计泡机的设计流程及体积、重量的测量

苏寒刚

摘 要介绍了计泡机的设计流程以及获取包裹重量、体积的方法，提出了采用微积分的方法测量包裹体积，对于不规则的包裹，也能准确地获得其体积，为达到更精准的测量效果，提出了一种稳定皮带速度的方法，实践证明，这种方法行之有效，并且已广泛应用于生产。

【关键词】计泡机 体积 重量

1引言

随着物流行业的快速发展，快递公司揽收、处理的包裹数量越来越多，每个包裹的条码、重量、体积等信息与邮资费用密切相关，如果分拣中心能够在流水化分拣包裹的同时，又收集到包裹的条码、重量、体积等信息，对包裹计费做核对，那么快递公司能够减少损失，又能很好的管理数据。计泡机就是应这样的需求而产生的，它能获取包裹的条码、重量、体积等数据，并绑定发送给后台系统，后台系统再对这些数据进行計费核对。

2 计泡机的设计

2.1 计泡的含义

计泡是指对速递邮件，取体积重量和实际重量中的较大者，作为计费重量，再按照资费标准计算应收邮费。通常计泡公式是这样的：体积重量（kg）=长（cm）×宽（cm）×高（cm）/计泡比。计泡比速递行业通常为6000cm3/kg。快递揽收包裹时，要将包裹的实际重量及体积重量相比较，取其大者来计费，因此准确的获取包裹的重量、体积很重要。

2.2 计泡的流程设计

在分拣中心，我们希望在分拣包裹的同时又能获取其条码、重量、体积等数据，在后台计算出其邮资费用，于是我们设计出计泡机基本结构，它包含三段皮带机，即上包段、称重段、导入段，在称重段和导入段之间用二对光幕（上下、左右各一对）来测体积，结构图如图1所示。

上包段可以扫描条码，称重段采用动态称自动称重，光幕用来测体积，导入段将条码与重量、体积绑定，再传到主环分拣，计泡机工作流程如图2所示。

扫描条码可以用无线PDA，也可以用扫描枪加电脑方式来实现，现在以无线PDA为例来介绍计泡机的工作流程：操作员将包裹放入上包段，用无线PDA扫描条码，条码信息通过蓝牙传给计泡机主控板（需配有蓝牙接收器），计泡机启动运行，在称重段得到重量，经过光幕后得到体积，进入导入段后将条码、重量、体积绑定，通过蓝牙把绑定结果发送给PDA，PDA收到数据后传输给后台，同时计泡机在导入段将包裹导入主环。计泡机可以根据需要设计成多段式，譬如在上包段和导入段都增加段数做积放，增加系统缓存。

3 体积的测量方法

3.1 计算方法

对于任意包裹，我们可以按照微积分的方法，将整个体积沿着运动方向，切成无数个微小标准长方体，将所有微小长方体求和，就可以得到包裹总的体积，我们用V表示包裹的体积，△Vi表示每个微小的长方体，计算体积公式如下：

我们只要测出每个小长方体长（L）、宽（W）、高（H），即可计算出每个小块的体积 △Vi=L*W*H。

3.2 光幕介绍

采用光幕来测量体积，通常光幕成对使用，即一根发送信号、一根接收信号，当物体在该对光幕中间时，光幕能测出有多少个像素被遮挡了，由于二个像素之间的距离是固定的，通常是5mm或者10mm等，根据被遮挡像素的个数可以计算出包裹的长度。

光幕的工作模式有二种：连续模式和主从模式，连续模式是指光幕不断地把测量到的数据通过串口往外发送，主从模式则是指主控板通过串口问光幕当前的测量值是多少，光幕收到指令后立即返回测量结果。

3.3 体积测量实现方法

计泡机采用二对光幕，即上、下一对（用于测宽度），左、右一对（用于测高度），当包裹沿着运动方向经过光幕时，二对光幕不断地测出每时刻的宽度和高度值，根据包裹通过光幕的速度及每次测量的时间间隔，可以计算出包裹每次被切割部分的长度值，从而计算出这一小块的体积，当包裹离开光幕时，将所有微小长方体体积进行叠加就可得到包裹的实际体积。

为了实现上面的方法，我们选用ST公司32位ARM7微处理器作为主控芯片，选用邦纳的光幕，如果我们采用一个串口与二对光幕通信的话，只能采用RS485通信的方式，即485总线上挂二对光幕，MCU采用轮询的方式定时与其中一对光幕通信（不能同时读取二对光幕的数据，因为这样会造成485总线数据冲突），即上次获得上下光幕测到的宽度值，下次定时获得左右光幕测到的高度值。此时光幕需设置成主从模式，而且还应设置成不同的地址，MCU才能区分不同的光幕。包裹获取体积测量流程图如图3所示。

体积测量首先要判断是否有包裹到了光幕，即判断宽、高是否有数据值，而不是零，然后定时读取宽、高值，当宽、高都为零时，说明包裹离开了光幕，此时可以将所有微小体积累加，即可得到包裹的实际体积。

3.4 体积测量优化

由于采用485总线，MCU定时读取光幕数据，每次定时只能读取一对光幕的数据，不能同时读取二对光幕的数据，这相当于二次定时周期获得了一次宽和高的值，测得的精度偏低。为了提高体积测量的精度，我们增加一个串口，使得每对光幕单独用一个RS422串口进行通信，这样一个定时周期就能同时获得宽、高值，此时光幕工作模式即可以设置成主从模式，也可以设置成连续模式，这种方法能将每个微小体积划分得更细，测量精度更高。

3.5 宽、高数据缓冲表

建立包裹宽度及高度缓冲区：PackageSizeTemp.WideBuf[MAXLENGTH]和PackageSizeTemp.HeighBuf[MAXLENGTH]，当包裹离开光幕后根据这些数据就可以计算出包裹的体积。我们定时读取一次高度和宽度值，第i次测量的时候，得到第i次的体积为

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

FixSpeed是皮带速度，根据需要可以设成1m/s，也可以设成1.2m/s等，FixTime是采样的时间间隔， FixSpeed*FixTime就是每个微小体积块的长度，通过上式就可以得到每个被切成块的体积，时间间隔取得越小，得到的体积越接近真实体积，误差越小。

3.6 皮带速度控制

我们可以采用手动方式设置皮带的速度，利用变频器和测速仪，手动设置变频器频率值，使得测速仪测到的速度达到我们需要的速度，以后每次开机运行，变频器都运行到该频率值，這种方法虽然简单，但不能保证变频器每次在这个频率，速度都一定是我们需要的，如果皮带速度偏差大了，我们计算出的体积值也会不准。

如果我们能检测皮带速度，当发现速度有误差，通过增大或者减小变频器频率值来稳定皮带速度，这样就能保证测量体积的精确性，皮带测速和调速可以采用下面的方法来实现：

（1）测速方法：在电机的皮带轴上在装个小轴，小轴大部分是金属的，一小部分是连续的非金属的，我们用接近开关靠近该轴，当接近开关检测到金属时，输出低电平，当检测到非金属物，输出高电平，通过接近开关检测皮带轴，当连续出现二个下降沿时，表明测到小轴转了一圈，二个下降沿的时间为轴转动一圈用的时间，而轴的周长是固定的，于是我们就可以计算出轴的转速，从而得到皮带的速度。

（2）调速方法：将实际测到的速度与我们需要的目标速度进行比较，计算出速度差，将速度差再换算成频率差，通过改变变频器的频率来实现调速。

图4为主控板与变频器的连接图，主控板的一个串口，采用一条RS485总线将多个变频器连在一起，电机是受变频器输出频率控制的。通过一条485总线，可以对多段皮带进行调速，我们可以采用定时的方法，每次定时时间到了就对一段皮带调速，所有段皮带轮流调速，需要注意以下几点：

（1）在同一485总线上的变频器需设置成不同的地址，主控板可以进行区分；

（2）采用定时调速，每个定时周期调一个变频器，该定时周期时间必须大于 MCU发指令到变频器返回完指令用的时间。

由于变频器的频率值与皮带速度对应关系相对是比较稳定的，每段皮带调速对频率要求不高，300至400ms调一次也是完全可以的。

4 重量的获得

动态称主要是由皮带机+重量传感器+表头构成，动态称与静态称的区别在于静态称是停止不动再称重量，而动态称是运动时称重量，因此动态称效率高、稳定性好，非常适用于流水线生产作业，对于计泡机，选择动态称是非常适宜的。动态称通常在两头装有检测光电管，用来作为称重的触发信号，当头端光电管检测到包裹时，动态称开始称重，当离开尾端光电管时，得到重量并发送给计泡机主控板，主控板从而得到重量。主控板与动态称表头采用一个485串口进行通信，直接接收动态称发过来的重量数据即可。

在计泡机，当包裹离开光幕到达导入段时，主控板就获得了重量及体积数据，然后再与在上包段扫描的条码绑定，将结果传给PDA，PDA再传给后台，后台再进行分析、统计，整个计泡的过程就实现了。

5 结束语

本文介绍了计泡机的设计方法以及操作流程，并介绍了通过动态称获取重量，通过光幕，采用将包裹沿运动方向切成无数小片，计算每个小片体积，再累加得到总体积的方法，为了提高测量精度，提出了采用测速、调速的方法稳定皮带速度，实践证明，计泡机设计合理，在生产中能够发挥很大的作用。

参考文献

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[2]中达电通股份有限公司，VFD-M使用手册，2012.

[3]杨淑辉 ，陈文英 ，卢立才.微积分[Z].科学出版社有限责任公司，2016.

[4]胡成华，刘传瑞，郭文生.嵌入式网络编程：串口通信、工业总线、传感器网络应用开发[M].电子工业出版社，2012.

作者单位

上海邮政科学研究院 上海市 200062