智能分拣系统在电商仓储行业的应用「仓储分拣」
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文｜力鼎智能装备（青岛）集团有限公司
全兴科
摘 要：本文主要阐述立体库储存系统将产品运输至机器人分拣（播种）和交叉带分拣的货到人控制技术的实现，并将播种盒暂存的自动化系统技术的设计与应用。该应用基于第三方供应链云仓储业务环境对智能设备的设计，使得不同自动化设备在整体系统作业中，在满足不同产品的自动化需求，提高发货效率和订单准确率，减少操作人员数量等方面起到帮助。
关键词：立体库仓储、交叉带分拣机、机械手
一、前言近几年来对输送分拣系统需求增幅最大的无疑是物流快递行业，中国的物流配送时效已经从以天为单位，向以小时和分钟为单位迈进，要高效地处理如此大的物流量，离不开智能技术。用自动化的快速分拣技术取代大量的人工分拣，不仅降低了人力成本，同时还大幅提高了分拣作业的效率与准确率，电商包裹配送的多品种、小批量、高频次特征，是推动自动分拣系统市场需求快速增长的基础。对立体仓库、分拣系统以及设备系统集成需求旺盛，物流装备系统化、自动化、智能化、产品产业化趋势明显，大型、高端物流系统主要包括存储系统、输送系统、分拣系统、软件控制系统，各个系统又由具体的设备或软件集成，彼此之间相互联系、紧密配合最终完成物料搬运和准确投递。
物流智能装备技术是物流自动化的核心，物流装备产业链包括上游的系统集成和研发设计，中游的硬件设备，以及下游的现场实施与物流服务。自动化输送分拣技术主要分为两大流派，一个是以输送线、分拣机构成的传统自动化分拣系统。而另一个流派就是自KIVA机器人开始兴起的AGV分拣系统。每种设备和技术都有其最适用的领域，针对自动化分拣系统可处理货物的重量，简单划分了不同类型设备的应用范围。交叉带分拣系统和AGV分拣系统是近两年市场应用非常火热的自动化物流装备。
本文主要围绕交叉带分拣机而设计的自动化分拣系统进行分析，交叉带分拣机是利用直线动力驱动的小车队沿着环形轨道高速运动，将贴有标签的货物经过扫描器读码进行分拣，适用于电商、服装、快递等行业的大中型场地。交叉带分拣机采用传统机械式设计，原理简单，结构比较坚固，分拣动作轻柔、准确。优点是在订单量足够大的时候，分拣效率最高，所以受到电商、快递客户青睐，成为近年来分拣设备中的主流。该应用规划布局（图1）由多穿立库、交叉带分拣机、机械手拣货位、人工拣货位、格口拣货位、播种盒存储区、复核包装线几部分组成。
二、智能立体库存储系统物流自动化指将条形码、射频识别、传感器、GPS 等技术运用于物流业各个过程中，实现物流自动化运作，提高服务水平，降低成本。自动化立体库具有存储容量大、自动存取货品、作业速度快、处理水平高等优势，自动化仓储系统利用计算机和软件系统，对仓库操作人员在客户端输入的物品信息进行处理，实现信息资源的共享。穿梭车是一种智能机器人，通过系统控制实现取货、运送、放置等任务，与上位机进行通讯，实现自动化存取等功能；穿梭车式立体库系统将传统立体库加上高精度导轨，可以让穿梭车（图2）在上面平稳运行，从而极大地提高仓储空间利用率。
对于第三方供应链云仓储来说，SKU数量以及出货速度是关键，因此需选择两向穿梭车，单深货位多穿存储货架（图3）作为周转箱存储单元库。两向穿梭车是一款在货架轨道上运行，用于实现周转箱出入库作业的智能搬运设备；其拥有轻质的铝制结构及精密的伸缩式拨指货物抓取器，具备高速、高效、空间紧凑的优势。两向穿梭车只有前进和后退两个运行方向，相对于四向穿梭车和周转箱堆垛机，其入库存储以及出库分拣效率是最高的，行驶速度能达到4m/s，加速度2m/s2，最大载重35kg。低压直流、超级电容供电，充电10秒可满足穿梭车3分钟使用需求,超级电容可反复充电100万次,消耗能量少，出入库处理能力是堆垛机立体仓库的3～4倍，在相同处理量的情况下需要的巷道更少，减少使用空间和占地面积。
多穿立库的大致流程为穿梭车运送周转箱至层间线，层间线由多层相同的滚筒输送线组成，负责接收来自穿梭车的周转箱，也负责输送周转箱至穿梭车上，层间线对接高速料箱提升机（图4）。高速料箱提升机是可实现料箱多层输送或高底落差输送的物流自动化设备，主要运用于多层自动生产装配线或立体仓库，进行货品的往复式输送，该系统布置双货位，提升机载货平台可以同时输送两个周转箱，每个周转箱可接收或输送至任意的层间，运行速度快，最大速度5m/s，最大加速度3m/s2,出入库效率高，结构简单，故障率低，噪声低，便于安装维护。
三、分拣系统货到人拣选，即在物流拣选过程中，人不动，货物被自动输送到拣选人面前，供人拣选，货到人拣选是物流配送中心一种重要的拣选方式。订单结构是WMS软件经过特定规则方式组合的相同类型的一组产品，也就是波次订单，将一组或者几组波次订单产品的周转箱通过WCS软件下发，然后穿梭车根据下发的指令将周转箱提取出库，提升机输送至滚筒流水线上，滚筒流水线通过移载分拣机将不同订单的产品分配到不同的道口，这就是波次订单货到人系统。
第三方供应链云仓储产品数量和规格多样，包括服装、化妆品、3C产品、食品、洗护类、玩具、家居用品、快消品、日用品等众多品类，机械手拣货对产品的要求有一定限制，因此拣货位设置机械手拣货和人工拣货工位，部分人工拣货位可弥补机械手拣货的不足。
分拣机械手(图5)是一种应用范围非常广且技术附加值很高的数字控制装备，该系统基于视觉的工业机械手对产品实施分拣，主要包括基于多轴机械手的分拣抓取子系统和图像获取分析子系统。被分配至分拣机械手拣选位的波次周转箱，停留在机械手和视觉系统工作范围内，以便视觉定位后机械手进行定位；视觉系统和机械手之间进行手眼标定，得到坐标与机械手基座之间的转换关系；视觉相机通过自身标定后，得到与世界坐标系之间的关系等标定数据，通过算法提取物料框中被测物的3D数据，对数据进行处理，提取物体的3D信息。
基于手眼标定的结果，定位被测物3D信息相对于机械手基座的3D位姿，并以固有的通信方式告知机械手被测物体位置信息；根据处理的结果，将上述信息传递给机械手控制器，完成对机械手的关节控制，进而抓取（吸取）波次周转箱里面的产品，并放置在交叉带分拣机供包输送带上面，完成分拣操作。
交叉带分拣机（图6）主要由控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口四大部分组成。机械手拣选采用自动供包模式，自动供包系统由三段组成，分别为导入段、加速段和供包段。交叉带分拣机满足多行业的高效率分拣配送需求，其结构设计科学，采用多个小车承载，分拣适应性极强，性能稳定使用方便；对分拣商品的形状和大小没有限制，采用皮带小车承载，除了易碎产品，基本都能进行分拣。但机械手抓取和供包输送线对于相应的物资以及货品的形状、标签朝向的要求会很高，而且机械手需要通过视觉确定抓取部位，拣选效率不是很高。
人工拣选采用人工供包，由前端工作人员将产品扫码后直接放入小车上面，进行供包投放工作；由于人员数量及操作熟练度各不相同，所以供包效率波动幅度较大；但人工供包对前端货物的要求较低，且不限制标签朝向问题，对比机械手拣选效率相对较高。
被分配至人工拣货工位的波次周转箱，人员根据显示器提示的拣选信息，把周转箱里的产品拣放到交叉带分拣机小车里，完成人工拣选操作。需要交叉带分拣的物品经供包输送线自动导入分拣机小车，通过与整个物流系统的WCS连接来进行控制，将物品分拣（播种）至设定的出口，通过滑槽进入对应的播种盒；订单完成的播种盒流入输送线，然后补充空的播种盒至滑槽口。
除了拣到交叉带分拣设备的产品外，另外设置了部分格口式拣选工位，处理部分不能用于交叉带分拣机分拣的产品，这些产品需要人工播种。拣选工作站是人与仓库技术之间的纽带，格口式拣选符合人体工学理念，可快速、安全地拣选物品，系统可以同时处理8个订单。拣选工作站适用于拣选所有类型的物品，包括易碎和体积稍大的物品，在最大化保护商品的同时实现较高的拣选性能。波次周转箱输送至格口式工位，通过显示屏向拣选人员显示拣选数量，拣选至哪个拣选槽（格口设置为8格），拣选人员拣出物品并将其放入相应的槽中，每个槽内放置一个播种周转箱。一旦订单完成，电子标签系统完成交付，将完成的播种周转箱从拣选槽取出，放入空的周转箱。
四、复核包装单元经过交叉带分拣机分拣（播种）完成的订单产品，存放在播种盒（塑料周转箱）里。播种盒经流水线输送至周转箱高速堆垛机取货位置，周转箱高速堆垛机将播种盒分配至播种盒立库，播种盒立库采用流利条滑道，播种盒的存储没有货位限制，每一播种盒存储通道排满为止。播种盒立库另一取货端，另一台周转箱高速堆垛机将播种盒按照通道顺序将播种盒周转箱取出放在输送线上，输送线运输至复核包装工位。
所有拣货完成的播种盒输送至复核包装工位（如图7），工序包括：订单复核、商品打包、张贴面单等；订单复核包括订单信息复核、商品复核，商品及订单信息核实无误后，进行商品打包作业，从而形成包裹。在这个过程中WMS需要分别输入订单号和扫描商品SKU条码，从上架开始后，所有设备的唯一识别指标就是商品的SKU条码。
包装是在专门打包台上进行的，包装工作是根据不同的产品，采用不同的包装方式，比如衣服类，需要衣服专用包装袋和专用包装盒；化妆品类需要放置填充物，防止产品破损和磨损；玻璃类需要气泡柱袋整体包裹；还有的产品使用的纸箱带有产品logo，不能混用，因此包装环节是很复杂繁琐的人工操作工序。张贴面单就是把不同快递公司的快递单贴在包裹上面，现在大部分包裹是可以实现自动化贴面单的。
五、系统定单量分析交叉带分拣机由于需要人工向小车上面放置物品，分拣效率设计9000件/小时，按照平均3件产品一个订单，每小时的订单产生量就是3000单，产生的快递包裹也是3000个/小时，白天8小时是2.4万单，考虑到夜间单量很少，估算5000单；一套自动化系统每天的单量是2.9万单，不需要通过自动化设备播种的产品预估每天5000单，如单品件等，合计每天总单量3.4万单。
一台机械手的拣货效率是1000件/小时，人工拣货效率是2000件/小时，设置2台机械手拣货位完成夜间单量，设置2处人工拣货位，2处格口拣货位，合计10000件/小时，能够满足交叉带分拣机的9000件/小时需求量。
播种盒存储立库主要是为夜班无人作业时暂存播种盒使用的，货位建设6000个。不需要通过自动化设备播种的产品不通过立库和分拣设备，也不占用设备流量。多穿立库是按照波次下发订单结构提取周转箱产品，9000件产品预估需要1500个箱子经过多穿小车和提升机输送至拣选工位。提升机最大拣货效率是600c/h，布置三台双货位提升机（每台设有入库和出库），立体库设三个多穿小车巷道，立库高度9米，长度60米，存储位设置17层，立体库周转箱货位预计9000个。
六、总结自动化系统最终目的是实现无人化，但这需要漫长的过程，而依靠现有技术，部分环节是可以实现无人自动化的。系统夜间自动下发订单给多穿小车，对周转箱进行提取，输送至机械手拣货位，机械手按照指令的要求将周转箱内的产品拣放至交叉带分拣机供包输送带上面，输送带将产品输送至小车上，交叉带分拣机按照指令将产品运送至设定的分拣道口滑槽，滑入对应的播种盒，因为夜间无人进行复核包装，所以交叉带分拣机播种完成的播种盒输送至播种盒存储立库，等到白天操作人员开工后，将存储立库的播种盒提取输送至人工打包工位进行操作。
系统白天的订单按照结构分配至机械手和人工工位，不需要存储播种盒，所以播种完成的播种盒直接输送至复核包装工位。播种盒里面是每个快递单所包括的产品，人员对产品进行复核包装装箱。包裹粘贴快递面单后就是快递件，最终的快递件的数量就是发货单量。
