智能分揀系統(tǒng)在電商倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)的應(yīng)用

文 / 全興科

一、前言

近幾年來(lái)對(duì)輸送分揀系統(tǒng)需求增幅最大的無(wú)疑是物流快遞行業(yè)，中國(guó)的物流配送時(shí)效已經(jīng)從以天為單位，向以小時(shí)和分鐘為單位邁進(jìn)，要高效地處理如此大的物流量，離不開(kāi)智能技術(shù)。用自動(dòng)化的快速分揀技術(shù)取代大量的人工分揀，不僅降低了人力成本，同時(shí)還大幅提高了分揀作業(yè)的效率與準(zhǔn)確率，電商包裹配送的多品種、小批量、高頻次特征，是推動(dòng)自動(dòng)分揀系統(tǒng)市場(chǎng)需求快速增長(zhǎng)的基礎(chǔ)。對(duì)立體倉(cāng)庫(kù)、分揀系統(tǒng)以及設(shè)備系統(tǒng)集成需求旺盛，物流裝備系統(tǒng)化、自動(dòng)化、智能化、產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)明顯，大型、高端物流系統(tǒng)主要包括存儲(chǔ)系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、分揀系統(tǒng)、軟件控制系統(tǒng)，各個(gè)系統(tǒng)又由具體的設(shè)備或軟件集成，彼此之間相互聯(lián)系、緊密配合最終完成物料搬運(yùn)和準(zhǔn)確投遞。

物流智能裝備技術(shù)是物流自動(dòng)化的核心，物流裝備產(chǎn)業(yè)鏈包括上游的系統(tǒng)集成和研發(fā)設(shè)計(jì)，中游的硬件設(shè)備，以及下游的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施與物流服務(wù)。自動(dòng)化輸送分揀技術(shù)主要分為兩大流派，一個(gè)是以輸送線、分揀機(jī)構(gòu)成的傳統(tǒng)自動(dòng)化分揀系統(tǒng)。而另一個(gè)流派就是自KIVA 機(jī)器人開(kāi)始興起的AGV 分揀系統(tǒng)。每種設(shè)備和技術(shù)都有其最適用的領(lǐng)域，針對(duì)自動(dòng)化分揀系統(tǒng)可處理貨物的重量，簡(jiǎn)單劃分了不同類型設(shè)備的應(yīng)用范圍。交叉帶分揀系統(tǒng)和AGV 分揀系統(tǒng)是近兩年市場(chǎng)應(yīng)用非?；馃岬淖詣?dòng)化物流裝備。

本文主要圍繞交叉帶分揀機(jī)而設(shè)計(jì)的自動(dòng)化分揀系統(tǒng)進(jìn)行分析，交叉帶分揀機(jī)是利用直線動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的小車隊(duì)沿著環(huán)形軌道高速運(yùn)動(dòng)，將貼有標(biāo)簽的貨物經(jīng)過(guò)掃描器讀碼進(jìn)行分揀，適用于電商、服裝、快遞等行業(yè)的大中型場(chǎng)地。交叉帶分揀機(jī)采用傳統(tǒng)機(jī)械式設(shè)計(jì)，原理簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)比較堅(jiān)固，分揀動(dòng)作輕柔、準(zhǔn)確。優(yōu)點(diǎn)是在訂單量足夠大的時(shí)候，分揀效率最高，所以受到電商、快遞客戶青睞，成為近年來(lái)分揀設(shè)備中的主流。該應(yīng)用規(guī)劃布局（圖1）由多穿立庫(kù)、交叉帶分揀機(jī)、機(jī)械手揀貨位、人工揀貨位、格口揀貨位、播種盒存儲(chǔ)區(qū)、復(fù)核包裝線幾部分組成。

圖1 規(guī)劃布局

二、智能立體庫(kù)存儲(chǔ)系統(tǒng)

物流自動(dòng)化指將條形碼、射頻識(shí)別、傳感器、GPS 等技術(shù)運(yùn)用于物流業(yè)各個(gè)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)物流自動(dòng)化運(yùn)作，提高服務(wù)水平，降低成本。自動(dòng)化立體庫(kù)具有存儲(chǔ)容量大、自動(dòng)存取貨品、作業(yè)速度快、處理水平高等優(yōu)勢(shì)，自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)和軟件系統(tǒng)，對(duì)倉(cāng)庫(kù)操作人員在客戶端輸入的物品信息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)信息資源的共享。穿梭車是一種智能機(jī)器人，通過(guò)系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)取貨、運(yùn)送、放置等任務(wù)，與上位機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化存取等功能；穿梭車式立體庫(kù)系統(tǒng)將傳統(tǒng)立體庫(kù)加上高精度導(dǎo)軌，可以讓穿梭車（圖2）在上面平穩(wěn)運(yùn)行，從而極大地提高倉(cāng)儲(chǔ)空間利用率。

圖2 穿梭車

對(duì)于第三方供應(yīng)鏈云倉(cāng)儲(chǔ)來(lái)說(shuō)，SKU 數(shù)量以及出貨速度是關(guān)鍵，因此需選擇兩向穿梭車，單深貨位多穿存儲(chǔ)貨架（圖3）作為周轉(zhuǎn)箱存儲(chǔ)單元庫(kù)。兩向穿梭車是一款在貨架軌道上運(yùn)行，用于實(shí)現(xiàn)周轉(zhuǎn)箱出入庫(kù)作業(yè)的智能搬運(yùn)設(shè)備；其擁有輕質(zhì)的鋁制結(jié)構(gòu)及精密的伸縮式撥指貨物抓取器，具備高速、高效、空間緊湊的優(yōu)勢(shì)。兩向穿梭車只有前進(jìn)和后退兩個(gè)運(yùn)行方向，相對(duì)于四向穿梭車和周轉(zhuǎn)箱堆垛機(jī)，其入庫(kù)存儲(chǔ)以及出庫(kù)分揀效率是最高的，行駛速度能達(dá)到4m/s，加速度2m/s2，最大載重35kg。低壓直流、超級(jí)電容供電，充電10 秒可滿足穿梭車3 分鐘使用需求,超級(jí)電容可反復(fù)充電100 萬(wàn)次,消耗能量少，出入庫(kù)處理能力是堆垛機(jī)立體倉(cāng)庫(kù)的3 ～4倍，在相同處理量的情況下需要的巷道更少，減少使用空間和占地面積。

圖3 多穿存儲(chǔ)貨架

多穿立庫(kù)的大致流程為穿梭車運(yùn)送周轉(zhuǎn)箱至層間線，層間線由多層相同的滾筒輸送線組成，負(fù)責(zé)接收來(lái)自穿梭車的周轉(zhuǎn)箱，也負(fù)責(zé)輸送周轉(zhuǎn)箱至穿梭車上，層間線對(duì)接高速料箱提升機(jī)（圖4）。高速料箱提升機(jī)是可實(shí)現(xiàn)料箱多層輸送或高底落差輸送的物流自動(dòng)化設(shè)備，主要運(yùn)用于多層自動(dòng)生產(chǎn)裝配線或立體倉(cāng)庫(kù)，進(jìn)行貨品的往復(fù)式輸送，該系統(tǒng)布置雙貨位，提升機(jī)載貨平臺(tái)可以同時(shí)輸送兩個(gè)周轉(zhuǎn)箱，每個(gè)周轉(zhuǎn)箱可接收或輸送至任意的層間，運(yùn)行速度快，最大速度5m/s，最大加速度3m/s2,出入庫(kù)效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故障率低，噪聲低，便于安裝維護(hù)。

圖4 高速料箱提升機(jī)

三、分揀系統(tǒng)

貨到人揀選，即在物流揀選過(guò)程中，人不動(dòng)，貨物被自動(dòng)輸送到揀選人面前，供人揀選，貨到人揀選是物流配送中心一種重要的揀選方式。訂單結(jié)構(gòu)是WMS 軟件經(jīng)過(guò)特定規(guī)則方式組合的相同類型的一組產(chǎn)品，也就是波次訂單，將一組或者幾組波次訂單產(chǎn)品的周轉(zhuǎn)箱通過(guò)WCS 軟件下發(fā)，然后穿梭車根據(jù)下發(fā)的指令將周轉(zhuǎn)箱提取出庫(kù)，提升機(jī)輸送至滾筒流水線上，滾筒流水線通過(guò)移載分揀機(jī)將不同訂單的產(chǎn)品分配到不同的道口，這就是波次訂單貨到人系統(tǒng)。

第三方供應(yīng)鏈云倉(cāng)儲(chǔ)產(chǎn)品數(shù)量和規(guī)格多樣，包括服裝、化妝品、3C 產(chǎn)品、食品、洗護(hù)類、玩具、家居用品、快消品、日用品等眾多品類，機(jī)械手揀貨對(duì)產(chǎn)品的要求有一定限制，因此揀貨位設(shè)置機(jī)械手揀貨和人工揀貨工位，部分人工揀貨位可彌補(bǔ)機(jī)械手揀貨的不足。

分揀機(jī)械手(圖5)是一種應(yīng)用范圍非常廣且技術(shù)附加值很高的數(shù)字控制裝備，該系統(tǒng)基于視覺(jué)的工業(yè)機(jī)械手對(duì)產(chǎn)品實(shí)施分揀，主要包括基于多軸機(jī)械手的分揀抓取子系統(tǒng)和圖像獲取分析子系統(tǒng)。被分配至分揀機(jī)械手揀選位的波次周轉(zhuǎn)箱，停留在機(jī)械手和視覺(jué)系統(tǒng)工作范圍內(nèi)，以便視覺(jué)定位后機(jī)械手進(jìn)行定位；視覺(jué)系統(tǒng)和機(jī)械手之間進(jìn)行手眼標(biāo)定，得到坐標(biāo)與機(jī)械手基座之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系；視覺(jué)相機(jī)通過(guò)自身標(biāo)定后，得到與世界坐標(biāo)系之間的關(guān)系等標(biāo)定數(shù)據(jù)，通過(guò)算法提取物料框中被測(cè)物的3D 數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取物體的3D 信息。基于手眼標(biāo)定的結(jié)果，定位被測(cè)物3D 信息相對(duì)于機(jī)械手基座的3D 位姿，并以固有的通信方式告知機(jī)械手被測(cè)物體位置信息；根據(jù)處理的結(jié)果，將上述信息傳遞給機(jī)械手控制器，完成對(duì)機(jī)械手的關(guān)節(jié)控制，進(jìn)而抓?。ㄎ。┎ù沃苻D(zhuǎn)箱里面的產(chǎn)品，并放置在交叉帶分揀機(jī)供包輸送帶上面，完成分揀操作。

圖5 分揀機(jī)械手

交叉帶分揀機(jī)（圖6）主要由控制裝置、分類裝置、輸送裝置及分揀道口四大部分組成。機(jī)械手揀選采用自動(dòng)供包模式，自動(dòng)供包系統(tǒng)由三段組成，分別為導(dǎo)入段、加速段和供包段。交叉帶分揀機(jī)滿足多行業(yè)的高效率分揀配送需求，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)，采用多個(gè)小車承載，分揀適應(yīng)性極強(qiáng)，性能穩(wěn)定使用方便；對(duì)分揀商品的形狀和大小沒(méi)有限制，采用皮帶小車承載，除了易碎產(chǎn)品，基本都能進(jìn)行分揀。但機(jī)械手抓取和供包輸送線對(duì)于相應(yīng)的物資以及貨品的形狀、標(biāo)簽朝向的要求會(huì)很高，而且機(jī)械手需要通過(guò)視覺(jué)確定抓取部位，揀選效率不是很高。人工揀選采用人工供包，由前端工作人員將產(chǎn)品掃碼后直接放入小車上面，進(jìn)行供包投放工作；由于人員數(shù)量及操作熟練度各不相同，所以供包效率波動(dòng)幅度較大；但人工供包對(duì)前端貨物的要求較低，且不限制標(biāo)簽朝向問(wèn)題，對(duì)比機(jī)械手揀選效率相對(duì)較高。

圖6 交叉帶分揀機(jī)

被分配至人工揀貨工位的波次周轉(zhuǎn)箱，人員根據(jù)顯示器提示的揀選信息，把周轉(zhuǎn)箱里的產(chǎn)品揀放到交叉帶分揀機(jī)小車?yán)铮瓿扇斯x操作。需要交叉帶分揀的物品經(jīng)供包輸送線自動(dòng)導(dǎo)入分揀機(jī)小車，通過(guò)與整個(gè)物流系統(tǒng)的WCS 連接來(lái)進(jìn)行控制，將物品分揀（播種）至設(shè)定的出口，通過(guò)滑槽進(jìn)入對(duì)應(yīng)的播種盒；訂單完成的播種盒流入輸送線，然后補(bǔ)充空的播種盒至滑槽口。

除了揀到交叉帶分揀設(shè)備的產(chǎn)品外，另外設(shè)置了部分格口式揀選工位，處理部分不能用于交叉帶分揀機(jī)分揀的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品需要人工播種。揀選工作站是人與倉(cāng)庫(kù)技術(shù)之間的紐帶，格口式揀選符合人體工學(xué)理念，可快速、安全地揀選物品，系統(tǒng)可以同時(shí)處理8 個(gè)訂單。揀選工作站適用于揀選所有類型的物品，包括易碎和體積稍大的物品，在最大化保護(hù)商品的同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高的揀選性能。波次周轉(zhuǎn)箱輸送至格口式工位，通過(guò)顯示屏向揀選人員顯示揀選數(shù)量，揀選至哪個(gè)揀選槽（格口設(shè)置為8 格），揀選人員揀出物品并將其放入相應(yīng)的槽中，每個(gè)槽內(nèi)放置一個(gè)播種周轉(zhuǎn)箱。一旦訂單完成，電子標(biāo)簽系統(tǒng)完成交付，將完成的播種周轉(zhuǎn)箱從揀選槽取出，放入空的周轉(zhuǎn)箱。

四、復(fù)核包裝單元

經(jīng)過(guò)交叉帶分揀機(jī)分揀（播種）完成的訂單產(chǎn)品，存放在播種盒（塑料周轉(zhuǎn)箱）里。播種盒經(jīng)流水線輸送至周轉(zhuǎn)箱高速堆垛機(jī)取貨位置，周轉(zhuǎn)箱高速堆垛機(jī)將播種盒分配至播種盒立庫(kù)，播種盒立庫(kù)采用流利條滑道，播種盒的存儲(chǔ)沒(méi)有貨位限制，每一播種盒存儲(chǔ)通道排滿為止。播種盒立庫(kù)另一取貨端，另一臺(tái)周轉(zhuǎn)箱高速堆垛機(jī)將播種盒按照通道順序?qū)⒉シN盒周轉(zhuǎn)箱取出放在輸送線上，輸送線運(yùn)輸至復(fù)核包裝工位。

所有揀貨完成的播種盒輸送至復(fù)核包裝工位（如圖7），工序包括：訂單復(fù)核、商品打包、張貼面單等；訂單復(fù)核包括訂單信息復(fù)核、商品復(fù)核，商品及訂單信息核實(shí)無(wú)誤后，進(jìn)行商品打包作業(yè)，從而形成包裹。在這個(gè)過(guò)程中WMS 需要分別輸入訂單號(hào)和掃描商品SKU 條碼，從上架開(kāi)始后，所有設(shè)備的唯一識(shí)別指標(biāo)就是商品的SKU 條碼。

圖7 復(fù)核包裝工位

包裝是在專門打包臺(tái)上進(jìn)行的，包裝工作是根據(jù)不同的產(chǎn)品，采用不同的包裝方式，比如衣服類，需要衣服專用包裝袋和專用包裝盒；化妝品類需要放置填充物，防止產(chǎn)品破損和磨損；玻璃類需要?dú)馀葜w包裹；還有的產(chǎn)品使用的紙箱帶有產(chǎn)品logo，不能混用，因此包裝環(huán)節(jié)是很復(fù)雜繁瑣的人工操作工序。張貼面單就是把不同快遞公司的快遞單貼在包裹上面，現(xiàn)在大部分包裹是可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化貼面單的。

五、系統(tǒng)定單量分析

交叉帶分揀機(jī)由于需要人工向小車上面放置物品，分揀效率設(shè)計(jì)9000件/小時(shí)，按照平均3件產(chǎn)品一個(gè)訂單，每小時(shí)的訂單產(chǎn)生量就是3000單，產(chǎn)生的快遞包裹也是3000個(gè)/小時(shí)，白天8小時(shí)是2.4萬(wàn)單，考慮到夜間單量很少，估算5000單；一套自動(dòng)化系統(tǒng)每天的單量是2.9萬(wàn)單，不需要通過(guò)自動(dòng)化設(shè)備播種的產(chǎn)品預(yù)估每天5000單，如單品件等，合計(jì)每天總單量3.4萬(wàn)單。

一臺(tái)機(jī)械手的揀貨效率是1000件/小時(shí)，人工揀貨效率是2000件/小時(shí)，設(shè)置2臺(tái)機(jī)械手揀貨位完成夜間單量，設(shè)置2處人工揀貨位，2處格口揀貨位，合計(jì)10000件/小時(shí)，能夠滿足交叉帶分揀機(jī)的9000件/小時(shí)需求量。

播種盒存儲(chǔ)立庫(kù)主要是為夜班無(wú)人作業(yè)時(shí)暫存播種盒使用的，貨位建設(shè)6000個(gè)。不需要通過(guò)自動(dòng)化設(shè)備播種的產(chǎn)品不通過(guò)立庫(kù)和分揀設(shè)備，也不占用設(shè)備流量。多穿立庫(kù)是按照波次下發(fā)訂單結(jié)構(gòu)提取周轉(zhuǎn)箱產(chǎn)品，9000件產(chǎn)品預(yù)估需要1500個(gè)箱子經(jīng)過(guò)多穿小車和提升機(jī)輸送至揀選工位。提升機(jī)最大揀貨效率是600c/h，布置三臺(tái)雙貨位提升機(jī)（每臺(tái)設(shè)有入庫(kù)和出庫(kù)），立體庫(kù)設(shè)三個(gè)多穿小車巷道，立庫(kù)高度9米，長(zhǎng)度60米，存儲(chǔ)位設(shè)置17層，立體庫(kù)周轉(zhuǎn)箱貨位預(yù)計(jì)9000個(gè)。

六、總結(jié)

自動(dòng)化系統(tǒng)最終目的是實(shí)現(xiàn)無(wú)人化，但這需要漫長(zhǎng)的過(guò)程，而依靠現(xiàn)有技術(shù)，部分環(huán)節(jié)是可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)化的。系統(tǒng)夜間自動(dòng)下發(fā)訂單給多穿小車，對(duì)周轉(zhuǎn)箱進(jìn)行提取，輸送至機(jī)械手揀貨位，機(jī)械手按照指令的要求將周轉(zhuǎn)箱內(nèi)的產(chǎn)品揀放至交叉帶分揀機(jī)供包輸送帶上面，輸送帶將產(chǎn)品輸送至小車上，交叉帶分揀機(jī)按照指令將產(chǎn)品運(yùn)送至設(shè)定的分揀道口滑槽，滑入對(duì)應(yīng)的播種盒，因?yàn)橐归g無(wú)人進(jìn)行復(fù)核包裝，所以交叉帶分揀機(jī)播種完成的播種盒輸送至播種盒存儲(chǔ)立庫(kù)，等到白天操作人員開(kāi)工后，將存儲(chǔ)立庫(kù)的播種盒提取輸送至人工打包工位進(jìn)行操作。

系統(tǒng)白天的訂單按照結(jié)構(gòu)分配至機(jī)械手和人工工位，不需要存儲(chǔ)播種盒，所以播種完成的播種盒直接輸送至復(fù)核包裝工位。播種盒里面是每個(gè)快遞單所包括的產(chǎn)品，人員對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行復(fù)核包裝裝箱。包裹粘貼快遞面單后就是快遞件，最終的快遞件的數(shù)量就是發(fā)貨單量。