陳鑫+仲梁維+刁麗慧

摘 要：以AutoCAD和Solidworks為平臺(tái)，建立多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)的三維模型，采用Solidworks Composer 軟件進(jìn)行模型集成，將 Solidworks等CAD軟件產(chǎn)品導(dǎo)入，經(jīng)過(guò)編輯輸出多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)的演示動(dòng)畫和高清圖片。使用渲染、虛擬裝配、運(yùn)動(dòng)仿真等功能，初步實(shí)現(xiàn)了多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)裝配工藝的可視化。實(shí)際操作證明，Solidworks Composer軟件對(duì)多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)進(jìn)行的裝配仿真，實(shí)現(xiàn)了多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)的裝配可視化效果，有利于用戶學(xué)習(xí)和檢查實(shí)際的裝配過(guò)程，加深對(duì)多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)理解。

關(guān)鍵詞：多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)；虛擬裝配

DOIDOI：10.11907/rjdk.172638

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2018）002-0158-03

0 引言

動(dòng)畫技術(shù)作為一個(gè)直觀生動(dòng)的技術(shù)應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域。工業(yè)動(dòng)畫能夠更加具體、完好、互動(dòng)地展現(xiàn)企業(yè)的產(chǎn)品。多媒體產(chǎn)品動(dòng)畫有很多優(yōu)勢(shì)，可以使用戶非常直觀地了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征及產(chǎn)品的工作原理。Solidworks Composer是一個(gè)獨(dú)特新穎的能夠進(jìn)行仿真的軟件平臺(tái)，Solidworks Composer可以讀取目前主流的CAD三維模型，可以進(jìn)行形象的仿真動(dòng)畫，演示三維裝配過(guò)程。

本文以多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)為例，使用Solidworks Composer對(duì)其進(jìn)行三維裝配仿真動(dòng)畫制作，介紹了Solidworks Composer制作三維裝配動(dòng)畫的方法和步驟。

1 Solidworks Composer平臺(tái)

Solidworks Composer改變了用戶建立虛擬模型的方法。Solidworks Composer可以使用部分文字和多功能視圖以及靈活的動(dòng)畫表達(dá)復(fù)雜的產(chǎn)品。

Solidworks Composer可使用三維建模軟件建立的文件，數(shù)據(jù)來(lái)源于3D CAD系統(tǒng)而不需要轉(zhuǎn)換格式。用戶不用進(jìn)行任何的CAD軟件相關(guān)的知識(shí)或技能培訓(xùn)，可通過(guò)短暫的學(xué)習(xí)即可使用Solidworks Composer。

Solidworks Composer可讓用戶以文檔的方式進(jìn)行增補(bǔ)，不用重復(fù)操作便可更新所有的文件資料。Solidworks Composer不用學(xué)習(xí)任何編程技巧，用戶也不用具備任何輸出固有格式的專業(yè)能力[1]。

2 多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)模型建立

采用Solidworks建立多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)的三維模型，并將建好的三維模型導(dǎo)入Solidworks Composer軟件中，如圖1所示。多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)主要由側(cè)面機(jī)架、側(cè)面機(jī)架中間橫板、多軸滑臺(tái)部分機(jī)架、滑動(dòng)軸承、伺服電缸以及頂端固定裝置等組成。

3 多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)裝配工藝

3.1 裝配工藝流程

裝配工藝規(guī)劃包括裝配單元?jiǎng)澐帧⒀b配路徑選擇以及裝配順序的確定。裝配現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)環(huán)境不能在該平臺(tái)上仿真，裝配路徑需要保證零件在裝配過(guò)程中不發(fā)生碰撞和干涉。裝配順序確定采用拆卸法，假定零件的裝配和拆卸是可逆的，通過(guò)分析確定零件的拆卸順序得到零件的裝配順序。根據(jù)“可拆卸裝配”原則，部件的裝配順序是粗箭頭流向。圖2為多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)的裝配流程。

3.2 裝配工藝可視化實(shí)現(xiàn)

裝配工藝三維可視化，是一種有別于傳統(tǒng)裝配工藝過(guò)程卡和裝配工序卡的裝配展示形式，主要功能是對(duì)裝配過(guò)程進(jìn)行三維仿真[2]。對(duì)于多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)，在裝配仿真過(guò)程中，需要結(jié)合多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)的裝配工藝，以左、右側(cè)面機(jī)架為支撐架，對(duì)多軸滑臺(tái)部分機(jī)架和伺服電缸進(jìn)行分步裝配，動(dòng)畫中不同的關(guān)鍵幀對(duì)應(yīng)相應(yīng)的裝配步驟。裝配工藝的可視化將傳統(tǒng)的CAD模型和裝配工藝信息結(jié)合起來(lái)，形成了可視化的裝配工藝系統(tǒng)，其中包括裝配工藝規(guī)劃、創(chuàng)建裝配動(dòng)畫視頻、干涉檢查、后處理等。

3.3 三維模型創(chuàng)建

Solidworks是達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systemes S.A）的子公司，主要對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的視窗產(chǎn)品進(jìn)行研發(fā)和銷售，全球發(fā)售的Solidworks軟件使用許可已達(dá)到28萬(wàn)左右。Solidworks軟件使用了Windows OLE技術(shù)、由劍橋提供的parasolid內(nèi)核技術(shù)、可視化直觀設(shè)計(jì)技術(shù)和先進(jìn)的第三方軟件集成加工技術(shù)，已經(jīng)成為全世界用戶最多、使用最方便的三維設(shè)計(jì)軟件[3]。建立多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)的模型主要使用Solidworks中的零件設(shè)計(jì)和裝配設(shè)計(jì)模塊完成。

3.3.1 零件設(shè)計(jì)

根據(jù)多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖紙，建立多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)的所有零件的三維模型。在建立三維模型之前，首先考慮建模順序。多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)主要由側(cè)面機(jī)架、側(cè)面機(jī)架中間橫板、多軸滑臺(tái)部分機(jī)架、滑動(dòng)軸承、伺服電缸、頂端固定裝置等部分組成。在Solidworks中建模步驟：①使用Solidworks中的草圖編輯功能建立各個(gè)零件的外形輪廓。②退出草圖編輯模塊，在特征設(shè)計(jì)模塊中使用各種命令如拉伸、旋轉(zhuǎn)、切除、鏡像、拔模、抽殼等，建立三維模型的實(shí)體特征。

3.3.2 裝配設(shè)計(jì)

在多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)各零件建模完成后，要將各個(gè)零件根據(jù)設(shè)計(jì)要求組裝起來(lái)，建立多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)的裝配體。使用Solidworks的裝配體模塊，將前面創(chuàng)建好的零件導(dǎo)入裝配體模塊中，使用裝配體設(shè)計(jì)中的配合功能實(shí)現(xiàn)各零件間的配合[4]。本文使用Solidworks軟件對(duì)多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)進(jìn)行零部件裝配。使用“自底而上”的裝配方法，在Solidworks零件裝配模型完成后，進(jìn)行裝配體的靜態(tài)干涉檢查，確保零部件不存在干涉。

4 模型三維仿真

4.1 裝配演示動(dòng)畫制作

打開Solidworks Composer軟件，導(dǎo)入多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)三維模型，左側(cè)窗口顯示裝配體的裝配結(jié)構(gòu)樹狀圖，可以觀察到多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)的各個(gè)零件以及結(jié)構(gòu)。在主頁(yè)界面，點(diǎn)擊動(dòng)畫按鈕，可以看到窗口下方的時(shí)間軸界面，點(diǎn)擊自動(dòng)關(guān)鍵幀，讓自動(dòng)關(guān)鍵幀處于激活狀態(tài)[5]。自動(dòng)關(guān)鍵幀模式會(huì)記錄角色所有的位置和屬性變化，這種模式使得創(chuàng)建動(dòng)畫更為簡(jiǎn)便。圖3為時(shí)間軸功能條。endprint

本次動(dòng)畫設(shè)置時(shí)間為40s，在時(shí)間軸的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)上分別設(shè)置不同關(guān)鍵幀，這樣就會(huì)形成一系列的靜態(tài)連續(xù)畫面，視覺(jué)上產(chǎn)生動(dòng)畫效果，從而達(dá)到繪制動(dòng)畫的目的。為了更直觀和主動(dòng)地看到裝配過(guò)程，本次動(dòng)畫制作還使用了視圖功能來(lái)查看和操作單次的裝配步驟。

視圖的使用對(duì)裝配動(dòng)畫是一個(gè)補(bǔ)充和完善?？梢赃x擇某一步裝配步驟進(jìn)行單次操作，也可以返回之前的步驟，從而使得動(dòng)畫更加人性化。裝配步驟的切換和視圖間的連接可通過(guò)創(chuàng)建2D文本框列舉菜單，對(duì)文本框進(jìn)行視圖鏈接。在“渲染”菜單中，可以對(duì)模型自身的顯示效果進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置，也可通過(guò)不同的燈光效果，如聚光光源、定位光源、定向光源對(duì)模型進(jìn)行不同的效果顯示[6]。

Solidworks Composer可以使用可視化效果來(lái)增加動(dòng)畫的逼真程度，可根據(jù)需要增加“淡入”或者“淡出”效果，通過(guò)適當(dāng)延長(zhǎng)熱點(diǎn)軌跡間隔時(shí)間來(lái)避免實(shí)際熱點(diǎn)效果閃動(dòng)太快。

在多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)的裝配動(dòng)畫制作完成后，即使用戶沒(méi)有Solidworks Composer軟件環(huán)境，也可以播放裝配動(dòng)畫[7]。操作方法很簡(jiǎn)單，只需要在保存文件時(shí)將文件保存為 “.avi”格式即可[8]。文件在另存為時(shí)，也可使用不同種類的壓縮方式，根據(jù)實(shí)際需求生成不同大小和清晰度的視頻文件。通常情況下，大部分用戶可通過(guò)觀看多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)的裝配動(dòng)畫進(jìn)行相應(yīng)的維系保養(yǎng)操作[9]。

4.2 高清圖片制作

打開Solidworks Composer軟件，將多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)的裝配動(dòng)畫導(dǎo)入，使用Solidworks Composer中的消隱、剖切、光影等不同的效果來(lái)制作多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)的高清圖片。在菜單欄中點(diǎn)擊“作者”，選擇“創(chuàng)建”切除面，根據(jù)出現(xiàn)的紅色箭頭選擇創(chuàng)建切除面的方向和位置。Solidworks Composer中光影效果的顯示包括模型自身的顯示效果和燈光效果，在菜單欄中選擇“渲染”，選擇不同的模型效果顯示和燈光效果顯示以改變模型的視覺(jué)效果。在菜單欄中選擇“主頁(yè)”，點(diǎn)擊高分辨率圖像即可創(chuàng)建高清圖片，隨后彈出“工作間”面板可以選擇圖片的像素、分辨率、大小[10]。圖4為多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)的縱剖視圖。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用Solidworks三維建模以及Solidworks Composer軟件對(duì)多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬裝配仿真，實(shí)現(xiàn)了多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)裝配動(dòng)畫演示。本文進(jìn)行的基于Solidworks Composer多軸滑臺(tái)斜拉機(jī)構(gòu)裝配工藝可視化研究，同樣適用于其它機(jī)械裝配工藝。

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[10] 蔡虎.基于3DVIA的虛擬裝配工藝實(shí)施方案研究[J].航空制造技術(shù)，2012（6）：80-83.endprint