CN108657725B - 一种凸轮顶升式移载机及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种凸轮顶升式移载机，包括：下架体；多个辊轴，其并列设置在所述下架体上，所述辊轴两端可旋转设置在所述下架体顶部；多个凸轮，其均匀固定设置在所述辊轴上且能够跟随所述辊轴旋转；多个同步轮，其分别固定设置在所述辊轴上；多个第一皮带，其分别连接相邻所述辊轴上的所述同步轮，使相邻的所述同步轮能够共同旋转；从动轮，其固定设置在任一所述辊轴一端；动力机构，其输出端与所述从动轮连接，用于驱动所述从动轮旋转，进而带动与所述从动轮连接的所述辊轴旋转。本发明还公开一种凸轮顶升式移载机的控制方法，能够精准确定货物到达凸轮上方，使得物品能够平稳顶起，进入分流线。
Description
技术领域
本发明涉及物流输送技术领域，更具体的是，本发明涉及一种凸轮顶升式移载机及其控制方法。
背景技术
在多种生产加工场合，尤其如物流中心，需要使用移载机以对物品进行简单的区分，目前多使用与主输送线传输方向垂直的移载机配合顶升机的组合方式，移载机位于主输送线的下方，当需要区分物品时，移载机内部顶升机构将移载机构顶升至其输送工作面高于主输送线的输送工作面，随后移载机构工作，从而实现物品的区分或转输送。
现有的技术方案，多通过曲柄连杆机构实现顶升效果，如中国专利CN201420259651.8公开的一种新型顶升平移输送机，包括设在下部架体上的顶升机构以及设在上部架体上的输送机构，所述顶升机构由气缸、铰链、铰座及拉杆构成，所述输送机构包括第一输送机、第二输送机、皮带机以及滚筒，所述气缸两端伸缩杆均连接有拉杆，拉杆连接有铰座，所述铰座上均设有铰链，铰链上设有上部架体，所述上部架体相对设有两列滚筒，上部架体一端外侧设有第一输送机，另一端外侧设有第二输送机，第一输送机、第二输送机带动滚筒滚动。上述结构实现了同步顶升、提高了上部移载机的稳定顶升，然而曲柄连杆机构的顶升方式存在着顶升动力能耗大、水平方向上易发生较大的偏移。
发明内容
本发明的一个目的是设计开发一种凸轮顶升式移载机，顶升和移载两个动作都是通过电机带动凸轮转动来实现，结构简单，操作方便。
本发明的另一个目的是设计开发一种凸轮顶升式移载机的控制方法，能够精准确定货物到达凸轮上方，使得物品能够平稳顶起，进入分流线。
本发明还能够通过物品的重量，体积、主输送线的输送速度以及垂直输送线的输送速度控制凸轮的旋转速度，使得货物能够平稳、安全分流至垂直输送线上。
本发明提供的技术方案为：
一种凸轮顶升式移载机，包括：
下架体；以及
多个辊轴，其并列设置在所述下架体上，所述辊轴两端可旋转设置在所述下架体顶部；
多个凸轮，其均匀固定设置在所述辊轴上且能够跟随所述辊轴旋转；
多个同步轮，其分别固定设置在所述辊轴上；
多个第一皮带，其分别连接相邻所述辊轴上的所述同步轮，使相邻的所述同步轮能够共同旋转；
从动轮，其固定设置在任一所述辊轴一端；
动力机构，其输出端与所述从动轮连接，用于驱动所述从动轮旋转，进而带动与所述从动轮连接的所述辊轴旋转。
优选的是，还包括：
主动轮，其与所述动力机构的输出轴固定连接；
第二皮带，其连接所述主动轮和所述从动轮。
优选的是，还包括：
第一上架体，其设置在所述下架体顶部；
多个第一辊筒，其并列设置在所述第一上架体上，所述第一辊筒两端可旋转设置在所述第一上架体上；
其中，所述第一辊筒与所述辊轴垂直；所述凸轮设置在所述第一辊筒的间隙内；当所述凸轮静止时，所述凸轮位于所述第一辊筒上表面下方，当所述凸轮旋转时，所述凸轮能够间歇性从所述第一辊筒的间隙内向上伸出位于所述第一辊筒上表面上方。
优选的是，还包括：
第二上架体，其与所述第一上架体连接且与所述第一上架体垂直；
多个第二辊筒，其并列设置在所述第二上架体上，所述第二辊筒两端可旋转设置在所述第二上架体上；
其中，所述第二辊筒与所述第一辊轴垂直。
优选的是，还包括：
重力传感器，其设置在初始输送位置的所述第一辊筒上，用于检测物品重量；
红外传感器，其设置在所述第一上架体上，用于检测物品的长度、宽度和高度；
转速传感器，其分别设置在所述第一辊筒和第二辊筒上，用于检测所述第一辊筒和第二辊筒的转速；
激光测距传感器，其设置在所述第一上架体的轴向两端，用于检测所述第一上架体轴向两端分别与物品相对侧面的距离；
控制器，其与所述重力传感器、红外传感器、转速传感器、激光测距传感器和动力机构连接，用于接收所述重力传感器、红外传感器、转速传感器和激光测距传感器的检测数据并控制所述动力机构工作。
优选的是，所述动力机构为驱动电机。
相应地，本发明还提供一种凸轮顶升式移载机的控制方法，包括：
在物品输送并进行垂直分流时，基于BP神经网络确定物品的位置状态，具体包括如下步骤：
步骤一、按照采样周期，通过传感器采集物品的长度和宽度、第一辊筒的转速、第一上架体轴向两端分别与物品相对侧面的距离以及物品的重量；
步骤二、确定三层BP神经网络的输入层神经元向量x＝{x1,x2,x3,x4,x5,x6}；其中，x1为物品的长度，x2为物品的宽度，x3为第一辊筒的转速，x4为第一上架体轴向一端与物品相对侧面的距离，x5为第一上架体轴向另一端与物品相对侧面的距离，x6为物品的重量；
步骤三、所述输入层向量映射到隐层，隐层的神经元为m个；
步骤四、得到输出层神经元向量o＝{o1}；其中，o1为物品的位置状态，所述输出层神经元值为当o1为1时，此时物品的位置可以进行垂直分流，当o1为0时，此时物品的位置不可以进行垂直分流。
优选的是，所述隐层节点个数m满足：其中n为输入层节点个数，p为输出层节点个数。
优选的是，当o1＝1时，控制器控制所述凸轮旋转的角速度为：
其中，ω为凸轮旋转的角速度，α为凸轮的压力角，M为物品的重量，Mo为设定的基础重量，l为凸轮的平底长度，r为凸轮的基圆半径，a为物品的长度，b为物品的宽度，c为物品的高度，e为自然对数的底数，n1为第一辊筒的转速，n2为第二辊筒的转速。
优选的是，物品完成垂直分流后，所述凸轮继续转动，当所述凸轮位于所述第一辊筒上表面下方时，所述凸轮停止转动。
本发明所述的有益效果为：
(1)本发明所述的凸轮顶升式移载机的顶升和移载两个动作都是通过电机带动凸轮转动来实现的；整个设备只需要一个电机作为动力源，这样就大大简化了整机的结构，同时也就简化了驱动控制卡的程序设计。
(2)对于企业，结构的简化降低了生产加工难度，同时提高了装配速度和装配质量；对于客户，凸轮顶升式顶升移载机整机零部件数量少，所使用外购件和标准件归一。大大降低了维护和维修的成本。
(3)本发明所述的凸轮顶升式移载机的控制方法，能够精准确定货物到达凸轮上方，使得物品能够平稳顶起，进入分流线；本发明还能够通过物品的重量，体积、主输送线的输送速度以及垂直输送线的输送速度控制凸轮的旋转速度，使得货物能够平稳、安全分流至垂直输送线上。
附图说明
图1为本发明所述凸轮顶升式移载机的结构示意图。
图2为本发明所述凸轮顶升式移载机的俯视结构示意图。
图3为本发明所述凸轮顶升式移载机的剖视结构示意图。
图4为本发明所述凸轮顶升式移载机与主输送线和垂直输送线的结构示意图。
图5为本发明所述凸轮顶升式移载机与主输送线的剖视结构示意图。
图6为本发明所述凸轮的参数分析示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明可以有许多不同的形式实施，而不应该理解为限于再此阐述的实施例，相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的。在附图中，为了清晰起见，会夸大结构和区域的尺寸和相对尺寸。
如图1-5所示，本发明提供一种凸轮顶升式移载机，包括：下架体100；以及多个辊轴110，其并列设置在所述下架体100上，所述辊轴110两端通过轴承座可旋转设置在所述下架体100顶部；多个凸轮120，其均匀固定设置在所述辊轴110上且能够跟随所述辊轴110旋转；第一同步轮130，其分别固定设置在位于外侧的所述辊轴110上(即两边最外侧的辊轴上)；第二同步轮140，其分别固定设置在位于内侧的所述辊轴(即位于两边最外侧辊轴之间的辊轴)110中部两端；第一皮带150，其分别错位连接相邻所述辊轴110上对应位置的第二同步轮140以及第一同步轮130和第二同步轮140，用于驱动所述辊轴共同旋转；从动轮160，其固定设置在任一所述辊轴110一端，用于驱动与其连接的所述辊轴110旋转；动力机构170，其输出端与所述从动轮160连接，用于驱动所述从动轮160旋转，本实施例中，所述动力机构170为驱动电机，所述驱动电机为直流减速电机，所述电机通过电机固定架固定在所述下架体100上，所述下架体100上还设置有风扇400，用于为所述移载机降温。
作为本发明的另一实施例，还包括：主动轮180，其与所述动力机构170的输出轴固定连接；第二皮带190，其连接所述主动轮180和所述从动轮160。
作为本发明的另一实施例，还包括：第一上架体200，其设置在所述下架体100顶部；多个第一辊筒210，其并列设置在所述第一上架体200上，所述第一辊筒210两端通过轴承座可旋转设置在所述第一上架体200上；其中，所述第一辊筒210与所述辊轴110垂直；所述凸轮120设置在所述第一辊筒210的间隙内；当所述凸轮120静止时，所述凸轮120位于所述第一辊筒210上表面下方，当所述凸轮120旋转时，所述凸轮120能够间歇性从所述第一辊筒210的间隙内向上伸出位于所述第一辊筒210上表面上方，所述第一上架体200和第一辊筒210形成主输送线。
作为本发明的另一实施例，还包括：第二上架体300，其与所述第一上架体200连接且与所述第一上架体200垂直；多个第二辊筒310，其并列设置在所述第二上架体300上，所述第二辊筒310两端通过轴承座可旋转设置在所述第二上架体300上；其中，所述第二辊筒310与所述第一辊筒210垂直；所述凸轮120的旋转方向与所述第二辊筒310的旋转方向相同，所述第二上架体300和第二辊筒310形成垂直输送线。
作为本发明的另一实施例，还包括：重力传感器，其设置在所述初始输送位置的所述第一辊筒210上，用于检测物品重量；红外传感器，其设置在所述第一上架体200上，用于检测物品的长度、宽度和高度；转速传感器，其分别设置在所述第一辊筒210和第二辊筒310上，用于检测所述第一辊筒210和第二辊筒310的转速；激光测距传感器，其设置在所述第一上架体200的轴向两端，用于检测所述第一上架体200轴向两端分别与物品相对侧面的距离；控制器，其与所述重力传感器、红外传感器、转速传感器、激光测距传感器和动力机构连接，用于接收所述重力传感器、红外传感器、转速传感器和激光测距传感器的检测数据并控制所述动力机构170工作。
工作原理：
第一辊筒和第二辊筒旋转，物品在第一辊筒的旋转下沿所述第一上架体轴向方向运输(在主输送线上输送)，当控制器确定物品运输到凸轮上方时，控制器控制动力机构带动主动轮旋转，使得从动轮旋转，驱动与所述从动轮连接的辊轴旋转，在第一同步轮和第二同步轮以及第一皮带的作用下，使得所有辊轴共同旋转，凸轮跟随辊轴一起旋转，将物品顶起，使物品脱离第一辊筒，凸轮继续旋转，将物品垂直分流到第二辊筒上，所述物品在第二辊筒的旋转下沿所述第二上架体轴向方向(与所述第一辊筒运输方向垂直的方向，即垂直输送线)运输。物品完成垂直分流后，所述凸轮继续转动，当所述凸轮位于所述第一辊筒上表面下方时，所述凸轮停止转动。
本发明所述的凸轮顶升式移载机的顶升和移载两个动作都是通过电机带动凸轮转动来实现的；整个设备只需要一个电机作为动力源，这样就大大简化了整机的结构，同时也就简化了驱动控制卡的程序设计。
本发明还提供一种凸轮顶升式移载机的控制方法，包括：
在物品输送并进行垂直分流时，基于BP神经网络确定物品的位置状态，具体包括如下步骤：
步骤一、建立BP神经网络模型。
BP神经网络模型上各层次的神经元之间形成全互连连接，各层次内的神经元之间没有连接，输入层神经元的输出与输入相同，即oi＝xi。中间隐含层和输出层的神经元的操作特性为
opj＝fj(netpj)
其中p表示当前的输入样本，ωji为从神经元i到神经元j的连接权值，opi为神经元j的当前输入，opj为其输出；fj为非线性可微非递减函数，一般取为S型函数，即fj(x)＝1/(1+e-x)。
本发明采用的BP神经网络体系结构由三层组成，第一层为输入层，共n个节点，对应了表示移载机的n个检测信号，这些信号参数由数据预处理模块给出；第二层为隐层，共m个节点，由网络的训练过程以自适应的方式确定；第三层为输出层，共p个节点，由系统实际需要输出的响应确定。
该网络的数学模型为：
输入向量：x＝(x1,x2,...,xn)T
中间层向量：y＝(y1,y2,...,ym)T
输出向量：o＝(o1,o2,...,op)T
本发明中，输入层节点数为n＝6，输出层节点数为p＝1，隐藏层节点数m＝4。
输入层6个参数分别表示为：x1为物品的长度，x2为物品的宽度，x3为第一辊筒的转速，x4为第一上架体轴向一端与物品相对侧面的距离，x5为第一上架体轴向另一端与物品相对侧面的距离，x6为物品的重量；
输出层1个参数表示为：o1为物品的位置状态，所述输出层神经元值为当o1为1时，此时物品的位置可以进行垂直分流，当o1为0时，此时物品的位置不可以进行垂直分流。
步骤二、进行BP神经网络的训练。
建立好BP神经网络节点模型后，即可进行BP神经网络的训练。根据历史经验数据获取训练样本，并给定输入节点i和隐含层节点j之间的连接权值，隐层节点j和输出层节点k之间的连接权值。
(1)训练方法
各子网采用单独训练的方法；训练时，首先要提供一组训练样本，其中的每一个样本由输入样本和理想输出对组成，当网络的所有实际输出与其理想输出一致时，表明训练结束；否则，通过修正权值，使网络的理想输出与实际输出一致；各子网训练时的输出样本如表1所示。
表1网络训练用的输出样本
(2)训练算法
BP网络采用误差反向传播(Backward Propagation)算法进行训练，其步骤可归纳如下：
第一步：选定一结构合理的网络，设置所有节点阈值和连接权值的初值。
第二步：对每个输入样本作如下计算：
(a)前向计算：对l层的j单元
式中，为第n次计算时l层的j单元信息加权和，/>为l层的j单元与前一层(即l-1层)的单元i之间的连接权值，/>为前一层(即l-1层，节点数为nl-1)的单元i送来的工作信号；i＝0时，令/>为l层的j单元的阈值。
若单元j的激活函数为sigmoid函数，则
且
若神经元j属于第一隐层(l＝1)，则有
若神经元j属于输出层(l＝L)，则有
且ej(n)＝xj(n)-oj(n)；
(b)反向计算误差：
对于输出单元
对隐单元
(c)修正权值：
η为学习速率。
第三步：输入新的样本或新一周期样本，直到网络收敛，在训练时各周期中样本的输入顺序要重新随机排序。
BP算法采用梯度下降法求非线性函数极值，存在陷入局部极小以及收敛速度慢等问题。更为有效的一种算法是Levenberg-Marquardt优化算法，它使得网络学习时间更短，能有效地抑制网络陷于局部极小。其权值调整率选为
Δω＝(JTJ+μI)-1JTe
其中J为误差对权值微分的雅可比(Jacobian)矩阵，I为输入向量，e为误差向量，变量μ是一个自适应调整的标量，用来确定学习是根据牛顿法还是梯度法来完成。
在系统设计时，系统模型是一个仅经过初始化了的网络，权值需要根据在使用过程中获得的数据样本进行学习调整，为此设计了系统的自学习功能。在指定了学习样本及数量的情况下，系统可以进行自学习，以不断完善网络性能。
下面结合具体的实施例进一步的对本发明提供的对物品位置状态的确定方法进行说明。
选取12组不同质量和大小的包裹进行运输，包裹具体参数数据如表2所示。
表2包裹参数数据
| 分组 | 重量(kg) | 宽度(m) | 长度(m) |
| 1 | 2 | 0.2 | 0.2 |
| 2 | 3 | 0.3 | 0.4 |
| 3 | 4 | 0.4 | 0.4 |
| 4 | 6 | 0.5 | 0.6 |
| 5 | 7 | 0.6 | 0.6 |
| 6 | 9 | 0.4 | 0.6 |
| 7 | 12 | 0.5 | 0.7 |
| 8 | 14 | 0.5 | 0.8 |
| 9 | 15 | 0.7 | 0.8 |
| 10 | 17 | 0.8 | 0.9 |
| 11 | 19 | 0.9 | 1.0 |
| 12 | 20 | 1.0 | 1.0 |
根据前述建立的物品位置状态确定模型，确定物品位置状态，并旋转凸轮将物品顶起脱离第一辊筒，一组运输数据如表3所示，分流结果如表4所示。
表3运输数据
表4分流结果
由表4可以看出，凸轮能够将物品平稳顶起脱离第一辊筒，说明此方法能够精准确定货物到达凸轮上方，使得物品能够平稳顶起，进入分流线。
当o1＝1时，即控制器确定物品到达凸轮上方，此时物品的位置可以进行垂直分流，控制器控制所述凸轮旋转的角速度为：
其中，ω为凸轮旋转的角速度(rad/s)，α为凸轮的压力角(o)，M为物品的重量(kg)，Mo为设定的基础重量(kg)，l为凸轮的平底长度(m)，r为凸轮的基圆半径(m)，a为物品的长度(m)，b为物品的宽度(m)，c为物品的高度(m)，e为自然对数的底数，n1为第一辊筒的转速(r/s)，n2为第二辊筒的转速(r/s)，其中凸轮的参数分析如图6所示。
物品完成垂直分流后，所述凸轮继续转动，当所述凸轮位于所述第一辊筒上表面下方时，所述凸轮停止转动。
本发明所述的凸轮顶升式移载机的控制方法，能够精准确定货物到达凸轮上方，使得物品能够平稳顶起，进入分流线；本发明还能够通过物品的重量，体积、主输送线的输送速度以及垂直输送线的输送速度控制凸轮的旋转速度，使得货物能够平稳、安全分流至垂直输送线上。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (9)
1.一种凸轮顶升式移载机的控制方法，使用凸轮顶升式移载机，其特征在于，包括：
在物品输送并进行垂直分流时，基于BP神经网络确定物品的位置状态，具体包括如下步骤：
步骤一、按照采样周期，通过传感器采集物品的长度和宽度、第一辊筒的转速、第一上架体轴向两端分别与物品相对侧面的距离以及物品的重量；
步骤二、确定三层BP神经网络的输入层神经元向量x＝{x1,x2,x3,x4,x5,x6}；其中，x1为物品的长度，x2为物品的宽度，x3为第一辊筒的转速，x4为第一上架体轴向一端与物品相对侧面的距离，x5为第一上架体轴向另一端与物品相对侧面的距离，x6为物品的重量；
步骤三、所述输入层向量映射到隐层，隐层的神经元为m个；
步骤四、得到输出层神经元向量o＝{o1}；其中，o1为物品的位置状态，所述输出层神经元值为当o1为1时，此时物品的位置可以进行垂直分流，当o1为0时，此时物品的位置不可以进行垂直分流；
所述凸轮顶升式移载机包括：
下架体；以及
多个辊轴，其并列设置在所述下架体上，所述辊轴两端可旋转设置在所述下架体顶部；
多个凸轮，其均匀固定设置在所述辊轴上且能够跟随所述辊轴旋转；
多个同步轮，其分别固定设置在所述辊轴上；
多个第一皮带，其分别连接相邻所述辊轴上的所述同步轮，使相邻的所述同步轮能够共同旋转；
从动轮，其固定设置在任一所述辊轴一端；
动力机构，其输出端与所述从动轮连接，用于驱动所述从动轮旋转，进而带动与所述从动轮连接的所述辊轴旋转。
2.如权利要求1所述的凸轮顶升式移载机的控制方法，其特征在于，所述凸轮顶升式移载机还包括：
主动轮，其与所述动力机构的输出轴固定连接；
第二皮带，其连接所述主动轮和所述从动轮。
3.如权利要求2所述的凸轮顶升式移载机的控制方法，其特征在于，所述凸轮顶升式移载机还包括：
第一上架体，其设置在所述下架体顶部；
多个第一辊筒，其并列设置在所述第一上架体上，所述第一辊筒两端可旋转设置在所述第一上架体上；
其中，所述第一辊筒与所述辊轴垂直；所述凸轮设置在所述第一辊筒的间隙内；当所述凸轮静止时，所述凸轮位于所述第一辊筒上表面下方，当所述凸轮旋转时，所述凸轮能够间歇性从所述第一辊筒的间隙内向上伸出位于所述第一辊筒上表面上方。
4.如权利要求3所述的凸轮顶升式移载机的控制方法，其特征在于，所述凸轮顶升式移载机还包括：
第二上架体，其与所述第一上架体连接且与所述第一上架体垂直；
多个第二辊筒，其并列设置在所述第二上架体上，所述第二辊筒两端可旋转设置在所述第二上架体上；
其中，所述第二辊筒与所述第一辊筒垂直。
5.如权利要求4所述的凸轮顶升式移载机的控制方法，其特征在于，所述凸轮顶升式移载机还包括：
重力传感器，其设置在初始输送位置的所述第一辊筒上，用于检测物品重量；
红外传感器，其设置在所述第一上架体上，用于检测物品的长度、宽度和高度；
转速传感器，其分别设置在所述第一辊筒和第二辊筒上，用于检测所述第一辊筒和第二辊筒的转速；
激光测距传感器，其设置在所述第一上架体的轴向两端，用于检测所述第一上架体轴向两端分别与物品相对侧面的距离；
控制器，其与所述重力传感器、红外传感器、转速传感器、激光测距传感器和动力机构连接，用于接收所述重力传感器、红外传感器、转速传感器和激光测距传感器的检测数据并控制所述动力机构工作。
6.如权利要求1-5中任意一项所述的凸轮顶升式移载机的控制方法，其特征在于，所述动力机构为驱动电机。
7.如权利要求1所述的凸轮顶升式移载机的控制方法，其特征在于，所述隐层节点个数m满足：其中n为输入层节点个数，p为输出层节点个数。
8.如权利要求1或7所述的凸轮顶升式移载机的控制方法，其特征在于，当o1＝1时，控制器控制所述凸轮旋转的角速度为：
其中，ω为凸轮旋转的角速度，α为凸轮的压力角，M为物品的重量，Mo为设定的基础重量，l为凸轮的平底长度，r为凸轮的基圆半径，a为物品的长度，b为物品的宽度，c为物品的高度，e为自然对数的底数，n1为第一辊筒的转速，n2为第二辊筒的转速。
9.如权利要求8所述的凸轮顶升式移载机的控制方法，其特征在于，物品完成垂直分流后，所述凸轮继续转动，当所述凸轮位于所述第一辊筒上表面下方时，所述凸轮停止转动。
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