張莉莎，李小龍，孫 政，楊松林

(河北科技大學(xué)機械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

基于Pro/E的機械零部件三維動態(tài)序列裝配技術(shù)研究

張莉莎，李小龍，孫 政，楊松林

(河北科技大學(xué)機械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

三維動態(tài)序列裝配技術(shù)在機械產(chǎn)品和工程設(shè)計行業(yè)的設(shè)計、制造、檢測、展示、學(xué)習(xí)、資金節(jié)約、功效提高等方面具有非常重要的意義，其制作具有一定的技術(shù)復(fù)雜性和技巧性，目前許多三維CAD軟件有此功能，但很少有此方面的具體介紹，為了給機械及工程技術(shù)人員提供一些有益的借鑒，以某高樓外墻清洗機吸盤部件三維動態(tài)序列裝配動畫的制作為例，針對Pro/E三維機械設(shè)計軟件的動態(tài)序列裝配技術(shù)進行了詳細(xì)介紹，給出了整個制作流程。

Pro/E；裝配；機械零件；裝配動畫

在目前信息化、智能化、可視化的機械零部件或工程設(shè)計領(lǐng)域的銷售、宣傳、示范說明、裝配、拆解、維修等過程中，可以采用三維動態(tài)序列裝配技術(shù)，該項技術(shù)運用的好，往往可以給用戶留下深刻的理解與印象[1]。但其制作技術(shù)涉及到許多方面，如三維造型、裝配、渲染、動畫、后期制作等等[2-3]。在Pro/E系統(tǒng)中，為用戶提供了制作機械零部件三維動態(tài)序列裝配功能，可以在“動畫”模塊(即Design Animation模塊)中完成。但會涉及到一些難理解的術(shù)語，例如動畫時域、主體、快照、關(guān)鍵幀序列、定時顯示、定時透明、定時視圖等[4]。在實際制作過程中，存在很多問題，本文就此展開研究并摸索了一條可行的思路。

1 準(zhǔn)備工作

如果希望在“動畫”模塊中順利的制作出一個組件的三維動態(tài)序列裝配動畫，一些前期的準(zhǔn)備工作是必不可少的，其充分與否直接影響裝配動畫制作的質(zhì)量。因此，通過對多次制作經(jīng)驗的總結(jié)，在做裝配動畫之前要做好以下準(zhǔn)備工作[5-6]。

1)零件三維造型 在Pro/E 軟件的“標(biāo)準(zhǔn)”模塊中精確創(chuàng)建裝配體所需的三維實體零件。

2)三維靜態(tài)裝配 新建組件，在“組件”模塊中將三維實體零件建立完全約束，實現(xiàn)靜態(tài)裝配。

3)附加材質(zhì) 將裝配好的三維實體零件附上比較真實的材質(zhì)，同時可以添加合適的燈光、場景等效果。

4)建立合適約束 由于一些動畫效果需要在裝配中定義與源裝配不同的約束條件才能實現(xiàn)。因此，如果在靜態(tài)裝配中某些零件使用了銷釘、滑動桿等鏈接約束，做三維動態(tài)序列裝配之前應(yīng)將裝配體備份，刪除鏈接，建立完全約束。

5)視向確定 在“標(biāo)準(zhǔn)”模塊中創(chuàng)建出“東南”、“西南”、“東北”、“西北”4個標(biāo)準(zhǔn)視圖方向，這樣省去了在“動畫”模塊中新建視圖方向時手動調(diào)試的麻煩，而且視圖方向也比較標(biāo)準(zhǔn)。

6)拆裝規(guī)劃 在做好以上幾步工作以后，需要根據(jù)具體的機械零部件，按照一定的裝配順序?qū)ζ溲b配或拆卸過程有一個整體的規(guī)劃[7]。

2 制作流程

做好這些前期準(zhǔn)備工作后，就可以通過單擊“應(yīng)用程序”菜單，選擇“動畫”命令，啟動動畫界面，進入到“動畫”模塊中創(chuàng)建裝配動畫。下面給出在Pro/E 5.0中創(chuàng)建動畫時可能采取的典型步驟。圖1所示為裝配動畫制作流程圖[8]。

圖1 裝配動畫制作流程圖Fig.1 Assembly technology of dynamic virtual flow chart

1)在Pro/E 5.0中打開一個組件并啟動“動畫”模塊；

2)創(chuàng)建一個新動畫，使用“重命名”為其指定一個有意義的名稱；

3)根據(jù)裝配過程合理定義該組件的主體；

4)拖動主體并生成一連串的快照；

5)將所生成的快照建立關(guān)鍵幀序列；

6)重定向視圖，創(chuàng)建裝配動畫所需視圖；

7)調(diào)整關(guān)鍵幀，編輯定時視圖、定時顯示以及定時透明等，完善裝配動畫；

8)播放、檢查動畫；

9)保存并輸出動畫文件；

10)反復(fù)調(diào)試、修改，直至達(dá)到設(shè)計者或用戶滿意的效果，得到最終作品。

3 制作實例

高樓外墻清洗機吸盤部件由支撐架、支撐薄板、氣缸、安裝架以及真空吸盤構(gòu)成,各個構(gòu)件通過螺栓、螺母連接固定[9-13]。

3.1進入動畫模塊

在Pro/E 5.0中打開吸盤部件，單擊“應(yīng)用程序”菜單，選擇“動畫”命令啟動動畫界面，系統(tǒng)自動進入“動畫設(shè)計”模塊。

3.2新建動畫

在動畫設(shè)計模塊中，單擊“動畫”菜單，選擇“動畫”命令，即彈出“新建動畫”對話框，單擊“新建”按鈕，輸入一個動畫名稱(如吸盤部件)，即可創(chuàng)建名為“吸盤部件”的新動畫。

3.3定義主體

主體是對組成一個整體進行移動的一組或一個零件的命名，主體中的零件組成一個整體而沒有相對運動。在主體定義中， Ground稱為“基礎(chǔ)主體”，是動態(tài)序列裝配中的第1件，它本身具有唯一性，且不會發(fā)生位置變化；Body是“基礎(chǔ)主體”以外的其他“主體”，它們可以相對“基礎(chǔ)主體”發(fā)生相對運動；Body主體可以定義多個，尤其是類型相同的零件可以定義為1個Body主體一起裝配；其實整個定義主體過程就是1個Ground和多個Body的定義過程。

主體定義具體過程為打開“動畫”菜單，單擊“主體定義”，系統(tǒng)出現(xiàn)“主體”對話框，單擊“新建”按鈕，拾取同類型的零件，如圖2所示；單擊確定，即定義了一組主體。重復(fù)此操作，直至將所有零件都定義到規(guī)劃的主體中。注意應(yīng)該在Ground主體中留有基礎(chǔ)零件或組件。

3.4拖動主體創(chuàng)建快照

單擊工具欄上的“拖動元件”按鈕，系統(tǒng)會自動彈出“拖動”對話框，在“高級拖動選項”中選擇自由方式或沿坐標(biāo)軸方向拖動一個主體，“拖動”對話框會根據(jù)所選的坐標(biāo)系來顯示拖動點的坐標(biāo)，并且會隨著模型的移動更新此坐標(biāo)，當(dāng)?shù)竭_(dá)所需方位后，可單擊快照按鈕來捕獲模型中每個主體的當(dāng)前位置和方向。按照此方法和步驟，分別創(chuàng)建吸盤部件的各個主體動態(tài)序列安裝位置的快照。對于吸盤部件，可以選擇y方向坐標(biāo)軸來確定拖動主體的方向，依次拍照，直至留下最后基礎(chǔ)件，即“基礎(chǔ)主體”，如圖2所示的ground零件。

圖2 主體裝配示意圖Fig.2 Schematic of main assembly

3.5建立關(guān)鍵幀序列

關(guān)鍵幀序列可以將之前創(chuàng)建的一系列快照按順序進行連續(xù)排放，這些快照可顯示某段時間內(nèi)零件或組件在位置和方向上的變化，系統(tǒng)將會在這些關(guān)鍵幀間進行插值，以產(chǎn)生平滑的動畫效果。

關(guān)鍵幀序列制作可以選擇“動畫”菜單中的“關(guān)鍵幀序列”命令，在“關(guān)鍵幀序列”對話框里，“序列”面板里存儲著快照1到12，每次選定1個快照，增加1個時間間隔，直至最后1張快照，這樣就得到了吸盤部件的拆卸過程幀序列動畫；再單擊反轉(zhuǎn)按鈕，即可將上面的快照進行倒序，由此就得到了整個動態(tài)序列裝配過程的關(guān)鍵幀序列。

在創(chuàng)建或編輯關(guān)鍵幀序列時，可以預(yù)覽現(xiàn)有快照、改變快照順序、拍攝新的快照，以及將快照添加到關(guān)鍵幀序列中。在關(guān)鍵幀序列加入到動畫中時，它會出現(xiàn)在時間線窗口中。每個關(guān)鍵幀皆用1個三角形來表示，這些三角形以線相連。時間線上的各種組成單元構(gòu)成了動畫的基礎(chǔ)?？梢跃庉嫊r間線的長度和增量、關(guān)鍵幀序列的長度以及時間線中所有組成單元的相對執(zhí)行時間。同時可以在時間線上將1個三角形拖至另一個不同的時間點，相關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵幀會自動更新。其編輯和調(diào)整過程需要耐心、技巧和實踐。

3.6視圖調(diào)整

工具欄上的“重定向”命令，可以定義視圖模型的位置、方向和大小。由于之前在準(zhǔn)備工作中已經(jīng)創(chuàng)建出“東南”、“西南”、“東北”、“西北”這4個標(biāo)準(zhǔn)視圖方向，因此這一步就變得容易很多，可以在這幾個標(biāo)準(zhǔn)視圖方向的基礎(chǔ)上進行編輯，調(diào)整視圖位置和大小就可以，創(chuàng)建新的適合裝配動畫的視圖。

3.7定時視圖

為了使動態(tài)虛擬序列裝配更加生動并且能夠看清楚這些零件的裝配過程，需要很好地設(shè)計每個視圖的時間長短，其具體制作過程如下。

選擇“動畫”菜單中的“定時視圖”命令，打開“定時視圖”對話框。通過在名稱面板里選擇所需視圖的名稱(在重定向步驟中已經(jīng)建立好的視圖名稱)，同時在時間面板里輸入需要顯示所選視圖的開始時間，單擊應(yīng)用即可。如果在裝配過程中需要多個視圖方向，按照同樣的方法進行定義，需要注意的是如果在某一段時間內(nèi)保證同一個視圖不變，就需要在這段時間的末尾再添加一個與開始時相同的視圖，那么動畫就會在規(guī)定的時間顯示不同的模型位置、方向和放大率。同樣，2個不同視圖之間會進行插值，產(chǎn)生平滑的視圖改變的動畫效果。

另外，還有定時顯示、定時透明等功能，其創(chuàng)建過程與定時視圖基本相同，故在此不再贅述。

3.8生成理想動態(tài)裝配效果

所有內(nèi)容均定義完畢后，單擊工具欄上的“啟動”按鈕，播放動畫，如有不協(xié)調(diào)的狀況則再進行微調(diào)，直至達(dá)到理想的三維動態(tài)序列裝配效果。

單擊工具欄上的“回放”按鈕，再次運行動畫，并可以更改速度或方向，檢查干涉和其他結(jié)果。如果沒有問題，單擊回放對話框中的“捕獲”按鈕，彈出“捕獲”對話框，設(shè)置合適的動畫分辨率和動畫格式等，將動畫導(dǎo)出。在捕獲動畫之前應(yīng)該將“增強真實感”按鈕按下，如果加上材質(zhì)效果，導(dǎo)出的動畫效果就比較真實，但同時導(dǎo)出的時間也相應(yīng)增長。

4 結(jié) 語

在Pro/E 5.0三維機械設(shè)計軟件中，由于三維動態(tài)序列裝配技術(shù)的一些概念和功能的理解不易，很難制作出滿意的動態(tài)裝配動畫，如果按照本文提供的思路，并經(jīng)過反復(fù)訓(xùn)練，即可得到很好的三維動態(tài)序列裝配效果[14]。

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Research on assembly technology of three-dimensional dynamic sequence based on Pro/E

ZHANG Lisha， LI Xiaolong， SUN Zheng， YANG Songlin

(School of Mechanical Engineering， Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China)

The assembly technology of three-dimensional dynamic virtual sequence is very important in designing, manufacture, testing, displaying, learning, capital saving, and effectiveness improving for mechanical products and engineering industries. It has technical complexity and technique in its production. Now many three-dimensional CAD softwares have the function, but with few intro in this regard. In order to provide useful lessons for people who are engaged in mechanical and engineering technology, and taking sucker parts of the high-rise exterior cleaning machine as an example to make its three-dimensional dynamic virtual assembly animation, this article gives us not only a detailed description of this technology in connection with the 3D mechanical design software Pro/E, but also the entire technical process. It proves to be a feasible idea.

Pro/E； assembly； mechanical part； assembly cartoon

1008-1534(2014)02-0164-04

2013-10-28;

2013-11-12

河北省高?？茖W(xué)技術(shù)研究青年基金(Q2012073)

張莉莎(1988-)，女，河北邯鄲人，碩士研究生,主要從事制造業(yè)信息化方面的研究。

楊松林教授。E-mail：375086472@qq.com

TP319

A

10.7535/hbgykj.2014yx0216

責(zé)任編輯：李 穆

張莉莎，李小龍，孫 政，等.基于Pro/E的機械零部件三維動態(tài)序列裝配技術(shù)研究[J].河北工業(yè)科技，2014，31(2)：164-167.

ZHANG Lisha， LI Xiaolong， SUN Zheng， et al.Research on assembly technology of three-dimensional dynamic sequence based on Pro/E[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2014,31(2):164-167.