自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)庫三維虛擬仿真規(guī)劃與設(shè)計(jì)

張?jiān)迄i

（陜西學(xué)前師范學(xué)院，陜西 西安 710100）

本課題源于對(duì)S公司的倉儲(chǔ)系統(tǒng)產(chǎn)生問題的研究，根據(jù)實(shí)地考察之后提出了設(shè)計(jì)方案，其中包括了自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)模擬中一些關(guān)鍵技術(shù)，包含初期的倉庫設(shè)計(jì)、三維仿真建模、材質(zhì)、中期的模擬動(dòng)畫和后期的渲染等等。

近幾年，國(guó)內(nèi)物流行業(yè)發(fā)展十分迅猛，物流行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模已位居世界第一，整體可見，我國(guó)物流行業(yè)運(yùn)行效率提高不少，但還有許多企業(yè)的倉儲(chǔ)系統(tǒng)像S公司倉儲(chǔ)系統(tǒng)一樣有著一些問題沒有得到優(yōu)化。設(shè)計(jì)層面，傳統(tǒng)方式前期設(shè)計(jì)緩慢，而且由于公司不能直觀地看出設(shè)計(jì)的最終效果，導(dǎo)致最后的交工時(shí)不滿意的問題，后期要更改設(shè)計(jì)困難更是極其困難。運(yùn)輸層面上，還要采用人工搬運(yùn)的方式，這些不但造成了人力成本的浪費(fèi)也使得物流效率低下，嚴(yán)重阻礙了公司的進(jìn)一步發(fā)展。

一、研究目的及實(shí)施方案

（一）研究目的

倉儲(chǔ)前期的設(shè)計(jì)以及建設(shè)和后續(xù)管理問題層出不窮，研究目的也是為了解決公司的倉儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題以及人力投入大，效率卻偏低的現(xiàn)象，使物流系統(tǒng)更加合理，降低出錯(cuò)率提高企業(yè)的生產(chǎn)率。

（二）自動(dòng)化立體倉庫

為了解決對(duì)于以上的問題，本文采取了自動(dòng)化立體倉庫的設(shè)計(jì)方案。自動(dòng)立體倉庫可以完美的解決S公司以前傳統(tǒng)方式導(dǎo)致的一系列問題，其主要是由工業(yè)結(jié)晶大型機(jī)器和電子信息技術(shù)融合，通過計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令進(jìn)行存放，分類，出貨等一系列技術(shù)手段來完成無人操作的工作流程，更加規(guī)范化，有效地減少了人力付出，企業(yè)也有效減少了人力成本。其主要組成部分由高層貨架和堆垛機(jī)以及傳輸系統(tǒng)組成。隨著自動(dòng)化技術(shù)的迭代，土地成本的大大增加，倉儲(chǔ)行業(yè)的快速發(fā)展，自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)也成為了未來倉儲(chǔ)行業(yè)的發(fā)展方向。

（三）自動(dòng)化立體倉庫基本架構(gòu)

1.貨架

貨架是倉庫的重要組成部分，用來承載貨物。如今有各式各樣的貨架，貨架的架構(gòu)的好壞和實(shí)現(xiàn)倉庫機(jī)械化和自動(dòng)化有著密不可分的聯(lián)系，各個(gè)公司需要根據(jù)自己公司的情況來選擇最合適的貨架。鋼材一般作為首選，承載能力強(qiáng)，穩(wěn)定。這次設(shè)計(jì)采用的兩種貨架都屬于固定型擱板式貨架。

2.托盤

托盤的作用在自動(dòng)化倉庫運(yùn)轉(zhuǎn)之中也尤為重要，主要作用被用來運(yùn)輸更多的貨物，其材料也有很多種類例如：塑料，木制，鋼制，運(yùn)用最多的還是木制。好的托盤損耗成本可以減少許多，也很好地提高了整體的效率。

3.叉車

叉車在工業(yè)領(lǐng)域叉車的運(yùn)用極其廣泛，無論是工地，倉庫，大量的貨物搬運(yùn)工作都能看見叉車的影子。在整個(gè)自動(dòng)化倉儲(chǔ)體系中，叉車作為運(yùn)輸途中的搬運(yùn)工，不同叉車的不同特性也造成了叉車種類的細(xì)分，例如：托盤叉車，托盤叉車有電動(dòng)托盤叉車手動(dòng)托盤叉車兩種，一般稱重在兩噸左右，由于沒有設(shè)置起升門架，導(dǎo)致托盤式叉車僅僅在平面搬運(yùn)上得到了廣泛應(yīng)用。平衡式叉車，平衡式叉車在可謂是運(yùn)用最廣泛的叉車類型之一，主要特點(diǎn)是在叉車的尾部裝平衡重，其主要是為了克服貨物產(chǎn)生的傾覆力矩，裝有充氣輪胎的平衡叉車，運(yùn)行速度相對(duì)較快且具有一定的爬坡能力。其作用是裝卸，堆垛和搬運(yùn)成件貨物。

4.貨物輸送——傳送帶

傳送帶是自動(dòng)化倉儲(chǔ)的核心之一，在當(dāng)下的工業(yè)領(lǐng)域，傳送帶受到了廣泛運(yùn)用，在一些新技術(shù)和惡劣的應(yīng)用場(chǎng)景下傳送帶的應(yīng)用越來越多，其成本低，可運(yùn)輸貨物種類多的特點(diǎn)也是他最重要特點(diǎn)之一。傳送帶可以大大減少人力，更好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化流程。各類傳送系統(tǒng)在食品，紡織，物流建材等行業(yè)都受到了廣泛的運(yùn)用。

5.堆垛機(jī)

堆垛機(jī)是自動(dòng)化的核心之一，自動(dòng)化倉儲(chǔ)的關(guān)鍵標(biāo)志。其作用主要是運(yùn)輸成批貨物。他的好壞決定了倉庫的吞吐速度和效率，堆垛機(jī)的種類主要分為兩早期的門橋式堆垛機(jī)和現(xiàn)在的巷道式堆垛機(jī)。其效率高，運(yùn)行速度快，其自身尺寸小可穿梭在狹小的通道中完成高層貨架作業(yè)，完美地提高了倉庫的利用率，此機(jī)器的自動(dòng)化程度極高，無需人工參與操作可自動(dòng)完成。

6.穿梭機(jī)

穿梭機(jī)在自動(dòng)化傳輸環(huán)節(jié)起到了非常大的作用。通過計(jì)算機(jī)控制將貨物分類放置到指定位置，速度快效率高，無需人工操作，高度智能化，提高了倉庫傳輸整體的效率，減少了時(shí)間成本。

（四）自動(dòng)化倉庫設(shè)計(jì)

1.總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)總體采用分離式架構(gòu)，倉庫貨架和倉庫沒有緊密的關(guān)系，存儲(chǔ)區(qū)庫房設(shè)計(jì)分為兩層，一層主要是存儲(chǔ)大量成件貨物。二層則負(fù)責(zé)小型貨物的存儲(chǔ)。傳輸環(huán)節(jié)采用了穿梭機(jī)，和門式起重機(jī)，傳送帶等，傳送帶的出口頭設(shè)有貨物暫存區(qū)，等待人為裝車出貨。

2.一層設(shè)計(jì)

一層采用隔板式重型高位貨架，這類貨架由鋼制成，穩(wěn)固，防腐，單層承重可達(dá)500千克，高度大概在五米，一個(gè)貨架分有五層，一層共設(shè)有50個(gè)高位貨架，總?cè)萘孔阋酝瑫r(shí)存放125噸貨物。貨架與貨架中間放有堆垛機(jī)，總共設(shè)置25臺(tái)堆垛機(jī)，用于將貨物存放至指定位置或者從指定位置取出放置地面。一層?xùn)|西南北各設(shè)有兩臺(tái)穿梭機(jī)，多線程的活動(dòng)加快了出庫的效率。倉庫四周圍繞傳送帶，這樣的設(shè)計(jì)使在任何一個(gè)地方都可以較快的傳輸至出口貨物暫存區(qū)。

一層進(jìn)貨流程：叉車將堆垛好的貨物放至相應(yīng)區(qū)域堆垛機(jī)，堆垛機(jī)接收到信息將貨物放置空余位置，完成入庫。

一層出貨流程：堆垛機(jī)通過獲取計(jì)算機(jī)信息，在指定隔間中將貨物取出放至地面，再經(jīng)穿梭機(jī)來進(jìn)行轉(zhuǎn)送至傳送帶傳至貨物暫存區(qū)進(jìn)行人工裝運(yùn)。

3.二層設(shè)計(jì)

二層采用閣樓式設(shè)計(jì)，在已有的一層貨架基礎(chǔ)上設(shè)置了隔層，加大了可利用空間，南側(cè)設(shè)置一塊暫存平臺(tái)。二層閣樓劃分為四大分區(qū)，A區(qū)B區(qū)C區(qū)D區(qū)，用于存放不同種類貨物，每個(gè)區(qū)域放置20個(gè)隔板式低位貨架，共計(jì)80個(gè)，二層存放多品種小批量貨物，設(shè)有兩天傳送動(dòng)線，內(nèi)側(cè)用于人工分揀將貨物進(jìn)行分類擺放到相應(yīng)位置。外側(cè)傳送帶作為一二層的傳送帶的橋梁，鏈接一二層傳送帶進(jìn)行出貨。

二層進(jìn)貨流程：首先，通過揀貨叉車將托盤貨物放置二樓暫存平臺(tái)，經(jīng)過人工揀選放置傳送帶，通過人工揀選放置指定分區(qū)進(jìn)行入庫。

二層出貨流程：工人按照訂單信息進(jìn)行分揀放置二層外側(cè)傳送帶，傳下一層至出口貨物暫存區(qū)。

二、三維模擬仿真

（一）三位模擬仿真概述

設(shè)計(jì)方案的具體實(shí)現(xiàn)，采用了三維模擬仿真技術(shù)。三維仿真是對(duì)現(xiàn)實(shí)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬復(fù)現(xiàn)，仿真技術(shù)其意義對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì)極其重大，它的采用大大地縮短了立體倉庫設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)周期，其交互性的特點(diǎn)更加直觀地看出最終效果，使得設(shè)計(jì)方案更容易理解。虛擬性的特點(diǎn)也使一些環(huán)節(jié)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，完全可以實(shí)時(shí)進(jìn)行修改。不會(huì)再有以前傳統(tǒng)方式導(dǎo)致的一些問題，你可以發(fā)揮自己全部的設(shè)計(jì)能力。通過計(jì)算機(jī)模擬你可以獲得一些數(shù)據(jù)，實(shí)際施工根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行參考，將最終設(shè)計(jì)的質(zhì)量提升了一個(gè)新的高度。

仿真模擬技術(shù)主要是通過現(xiàn)有的一些技術(shù)手段和三維軟件進(jìn)行模擬，例如CAD ,AutoDesk Maya，AutoDesk 3Dsmax等軟件進(jìn)行模擬仿真運(yùn)行，以及之后的Adobe Premiere動(dòng)畫導(dǎo)出。

（二）三維場(chǎng)景搭建

1.CAD設(shè)計(jì)

首先通過CAD輔助設(shè)計(jì)軟件做出精細(xì)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，劃分好一層二層貨架擺放，倉庫周邊工業(yè)設(shè)備的布局以及傳送帶的路線規(guī)劃，根據(jù)設(shè)計(jì)好的CAD圖紙，利用3Dsmax進(jìn)行三維仿真。

2.場(chǎng)景資源制作

3Dsmax這是一款基于Pc客戶端功能極強(qiáng)的三維建模軟件，主要運(yùn)用在室內(nèi)設(shè)計(jì)和游戲行業(yè)等。主要在3Dsmax中通過創(chuàng)建基本體，對(duì)于點(diǎn)線面的平移，縮放，旋轉(zhuǎn)，插入循環(huán)邊，倒角，焊接點(diǎn)，橋接等命令對(duì)托盤，貨架，叉車，貨物，堆垛機(jī)，穿梭機(jī)等所需的模型資產(chǎn)進(jìn)行制作擺放。

3.模型材質(zhì)制作

將制作好的模型導(dǎo)入到Maya中進(jìn)行材質(zhì)和動(dòng)畫的制作。Maya的材質(zhì)系統(tǒng)也是工業(yè)界的運(yùn)用廣泛的一個(gè)模塊之一，材質(zhì)系統(tǒng)的好壞決定了整個(gè)最后的效果，為了使最終出來的效果更加美觀且具有真實(shí)性，材質(zhì)則由基礎(chǔ)顏色貼圖，漫反射貼圖，法線貼圖，高光貼圖等貼圖組成，還要考慮，糙程度，金屬度，光照等參數(shù)。首先將材質(zhì)所需要的基礎(chǔ)顏色貼圖，漫反射貼圖，和法線貼圖屬性連接到輸出節(jié)點(diǎn)上，并添加變量節(jié)點(diǎn)對(duì)于粗糙度，金屬度進(jìn)行調(diào)節(jié)，粗糙度調(diào)的小，使物體表面較為光滑，金屬度是一個(gè)從零到一的參數(shù)，越靠近一金屬感越強(qiáng)，越接近零越像塑料材質(zhì)，本文調(diào)至0.7使其高光有個(gè)較好的展現(xiàn)，更貼近于金屬材質(zhì)。

4.動(dòng)畫制作

下一步進(jìn)入到動(dòng)畫階段，通過對(duì)于物體的平移，旋轉(zhuǎn)，打組等操作對(duì)于自動(dòng)化立體倉庫出庫，入庫等的工作流程動(dòng)畫的一幀一幀制作，以動(dòng)畫的形式來更好地展現(xiàn)倉庫的布局劃分和工作流程給公司。

5.渲染

接下來，渲染采用了業(yè)界流行的Arnold渲染器，是一款集成在Maya軟件中的CPU渲染器，其優(yōu)點(diǎn)明顯，相對(duì)于GPU渲染出的視頻更加精細(xì)。本文選擇加入Arnold光照模塊下的Skylight，使渲染時(shí)有一個(gè)更好的光照效果，為了使渲染出的動(dòng)畫更加清晰美觀，本文采用了更高的分辨率以及更高的采樣率。

6.導(dǎo)出

最后將動(dòng)畫導(dǎo)出的序列幀導(dǎo)入Adobe Premiere視頻剪輯軟件進(jìn)行序列幀動(dòng)畫合成，進(jìn)行細(xì)致的剪輯后采用了H.264視頻解碼器標(biāo)準(zhǔn)在文件大小相對(duì)較小的情況下高質(zhì)量的導(dǎo)出動(dòng)畫。

三、總結(jié)

時(shí)至今日，自動(dòng)化倉儲(chǔ)的運(yùn)用，已經(jīng)受到了業(yè)界的認(rèn)可，近些年的工業(yè)自動(dòng)化程度也越來越高，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，建成之后的不可逆性，體現(xiàn)出了模擬仿真的重要作用。如今仿真模擬已經(jīng)成了工業(yè)設(shè)計(jì)流水線上的一環(huán)，模擬仿真大大加快了工業(yè)自動(dòng)化的進(jìn)程，也使得我國(guó)在工業(yè)上穩(wěn)居寶座，相信自動(dòng)化倉庫以后會(huì)越來越先進(jìn)、完美。相信模擬仿真也不會(huì)止步于工業(yè)界，也會(huì)在別的行業(yè)發(fā)光發(fā)熱，使各個(gè)行業(yè)高速發(fā)展。