文 / 全興科

一、前言

近幾年來對輸送分揀系統(tǒng)需求增幅最大的無疑是物流快遞行業(yè)，中國的物流配送時效已經(jīng)從以天為單位，向以小時和分鐘為單位邁進(jìn)，要高效地處理如此大的物流量，離不開智能技術(shù)。用自動化的快速分揀技術(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，是推動自動分揀系統(tǒng)市場需求快速增長的基礎(chǔ)。對立體倉庫、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、自動化、智能化、產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化趨勢明顯，大型、高端物流系統(tǒng)主要包括存儲系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、分揀系統(tǒng)、軟件控制系統(tǒng)，各個系統(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，中游的硬件設(shè)備，以及下游的現(xiàn)場實施與物流服務(wù)。自動化輸送分揀技術(shù)主要分為兩大流派，一個是以輸送線、分揀機(jī)構(gòu)成的傳統(tǒng)自動化分揀系統(tǒng)。而另一個流派就是自KIVA 機(jī)器人開始興起的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，針對自動化分揀系統(tǒng)可處理貨物的重量，簡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)是近兩年市場應(yīng)用非?；馃岬淖詣踊锪餮b備。

本文主要圍繞交叉帶分揀機(jī)而設(shè)計的自動化分揀系統(tǒng)進(jìn)行分析，交叉帶分揀機(jī)是利用直線動力驅(qū)動的小車隊沿著環(huán)形軌道高速運(yùn)動，將貼有標(biāo)簽的貨物經(jīng)過掃描器讀碼進(jìn)行分揀，適用于電商、服裝、快遞等行業(yè)的大中型場地。交叉帶分揀機(jī)采用傳統(tǒng)機(jī)械式設(shè)計，原理簡單，結(jié)構(gòu)比較堅固，分揀動作輕柔、準(zhǔn)確。優(yōu)點是在訂單量足夠大的時候，分揀效率最高，所以受到電商、快遞客戶青睞，成為近年來分揀設(shè)備中的主流。該應(yīng)用規(guī)劃布局（圖1）由多穿立庫、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、智能立體庫存儲系統(tǒng)

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

圖2 穿梭車

對于第三方供應(yīng)鏈云倉儲來說，SKU 數(shù)量以及出貨速度是關(guān)鍵，因此需選擇兩向穿梭車，單深貨位多穿存儲貨架（圖3）作為周轉(zhuǎn)箱存儲單元庫。兩向穿梭車是一款在貨架軌道上運(yùn)行，用于實現(xiàn)周轉(zhuǎn)箱出入庫作業(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。兩向穿梭車只有前進(jìn)和后退兩個運(yùn)行方向，相對于四向穿梭車和周轉(zhuǎn)箱堆垛機(jī)，其入庫存儲以及出庫分揀效率是最高的，行駛速度能達(dá)到4m/s，加速度2m/s2，最大載重35kg。低壓直流、超級電容供電，充電10 秒可滿足穿梭車3 分鐘使用需求,超級電容可反復(fù)充電100 萬次,消耗能量少，出入庫處理能力是堆垛機(jī)立體倉庫的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 多穿存儲貨架

多穿立庫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，層間線對接高速料箱提升機(jī)（圖4）。高速料箱提升機(jī)是可實現(xiàn)料箱多層輸送或高底落差輸送的物流自動化設(shè)備，主要運(yùn)用于多層自動生產(chǎn)裝配線或立體倉庫，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)載貨平臺可以同時輸送兩個周轉(zhuǎn)箱，每個周轉(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,出入庫效率高，結(jié)構(gòu)簡單，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，即在物流揀選過程中，人不動，貨物被自動輸送到揀選人面前，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，提升機(jī)輸送至滾筒流水線上，滾筒流水線通過移載分揀機(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)鏈云倉儲產(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)基于視覺的工業(yè)機(jī)械手對產(chǎn)品實施分揀，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)械手和視覺系統(tǒng)工作范圍內(nèi)，以便視覺定位后機(jī)械手進(jìn)行定位；視覺系統(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；視覺相機(jī)通過自身標(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)，通過算法提取物料框中被測物的3D 數(shù)據(jù)，對數(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，定位被測物3D 信息相對于機(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)械手揀選采用自動供包模式，自動供包系統(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)計科學(xué)，采用多個小車承載，分揀適應(yīng)性極強(qiáng)，性能穩(wěn)定使用方便；對分揀商品的形狀和大小沒有限制，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于相應(yīng)的物資以及貨品的形狀、標(biāo)簽朝向的要求會很高，而且機(jī)械手需要通過視覺確定抓取部位，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，所以供包效率波動幅度較大；但人工供包對前端貨物的要求較低，且不限制標(biāo)簽朝向問題，對比機(jī)械手揀選效率相對較高。

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)?，完成人工揀選操作。需要交叉帶分揀的物品經(jīng)供包輸送線自動導(dǎo)入分揀機(jī)小車，通過與整個物流系統(tǒng)的WCS 連接來進(jìn)行控制，將物品分揀（播種）至設(shè)定的出口，通過滑槽進(jìn)入對應(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庫技術(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)可以同時處理8 個訂單。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)商品的同時實現(xiàn)較高的揀選性能。波次周轉(zhuǎn)箱輸送至格口式工位，通過顯示屏向揀選人員顯示揀選數(shù)量，揀選至哪個揀選槽（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，每個槽內(nèi)放置一個播種周轉(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，播種盒立庫采用流利條滑道，播種盒的存儲沒有貨位限制，每一播種盒存儲通道排滿為止。播種盒立庫另一取貨端，另一臺周轉(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無誤后，進(jìn)行商品打包作業(yè)，從而形成包裹。在這個過程中WMS 需要分別輸入訂單號和掃描商品SKU 條碼，從上架開始后，所有設(shè)備的唯一識別指標(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現(xiàn)自動化貼面單的。

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9000件/小時，按照平均3件產(chǎn)品一個訂單，每小時的訂單產(chǎn)生量就是3000單，產(chǎn)生的快遞包裹也是3000個/小時，白天8小時是2.4萬單，考慮到夜間單量很少，估算5000單；一套自動化系統(tǒng)每天的單量是2.9萬單，不需要通過自動化設(shè)備播種的產(chǎn)品預(yù)估每天5000單，如單品件等，合計每天總單量3.4萬單。

一臺機(jī)械手的揀貨效率是1000件/小時，人工揀貨效率是2000件/小時，設(shè)置2臺機(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10000件/小時，能夠滿足交叉帶分揀機(jī)的9000件/小時需求量。

播種盒存儲立庫主要是為夜班無人作業(yè)時暫存播種盒使用的，貨位建設(shè)6000個。不需要通過自動化設(shè)備播種的產(chǎn)品不通過立庫和分揀設(shè)備，也不占用設(shè)備流量。多穿立庫是按照波次下發(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個箱子經(jīng)過多穿小車和提升機(jī)輸送至揀選工位。提升機(jī)最大揀貨效率是600c/h，布置三臺雙貨位提升機(jī)（每臺設(shè)有入庫和出庫），立體庫設(shè)三個多穿小車巷道，立庫高度9米，長度60米，存儲位設(shè)置17層，立體庫周轉(zhuǎn)箱貨位預(yù)計9000個。

六、總結(jié)

自動化系統(tǒng)最終目的是實現(xiàn)無人化，但這需要漫長的過程，而依靠現(xiàn)有技術(shù)，部分環(huán)節(jié)是可以實現(xiàn)無人自動化的。系統(tǒng)夜間自動下發(fā)訂單給多穿小車，對周轉(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，滑入對應(yīng)的播種盒，因為夜間無人進(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立庫，等到白天操作人員開工后，將存儲立庫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。播種盒里面是每個快遞單所包括的產(chǎn)品，人員對產(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。