蘇寒剛

摘 要介紹了計(jì)泡機(jī)的設(shè)計(jì)流程以及獲取包裹重量、體積的方法，提出了采用微積分的方法測(cè)量包裹體積，對(duì)于不規(guī)則的包裹，也能準(zhǔn)確地獲得其體積，為達(dá)到更精準(zhǔn)的測(cè)量效果，提出了一種穩(wěn)定皮帶速度的方法，實(shí)踐證明，這種方法行之有效，并且已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)。

【關(guān)鍵詞】計(jì)泡機(jī) 體積 重量

1引言

隨著物流行業(yè)的快速發(fā)展，快遞公司攬收、處理的包裹數(shù)量越來越多，每個(gè)包裹的條碼、重量、體積等信息與郵資費(fèi)用密切相關(guān)，如果分揀中心能夠在流水化分揀包裹的同時(shí)，又收集到包裹的條碼、重量、體積等信息，對(duì)包裹計(jì)費(fèi)做核對(duì)，那么快遞公司能夠減少損失，又能很好的管理數(shù)據(jù)。計(jì)泡機(jī)就是應(yīng)這樣的需求而產(chǎn)生的，它能獲取包裹的條碼、重量、體積等數(shù)據(jù)，并綁定發(fā)送給后臺(tái)系統(tǒng)，后臺(tái)系統(tǒng)再對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)費(fèi)核對(duì)。

2 計(jì)泡機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)泡的含義

計(jì)泡是指對(duì)速遞郵件，取體積重量和實(shí)際重量中的較大者，作為計(jì)費(fèi)重量，再按照資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算應(yīng)收郵費(fèi)。通常計(jì)泡公式是這樣的：體積重量（kg）=長(zhǎng)（cm）×寬（cm）×高（cm）/計(jì)泡比。計(jì)泡比速遞行業(yè)通常為6000cm3/kg?？爝f攬收包裹時(shí)，要將包裹的實(shí)際重量及體積重量相比較，取其大者來計(jì)費(fèi)，因此準(zhǔn)確的獲取包裹的重量、體積很重要。

2.2 計(jì)泡的流程設(shè)計(jì)

在分揀中心，我們希望在分揀包裹的同時(shí)又能獲取其條碼、重量、體積等數(shù)據(jù)，在后臺(tái)計(jì)算出其郵資費(fèi)用，于是我們?cè)O(shè)計(jì)出計(jì)泡機(jī)基本結(jié)構(gòu)，它包含三段皮帶機(jī)，即上包段、稱重段、導(dǎo)入段，在稱重段和導(dǎo)入段之間用二對(duì)光幕（上下、左右各一對(duì)）來測(cè)體積，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

上包段可以掃描條碼，稱重段采用動(dòng)態(tài)稱自動(dòng)稱重，光幕用來測(cè)體積，導(dǎo)入段將條碼與重量、體積綁定，再傳到主環(huán)分揀，計(jì)泡機(jī)工作流程如圖2所示。

掃描條碼可以用無(wú)線PDA，也可以用掃描槍加電腦方式來實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在以無(wú)線PDA為例來介紹計(jì)泡機(jī)的工作流程：操作員將包裹放入上包段，用無(wú)線PDA掃描條碼，條碼信息通過藍(lán)牙傳給計(jì)泡機(jī)主控板（需配有藍(lán)牙接收器），計(jì)泡機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行，在稱重段得到重量，經(jīng)過光幕后得到體積，進(jìn)入導(dǎo)入段后將條碼、重量、體積綁定，通過藍(lán)牙把綁定結(jié)果發(fā)送給PDA，PDA收到數(shù)據(jù)后傳輸給后臺(tái)，同時(shí)計(jì)泡機(jī)在導(dǎo)入段將包裹導(dǎo)入主環(huán)。計(jì)泡機(jī)可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成多段式，譬如在上包段和導(dǎo)入段都增加段數(shù)做積放，增加系統(tǒng)緩存。

3 體積的測(cè)量方法

3.1 計(jì)算方法

對(duì)于任意包裹，我們可以按照微積分的方法，將整個(gè)體積沿著運(yùn)動(dòng)方向，切成無(wú)數(shù)個(gè)微小標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)方體，將所有微小長(zhǎng)方體求和，就可以得到包裹總的體積，我們用V表示包裹的體積，△Vi表示每個(gè)微小的長(zhǎng)方體，計(jì)算體積公式如下：

我們只要測(cè)出每個(gè)小長(zhǎng)方體長(zhǎng)（L）、寬（W）、高（H），即可計(jì)算出每個(gè)小塊的體積 △Vi=L*W*H。

3.2 光幕介紹

采用光幕來測(cè)量體積，通常光幕成對(duì)使用，即一根發(fā)送信號(hào)、一根接收信號(hào)，當(dāng)物體在該對(duì)光幕中間時(shí)，光幕能測(cè)出有多少個(gè)像素被遮擋了，由于二個(gè)像素之間的距離是固定的，通常是5mm或者10mm等，根據(jù)被遮擋像素的個(gè)數(shù)可以計(jì)算出包裹的長(zhǎng)度。

光幕的工作模式有二種：連續(xù)模式和主從模式，連續(xù)模式是指光幕不斷地把測(cè)量到的數(shù)據(jù)通過串口往外發(fā)送，主從模式則是指主控板通過串口問光幕當(dāng)前的測(cè)量值是多少，光幕收到指令后立即返回測(cè)量結(jié)果。

3.3 體積測(cè)量實(shí)現(xiàn)方法

計(jì)泡機(jī)采用二對(duì)光幕，即上、下一對(duì)（用于測(cè)寬度），左、右一對(duì)（用于測(cè)高度），當(dāng)包裹沿著運(yùn)動(dòng)方向經(jīng)過光幕時(shí)，二對(duì)光幕不斷地測(cè)出每時(shí)刻的寬度和高度值，根據(jù)包裹通過光幕的速度及每次測(cè)量的時(shí)間間隔，可以計(jì)算出包裹每次被切割部分的長(zhǎng)度值，從而計(jì)算出這一小塊的體積，當(dāng)包裹離開光幕時(shí)，將所有微小長(zhǎng)方體體積進(jìn)行疊加就可得到包裹的實(shí)際體積。

為了實(shí)現(xiàn)上面的方法，我們選用ST公司32位ARM7微處理器作為主控芯片，選用邦納的光幕，如果我們采用一個(gè)串口與二對(duì)光幕通信的話，只能采用RS485通信的方式，即485總線上掛二對(duì)光幕，MCU采用輪詢的方式定時(shí)與其中一對(duì)光幕通信（不能同時(shí)讀取二對(duì)光幕的數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@樣會(huì)造成485總線數(shù)據(jù)沖突），即上次獲得上下光幕測(cè)到的寬度值，下次定時(shí)獲得左右光幕測(cè)到的高度值。此時(shí)光幕需設(shè)置成主從模式，而且還應(yīng)設(shè)置成不同的地址，MCU才能區(qū)分不同的光幕。包裹獲取體積測(cè)量流程圖如圖3所示。

體積測(cè)量首先要判斷是否有包裹到了光幕，即判斷寬、高是否有數(shù)據(jù)值，而不是零，然后定時(shí)讀取寬、高值，當(dāng)寬、高都為零時(shí)，說明包裹離開了光幕，此時(shí)可以將所有微小體積累加，即可得到包裹的實(shí)際體積。

3.4 體積測(cè)量?jī)?yōu)化

由于采用485總線，MCU定時(shí)讀取光幕數(shù)據(jù)，每次定時(shí)只能讀取一對(duì)光幕的數(shù)據(jù)，不能同時(shí)讀取二對(duì)光幕的數(shù)據(jù)，這相當(dāng)于二次定時(shí)周期獲得了一次寬和高的值，測(cè)得的精度偏低。為了提高體積測(cè)量的精度，我們?cè)黾右粋€(gè)串口，使得每對(duì)光幕單獨(dú)用一個(gè)RS422串口進(jìn)行通信，這樣一個(gè)定時(shí)周期就能同時(shí)獲得寬、高值，此時(shí)光幕工作模式即可以設(shè)置成主從模式，也可以設(shè)置成連續(xù)模式，這種方法能將每個(gè)微小體積劃分得更細(xì)，測(cè)量精度更高。

3.5 寬、高數(shù)據(jù)緩沖表

建立包裹寬度及高度緩沖區(qū)：PackageSizeTemp.WideBuf[MAXLENGTH]和PackageSizeTemp.HeighBuf[MAXLENGTH]，當(dāng)包裹離開光幕后根據(jù)這些數(shù)據(jù)就可以計(jì)算出包裹的體積。我們定時(shí)讀取一次高度和寬度值，第i次測(cè)量的時(shí)候，得到第i次的體積為

PackageSizeTemp.volume[i-1]=（PackageSizeTemp.WideBuf[i-1]* PackageSizeTemp.HeighBuf[i-1]）*FixSpeed*FixTime；

FixSpeed是皮帶速度，根據(jù)需要可以設(shè)成1m/s，也可以設(shè)成1.2m/s等，F(xiàn)ixTime是采樣的時(shí)間間隔， FixSpeed*FixTime就是每個(gè)微小體積塊的長(zhǎng)度，通過上式就可以得到每個(gè)被切成塊的體積，時(shí)間間隔取得越小，得到的體積越接近真實(shí)體積，誤差越小。

3.6 皮帶速度控制

我們可以采用手動(dòng)方式設(shè)置皮帶的速度，利用變頻器和測(cè)速儀，手動(dòng)設(shè)置變頻器頻率值，使得測(cè)速儀測(cè)到的速度達(dá)到我們需要的速度，以后每次開機(jī)運(yùn)行，變頻器都運(yùn)行到該頻率值，這種方法雖然簡(jiǎn)單，但不能保證變頻器每次在這個(gè)頻率，速度都一定是我們需要的，如果皮帶速度偏差大了，我們計(jì)算出的體積值也會(huì)不準(zhǔn)。

如果我們能檢測(cè)皮帶速度，當(dāng)發(fā)現(xiàn)速度有誤差，通過增大或者減小變頻器頻率值來穩(wěn)定皮帶速度，這樣就能保證測(cè)量體積的精確性，皮帶測(cè)速和調(diào)速可以采用下面的方法來實(shí)現(xiàn)：

（1）測(cè)速方法：在電機(jī)的皮帶軸上在裝個(gè)小軸，小軸大部分是金屬的，一小部分是連續(xù)的非金屬的，我們用接近開關(guān)靠近該軸，當(dāng)接近開關(guān)檢測(cè)到金屬時(shí)，輸出低電平，當(dāng)檢測(cè)到非金屬物，輸出高電平，通過接近開關(guān)檢測(cè)皮帶軸，當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)二個(gè)下降沿時(shí)，表明測(cè)到小軸轉(zhuǎn)了一圈，二個(gè)下降沿的時(shí)間為軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈用的時(shí)間，而軸的周長(zhǎng)是固定的，于是我們就可以計(jì)算出軸的轉(zhuǎn)速，從而得到皮帶的速度。

（2）調(diào)速方法：將實(shí)際測(cè)到的速度與我們需要的目標(biāo)速度進(jìn)行比較，計(jì)算出速度差，將速度差再換算成頻率差，通過改變變頻器的頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

圖4為主控板與變頻器的連接圖，主控板的一個(gè)串口，采用一條RS485總線將多個(gè)變頻器連在一起，電機(jī)是受變頻器輸出頻率控制的。通過一條485總線，可以對(duì)多段皮帶進(jìn)行調(diào)速，我們可以采用定時(shí)的方法，每次定時(shí)時(shí)間到了就對(duì)一段皮帶調(diào)速，所有段皮帶輪流調(diào)速，需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）在同一485總線上的變頻器需設(shè)置成不同的地址，主控板可以進(jìn)行區(qū)分；

（2）采用定時(shí)調(diào)速，每個(gè)定時(shí)周期調(diào)一個(gè)變頻器，該定時(shí)周期時(shí)間必須大于 MCU發(fā)指令到變頻器返回完指令用的時(shí)間。

由于變頻器的頻率值與皮帶速度對(duì)應(yīng)關(guān)系相對(duì)是比較穩(wěn)定的，每段皮帶調(diào)速對(duì)頻率要求不高，300至400ms調(diào)一次也是完全可以的。

4 重量的獲得

動(dòng)態(tài)稱主要是由皮帶機(jī)+重量傳感器+表頭構(gòu)成，動(dòng)態(tài)稱與靜態(tài)稱的區(qū)別在于靜態(tài)稱是停止不動(dòng)再稱重量，而動(dòng)態(tài)稱是運(yùn)動(dòng)時(shí)稱重量，因此動(dòng)態(tài)稱效率高、穩(wěn)定性好，非常適用于流水線生產(chǎn)作業(yè)，對(duì)于計(jì)泡機(jī)，選擇動(dòng)態(tài)稱是非常適宜的。動(dòng)態(tài)稱通常在兩頭裝有檢測(cè)光電管，用來作為稱重的觸發(fā)信號(hào)，當(dāng)頭端光電管檢測(cè)到包裹時(shí)，動(dòng)態(tài)稱開始稱重，當(dāng)離開尾端光電管時(shí)，得到重量并發(fā)送給計(jì)泡機(jī)主控板，主控板從而得到重量。主控板與動(dòng)態(tài)稱表頭采用一個(gè)485串口進(jìn)行通信，直接接收動(dòng)態(tài)稱發(fā)過來的重量數(shù)據(jù)即可。

在計(jì)泡機(jī)，當(dāng)包裹離開光幕到達(dá)導(dǎo)入段時(shí)，主控板就獲得了重量及體積數(shù)據(jù)，然后再與在上包段掃描的條碼綁定，將結(jié)果傳給PDA，PDA再傳給后臺(tái)，后臺(tái)再進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)，整個(gè)計(jì)泡的過程就實(shí)現(xiàn)了。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了計(jì)泡機(jī)的設(shè)計(jì)方法以及操作流程，并介紹了通過動(dòng)態(tài)稱獲取重量，通過光幕，采用將包裹沿運(yùn)動(dòng)方向切成無(wú)數(shù)小片，計(jì)算每個(gè)小片體積，再累加得到總體積的方法，為了提高測(cè)量精度，提出了采用測(cè)速、調(diào)速的方法穩(wěn)定皮帶速度，實(shí)踐證明，計(jì)泡機(jī)設(shè)計(jì)合理，在生產(chǎn)中能夠發(fā)揮很大的作用。

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作者單位

上海郵政科學(xué)研究院 上海市 200062