引起頻繁調(diào)換分揀通道的問題。而僅僅考慮品項在配送線路中的相關(guān)性,又可能造成不同分揀線間的分揀作業(yè)任務(wù)量不均衡?;谏鲜鰡栴},提出了一種同時考慮品項相似度與分揀線任務(wù)均衡原則的分揀調(diào)度方法。沈長鵬等12針對人到貨的訂單揀選系統(tǒng)進(jìn)行了研究,文章以訂單聚類和遺傳算法以基礎(chǔ),探討了揀選系統(tǒng)中串行分區(qū)與并行分區(qū)的策略選擇問題。2 分揀機的設(shè)計分揀設(shè)備是集光、機、電、信息技術(shù)于一體的系統(tǒng)設(shè)備,系統(tǒng)內(nèi)部主要涉及上包、識別、同步、信息處理、高速低噪輸送及分揀入格口等關(guān)鍵技術(shù),其中每一項技術(shù)成熟與否將直接影響系統(tǒng)效率、差錯率和可靠性等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo),可以說分揀設(shè)備是高新技術(shù)集成的產(chǎn)物。同國外一
7、樣,自動分揀輸送技術(shù)和裝備在我國早期也是主要應(yīng)用于在郵政行業(yè),生產(chǎn)和流通領(lǐng)域運用的并不是太多。隨著我國物流業(yè)整體的發(fā)展,輸送分揀系統(tǒng)的應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛,而近幾年自動分揀輸送技術(shù)與應(yīng)用逐漸成為物流系統(tǒng)規(guī)劃和方案設(shè)計的重要設(shè)備。郵電部郵政科學(xué)技術(shù)研究所13早在1978年便分析了國外包裹分揀機技術(shù)。從英國1939年投產(chǎn)試用的第一臺包裹分揀機算起,到六十年代,英、美、法、西德、日本、澳大利亞、蘇聯(lián)及西歐其他國家,陸續(xù)投產(chǎn)了平帶式、斜帶式、托盤式、托板式、旋轉(zhuǎn)式和鏈斗式等多種形式的包裹分揀機。隨著包裹分揀機的發(fā)展,與其配套使用的傳送機、儲存設(shè)備、郵件裝卸搬運設(shè)備等也相應(yīng)地發(fā)展和完善起來。包裹處理已經(jīng)
8、能夠形成從郵件進(jìn)口、傳送、分揀、儲存到郵件出口的半自動化流水作業(yè)線。有些國家以此為基礎(chǔ),建設(shè)了現(xiàn)代化的包裹處理中心局,逐步地把以手工操作為主的分散的作業(yè),改造成以機器為主的集中的作業(yè)。李捷14針對包件分揀機上包系統(tǒng)詳細(xì)地闡述了分析方法、測試結(jié)果以及建議,這些方法、結(jié)果和建議也為將來包件分揀機的進(jìn)一步改進(jìn)提供了良好的分析方法和理論。楊勤等15物流分揀機進(jìn)行形態(tài)色彩的優(yōu)化設(shè)計,包括產(chǎn)品的布局、產(chǎn)品節(jié)點形態(tài)及色彩設(shè)計,以求達(dá)到人一機一環(huán)境整體和諧,使其更具專業(yè)化和人性化。張貽弓16提出分區(qū)揀選策略下的分揀機系統(tǒng)綜合優(yōu)化問題。該問題以訂單處理總時間最小為優(yōu)化目標(biāo),研究內(nèi)容包括該策略下影響訂單處理總時間
9、的各主要因素:揀貨區(qū)數(shù)量、貨物合流模式、品項分配、品項拆分。綜合求解方法結(jié)合了枚舉法與多種啟發(fā)式算法,首先初步拆分品項并確定揀貨區(qū)數(shù)量范圍,然后進(jìn)行品項分配優(yōu)化與子品項揀選量再分配優(yōu)化,最后通過判斷算法結(jié)束條件迭代優(yōu)化,得到了兩種合流模式和揀貨區(qū)數(shù)量范圍內(nèi)的有限組解,通過比較各解對應(yīng)的訂單處理總時間確定最佳求解結(jié)果,既降低了綜合優(yōu)化問題的求解難度,又在較大空間中搜索了可行解。實例分析證明了該方法的有效性和優(yōu)越性。楊丹丹17采用嵌入式ARM處理器設(shè)計一個具有體積小、成本低、效率高及節(jié)約人力資源成本等優(yōu)點的自動分揀機控制系統(tǒng),實現(xiàn)準(zhǔn)確又快的自動分揀包裹功能。此分揀系統(tǒng)提高了工作效率,縮短了從下訂單
10、到收到包裹之間的等待時間,節(jié)省了部分的人力資源,并可實時監(jiān)控分揀區(qū)的情況,物流跟蹤可查詢包裹的去向信息,便于信息管理。吳穎穎18在分析串行合流模式下的分區(qū)自動揀選系統(tǒng)工作流程的基礎(chǔ)上,對系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型,并綜合運用禁忌搜索算法、動態(tài)聚類法、迭代優(yōu)化法、線性規(guī)劃法、遺傳算法等工具分別對分區(qū)自動揀選系統(tǒng)的品項分配優(yōu)化子問題、分區(qū)合流順序優(yōu)化子問題以及訂單揀選順序優(yōu)化子問題進(jìn)行研究。王艷艷19以并行自動分揀系統(tǒng)為研究對象,深入分析了配送中心分揀及自動補貨系統(tǒng)的作業(yè)流程,運用迭代優(yōu)化、聚類分析等工具,研究了自動分揀系統(tǒng)優(yōu)化領(lǐng)域的三個重要子問題:品項揀選量拆分優(yōu)化、分揀作業(yè)調(diào)度優(yōu)化及補貨緩存優(yōu)化。研究對
11、合理規(guī)劃配送中心補貨系統(tǒng),提高分揀作業(yè)效率和服務(wù)水平,降低分揀作業(yè)運行成本具有重要的意義。李慶磊20打破了目前物流中心分揀系統(tǒng)規(guī)劃過程中無規(guī)則可循的情況,提出了以分揀單元變化為依據(jù)劃分各種分揀模式的方法,對各種分揀模式的優(yōu)缺點、適用情況、成本投資等進(jìn)行了深入研究,并在此基礎(chǔ)上提出了基于EIQ模型和AHP層次分析法的分揀策略規(guī)劃體系,最后將研究成果應(yīng)用在煙草行業(yè)物流中心,做到了在物流中心分揀系統(tǒng)規(guī)劃中有依據(jù)可循。彭莉21研究運用人機工程學(xué)理論和設(shè)計原則,對貴陽普天萬向物流技術(shù)股份有限公司“帶式高速郵包分揀機”的人機界面進(jìn)行研究和理論分析,提出優(yōu)化參數(shù)和方案,并應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論,建立人機界面分層次
12、模糊綜合評判系統(tǒng)模型,用于分揀機人機界面優(yōu)度的評價。分揀機的人機界面主要由顯示/控制界面,座椅構(gòu)成,提高人的操作舒適性和安全性的關(guān)鍵是對該兩個界面進(jìn)行優(yōu)化。另外,還對分揀機整機的色彩進(jìn)行了研究、設(shè)計。3 分揀機的應(yīng)用通過國內(nèi)外專家學(xué)者對于分揀系統(tǒng)和分揀機的研究和設(shè)計,分揀機在煙草行業(yè)的應(yīng)用和研究起步較早且廣泛。秦峰華22研究的是一種新型卷煙分揀機與系統(tǒng)實現(xiàn),這類自動分揀系統(tǒng)都是由多個分揀單機組成的,其在分揀過程中,各分揀單機根據(jù)上位機預(yù)定的分揀次序和分揀要求共同完成分揀任務(wù)。其中分揀機性能的可靠性和穩(wěn)定性是分揀線是否能夠正常工作的重要影響因素。針對這種情況,通過對新型分揀機的性能測試、分析和優(yōu)
13、化,得出了可靠的結(jié)論,并實現(xiàn)了整個分揀系統(tǒng)。李凱23研究某市煙草配送中心的自動卷煙分揀系統(tǒng),這類自動分揀系統(tǒng)都是由多個分揀單機組成的,其在分揀過程中,各分揀單機分揀工作時刻的不同,會致使分揀的卷煙在皮帶上分布不均勻,影響后續(xù)的作業(yè),從而給整個分揀系統(tǒng)的工作性能帶來很大的影響。針對這種情況,提出了通過調(diào)度卷煙分揀時間來使卷煙在皮帶上均勻分布的控制策略優(yōu)化模型,同時對控制優(yōu)化模型進(jìn)行仿真,并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較。王磊等24分析目前我國條煙分揀機的現(xiàn)狀,并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了條煙高效自動分揀系統(tǒng),簡單介紹了條煙分揀系統(tǒng),并對異步分揀法進(jìn)行了闡述,設(shè)計了基于Profibus現(xiàn)場總線的監(jiān)控系統(tǒng),對硬件組成
14、進(jìn)行分析。研究了條煙分揀系統(tǒng)的控制策略,提出用“預(yù)側(cè)控制”下載訂單,分析了上位機的軟件系統(tǒng),對條煙自動分揀機試驗結(jié)果表明,該監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠,效率高,具有一定的實用性和推廣價值。李娜娜25基于以上背景,以某正在建設(shè)的卷煙物流中心自動分揀系統(tǒng)為研究對象,針對國家煙草專賣局提出的煙草商業(yè)銷售網(wǎng)絡(luò)物流“五化”管理中的“卷煙分揀電子化”這一要求進(jìn)行深入研究。運用訂單資料對分揀系統(tǒng)進(jìn)行定性和定量分析,規(guī)劃和設(shè)計卷煙自動分揀系統(tǒng),然后對該系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真分析,并設(shè)計和研究基于PLC的卷煙自動分揀系統(tǒng)。鞠鎂隆等26通過卷煙自動分揀機的設(shè)計,分析了功能原理方法在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中的應(yīng)用,具體分析了卷煙自動分揀
15、機的功能分析過程,建立了原理解的形態(tài)學(xué)矩陣,針對卷煙自動分揀機的運動特性和功能要求獲得原理解的組合,對卷煙自動分揀機的創(chuàng)新設(shè)計方案進(jìn)行評價決策,達(dá)到較理想原理方案的創(chuàng)新設(shè)計的目的。王衛(wèi)星27從人機適配方面,利用人機工程學(xué)的相關(guān)內(nèi)容,對分揀機進(jìn)行分析,從而建立起協(xié)調(diào)的人機系統(tǒng)。在機構(gòu)結(jié)點上,考慮人體本身的相關(guān)因素,比如身高、上肢活動范圍、視覺范圍等;再根據(jù)產(chǎn)品各部分的形狀、大小、位置、色彩的特點,來確定其布局和尺寸的合理安排,使之達(dá)到最優(yōu)的人機關(guān)系。通過人體測量數(shù)據(jù)計算出了結(jié)點合理作業(yè)的高度。從色彩方面,通過對色彩及相關(guān)因素的研究,對分揀設(shè)備中選取的結(jié)點及整體進(jìn)行色彩設(shè)計。在這里主要是通過色彩對
16、人的心理影響、時代對色彩的要求、色彩與造型的關(guān)系的研究著手。達(dá)到柔和淡雅、親切明快、刺激性低、大方協(xié)調(diào)的效果,從而可以降低使用者疲勞度,更符合時代的潮流,更受操作者的歡迎。通過二維人體模板、檢查表評價法和灰色關(guān)聯(lián)評價法對電子標(biāo)簽分揀結(jié)點適配設(shè)計進(jìn)行評價,做到了定性與定量評價的有效結(jié)合。謝偉東等28針對自動分揀系統(tǒng)的條煙分揀機設(shè)計了滑道式分揀作業(yè)裝置,運用斜面和重力原理實現(xiàn)條煙的連續(xù)供給,其設(shè)計的雙動力出煙機構(gòu)具有可任意切換單條出煙和單排出煙的功能,提出了條煙自動分揀系統(tǒng)的異步分揀方法及其基本控制算法,并用實驗表明了基于異步方法的條煙自動分揀系統(tǒng)的實際效率大于10000條/小時。沈敏德29等設(shè)計
17、了一種基于并行作業(yè)機制和預(yù)分揀緩存原理的自動分揀機,研究的復(fù)合并行自動分揀機,該設(shè)備消除了傳統(tǒng)自動分揀系統(tǒng)中各個工序之間的冗余等待時間,并可使貨物分揀完畢后在輸送系統(tǒng)上緊密排列,縮短了分揀作業(yè)時間,提高了分揀作業(yè)效率。同時,很多研究學(xué)者在很多其他貨物方面的分揀也進(jìn)行了一定的研究。修學(xué)強等30設(shè)計一種全新食品自動傳送分揀機,能夠準(zhǔn)確、衛(wèi)生、安全的進(jìn)行食品分揀,可以進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。同時利用西門子PLC對設(shè)備識別控制系統(tǒng)、機械分揀機構(gòu)、設(shè)備運行機構(gòu)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)化設(shè)計,具有良好的推廣與應(yīng)用價值。馬琳31主要針對大中型醫(yī)院藥房和藥品配送中心拆零庫等拆零藥品研究藥品自動分揀系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計的方法
18、,主要包括分揀流程的設(shè)計、選擇、分揀設(shè)施設(shè)備的配置及布局等內(nèi)容。張緒鵬32以藥品自動分揀系統(tǒng)為研究對象,在研究其功能和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,將模塊化設(shè)計思想運用到藥品自動分揀系統(tǒng)中。首先研究了模塊化設(shè)計的基本理論和原理,在功能分析和功能分解的基礎(chǔ)上,對藥品自動分揀系統(tǒng)進(jìn)行了合理的功能模塊的劃分,并對各模塊進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計,設(shè)計出了多種方案,然后選擇合適的模塊進(jìn)行組合,得到幾種完整的藥品自動分揀系統(tǒng)的方案。最后,運用Visual Basic 6.0對Solidworks進(jìn)行了二次開發(fā),開發(fā)出了藥品自動分揀系統(tǒng)的模塊化設(shè)計系統(tǒng),可以快速地完成各個零件的變型設(shè)計,并對總裝配體進(jìn)行更新,從而實現(xiàn)了快速設(shè)
19、計。周一博33探討了藥品分揀機的PLC控制系統(tǒng)的改進(jìn),其中介紹了PLC控制系統(tǒng)研究目方法、改進(jìn)過程。趙彥碩34從實際出發(fā),對藥板自動排序分揀機系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行闡述。本文分別從機械機構(gòu),機器視覺系統(tǒng)以及運動控制等方面對該套設(shè)備的設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的說明。針對鋁塑泡罩包裝檢測的實際應(yīng)用,設(shè)計并且搭建了一套完整的排序、檢測以及剔除等技術(shù)結(jié)合在一起的檢測設(shè)備,并且在實驗中得到了較穩(wěn)定的運行結(jié)果。對該藥板自動排序分揀機的運動機構(gòu)進(jìn)行了仔細(xì)的設(shè)計與研究,并且對各運動相關(guān)部件的選擇進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,對藥粒自動檢測和分揀設(shè)備的各個功能區(qū)域做出了詳細(xì)的闡述與研究。對系統(tǒng)的運動控制部分做出了總體的分析,對控制卡和CPLD
20、的主要功能進(jìn)行了研究。對所采用的機器視覺方法做出了總體的介紹,針對藥板圖像的采集與處理方面做出了一定的研究。龐明35為提高食品生產(chǎn)效率和保證食品衛(wèi)生,提出一種基于智能機械手的食品分揀系統(tǒng),該系統(tǒng)由6自由度機械臂、智能手爪、機器視覺以及人機接口等組成。建立了系統(tǒng)機械臂的運動學(xué)模型并給出其運動軌跡規(guī)劃方法,采用遺傳算法對關(guān)節(jié)運動軌跡進(jìn)行了速度優(yōu)化計算。實驗結(jié)果表明所提食品分揀系統(tǒng)及其運動規(guī)劃方法的有效憐和可行性。綜上所述,國內(nèi)很多專家學(xué)者開始研究分揀系統(tǒng)及分揀機的設(shè)計、應(yīng)用和維護,通過各種建立模型和構(gòu)建算法來驗證分揀系統(tǒng)的可行性和可靠性,但是仍然存在效率和速度、空間和布局、人員和機器等的諸多矛盾,
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