在溫州菸草異地重建的新配送中心裡，引入適應多批次分揀模式的物流體系成為關鍵，其中直角座標機器人儲分一體系統的創新應用是該項目的最大亮點。
菸草商業配送中心的主要功能是接收菸草工業企業生產的捲菸，通過倉儲、分揀、配送等物流環節，將零售商戶的訂貨捲菸送至門店，完成商業交易最後的貨物交接。近十年來，菸草商業企業不斷引入自動化物流設備，來提高物流效率與服務質量。
為了順應時代發展，提高對零售商戶的服務水平，建立一個以滿足客戶即時響應為服務目標的客戶分類體系，並配置相應的物流系統，成為浙江省菸草公司溫州市公司（簡稱“溫州菸草”）面對的重要課題。在溫州菸草異地重建的新配送中心裡，引入適應多批次分揀模式的物流體系成為關鍵，其中直角座標機器人儲分一體系統的創新應用是該項目的最大亮點。
一、配送中心概況
溫州菸草新建的捲菸配送中心位於溫州市經濟開發區，佔地80畝，建築面積近50000平方米，投產後承擔全市約5萬個客戶捲菸分揀、配送工作任務。配送中心每日需處理35.8萬條捲菸，和近1萬個客戶發生交易，日處理規格數約為180個，其中常規煙規格數為120個左右，異型煙規格數約60個。整體客戶送貨響應採用T+2模式，即單日訂單，次日分揀，隔日送貨的模式。
溫州菸草配送中心在物流系統規劃建設過程中大量採用了自動化設備，如，入庫採用多關節機器人，倉儲採用巷道式堆垛機，備貨採用直角座標機器人技術，分揀採用菸草專用半自動分揀設備，包裝採用菸草專用PE膜包裝機。
上述自動化設備大幅提高了捲菸分揀、配送效率，降低了送貨差錯率和殘損率，奠定了配送中心為客戶提供優質物流服務的技術基礎。
值得一提的是，該配送中心為了提升客戶體驗，實施了創新的直角座標機器人儲分一體系統，並取得了良好效果。
二、優化升級物流系統
（一）傳統菸草商業物流系統存在的問題
由於菸草商業企業的行業壟斷地位，傳統上對客戶的物流屬性分類一般只考慮兩個因素。一是客戶的地域因素，即所屬送貨線路和送貨車輛；二是送貨日，即一週中哪一天送貨。而分揀作為送貨的上游環節，為了發揮規模效應，減少流程風險，一般採用單批次分揀模式和T+2的響應模式。
但隨著電子商務和新零售等新業態的發展，以及菸草行業物流降本增效的內生性需求，T+2的送貨響應模式無法適應菸草行業物流的發展需要，主要存在以下幾個問題。
一是客戶體驗問題。隨著天貓、京東等電商及其配套物流體系的快速發展，在江浙滬地區，上午下單、下午到貨的高效配送方式相當普及。相對於電商物流，一直作為中國現代物流先行者的菸草物流，目前已經處於落後地位，這一狀況亟待改變。
二是客戶資金佔壓問題。菸草商業企業一般採用先付款後發貨的交易模式。溫州地區一個煙包（25條捲菸）價值約4000元，大客戶訂20至30個煙包，每筆交易多達10多萬元，而客戶最快也要2天后拿到貨物，最慢4天（週四分揀的客戶）後拿到貨物。對客戶來說，資金無法達到有效利用。
三是送貨成本問題。採用“一刀切”的物流模式，部分零散小客戶往往只需1個月或者半個月訂一次貨即可滿足銷售，菸草商業物流也要一週送一次貨，大量消耗了送貨資源，增加了物流成本。
四是業務拓展問題。當前物流模式無法及時響應工地用煙、漁民用煙、婚慶用煙等臨時性的用煙需求，使溫州菸草的業務無法得到有效擴展，被市場大戶擠壓了市場份額。
因此，建立一個以滿足客戶即時響應為服務目標的物流客戶分類體系，並配置相應的物流系統，已經成為擺在溫州菸草面前的重要課題。而分揀系統作為送貨服務最重要的前置環節，對不同類別目標客戶群形成不同批次的分揀任務是硬件基礎，也是提高客戶響應的起點。但是目前菸草行業分揀系統的備貨環節一般都只支持單批次分揀，即在一個訂單批次完成之前，無法進行下一個訂單批次並即時備貨，備貨週期一般長達40分鐘至1小時，無疑是整個業務體系中最大的瓶頸。
（二）原因分析
菸草商業物流一般採用多關節機器人+重力式貨架的方式進行備貨，該方式存在以下三個問題。
1.備貨環節組態過多
菸草商業物流捲菸商品一般具有5個組態方式，即托盤態、件煙態、條煙態、盒煙態和煙包態，參見表1。
多關節機器人+重力式貨架的備貨方式，需要將托盤態捲菸出庫，全部拆盤進入重力式貨架，所有品規完成拆盤後，件煙按訂單排序進入分揀系統。需要經過托盤至件煙（30件集合）再到件煙排序兩次組態。一個環節進行兩次物流串行組態略顯冗餘。
2.備貨節奏不匹配
在設備選型過程中，一般按補貨能力來配置機器人數量。以溫州捲菸配送中心為例：分揀產能設計為80000條/小時（1600件/小時），一般配置2臺800件/小時的關節機器人進行拆盤。上下游效率基本匹配，但規格數不匹配導致整體節奏不匹配。如關節機器人拆1托盤30件A品規捲菸，而分揀實際需求可能是10件A品規，5件B品規，15個其他品規各1件。
3.控制系統緊耦合
物流系統供應商一般將備貨系統作為分揀系統的一個模塊，為保障分揀系統的穩定性，在電控系統和信息系統設計上進行強關聯，導致件煙ID在多個批次之間出現衝突，無法在當前批次完成之前導入下個訂單批次。極端情況下，如果多條分揀線中有一條出現故障，所有業務將在故障排除並完成生產後方可操作。
當前物流系統設計等技術條件制約，導致菸草商業企業雖然擁有強大的物流資源，卻無法為下游送貨提供多層次的客戶服務。這就需要在整體物流規劃前期設計全新的備貨流程，實現儲分一體，並採用新型的自動化設備彌補現有硬件設備的不足。經過分析對比，直角座標機器人儲分一體系統成為溫州菸草新配送中心的最優選擇。
（三）解決方案
所謂儲分一體系統，是將備貨系統視為倉儲系統的一個特殊模塊，使其既可以實現倉儲功能，同時具備高效的備貨補貨功能。近幾年，菸草行業中逐步出現了直角座標機器人、多層穿梭車、件煙密集庫+穿梭板等一系列的儲分一體技術。其中，直角座標機器人的處理單元為托盤態，適合大平面、高空間、物流體量大的配送中心；多層穿梭車和件煙密集庫的儲存單元為件煙態，即，在入庫時就拆成件煙態來支撐分揀業務，比較適合物流體量較小的配送中心和原地技改項目。
而溫州捲菸配送中心體量較大，新中心建設採用異地技改方式，因此採用了直角座標機器人為備貨主技術路線。
三、直角座標機器人儲分一體系統的設計
1.設備選型
通過綜合比較多關節機器人+重力式貨架，多穿和直角座標機器人三種技術方式，溫州菸草初選了全直角座標系統和直角座標系統（處理大品規）+多穿（處理小品規）兩種方案。但在綜合考慮建築結構設計、造價和異型煙發展趨勢（大量取代中小品規），最終確定了全直角座標系統的方案。
2.能力設計
根據溫州捲菸配送中心產能年銷量45萬大箱的規模，分揀產能80000條/小時（1600件/小時）的要求，備貨系統按1.5倍波動係數，備貨能力設計達到2400件/小時，共配置6臺設備分為3組，每組2臺，兩兩互備，單機能力為400件/小時。
3.工況設計
直角座標機器人是以XYZ直角座標系統為基本數學模型，以伺服電機、步進電機為驅動的單軸機械臂為基本工作單元，以滾珠絲桿、同步皮帶、齒輪齒條為常用的傳動方式所架構起來的機器人系統，可以完成在XYZ三維座標系中任意一點的到達並遵循可控的運動軌跡。其工況設計如圖6，設備主要參數見表2。
4.佈局設計
儲分一體區分為ABC三個區域。
A區：X軸行距35米，一軌雙機，和7*18道托盤密集存儲道混合應用，主要處理A類大品規捲菸，佔作業總量的40%。
B區：X軸行距25米，雙軌雙機，72個托盤位，場地具有捲菸保管條件，支持小A類和小C捲菸，尤其適應單托盤捲菸長期無法使用完的業務場景，佔作業總量的30%。
C區：X軸行距52米，超長行距，一軌雙機，72個托盤位，支持小B類和小A類捲菸，佔作業總量的30%。
三個區域總計270個托盤位，實時緩存量按50%托盤滿載率計算，約20萬條捲菸，支持配送中心0.5天作業需求，目前是行業內最大的直角座標儲分一體系統。
5. 信息與控制系統設計
採用倉儲和儲分一體化設計方式，將3個拆盤區作為WMS系統的庫區進行管理，和分揀系統徹底剝離，信息與控制系統總體架構如圖8。
四、應用效果、難點及場景推廣
1.應用效果
系統於2018年4月9日投入試運行，採用B區支持1#分揀線的現場實測模式，實測數據如下。
（1）最遠端件煙傳輸至分揀線完成開箱4min，符合設計指標；
（2）50件捲菸首次到達開箱機前端15min，符合設計指標；
（3）批次切換時間10min，數據在上批次分揀完成前完成優化並同步下煙。
（4）平均拆盤節拍10s，略低於設計指標，機械機構仍有調整空間。
應用直角座標機器人儲分一體技術，有效解決備貨系統多次串行組態的問題，大幅地縮短了備貨時間，為實現多層次的客戶服務提供了硬件基礎。
2.應用難點
（1）該系統對建築層高要求較高，庫房淨空要求達到6米以上，設備淨高5.5米以上。
（2）吸盤夾具建議採用多路小孔的吸盤設計，避免使用機械夾具，來提高運行穩定性。
（3）定位技術建議採用圖像或高速測距技術提高抓取成功率，如採用計算定位則存在較大風險。
3.應用場景推廣
（1）長跨度機器人實現小品規的自動化補貨（C區模式）。菸草行業對小品規的備貨處理一般採用人工搬運方式，在品規較多的情況下，使用直角座標機器人儲分一體模式可以有效減少用工數量。
（2）和密集托盤道組合應用支持整托盤越庫配送（A區模式）。
目前部分菸草工業公司也有采用整托盤運輸的方式，利用直角座標機器人儲分一體和密集式托盤存儲道組合，可以支持到貨捲菸直接上線分揀，支持有效控制存銷比。
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