張莉莎，李小龍，孫 政，楊松林

(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

基于Pro/E的機(jī)械零部件三維動(dòng)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(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

三維動(dòng)態(tài)序列裝配技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品和工程設(shè)計(jì)行業(yè)的設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)、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(jī)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(jī)吸盤(pán)部件三維動(dòng)態(tài)序列裝配動(dòng)畫(huà)的制作為例，針對(duì)Pro/E三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的動(dòng)態(tài)序列裝配技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，給出了整個(gè)制作流程。

Pro/E；裝配；機(jī)械零件；裝配動(dòng)畫(huà)

在目前信息化、智能化、可視化的機(jī)械零部件或工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的銷售、宣傳、示范說(shuō)明、裝配、拆解、維修等過(guò)程中，可以采用三維動(dòng)態(tài)序列裝配技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)運(yùn)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(dòng)畫(huà)、后期制作等等[2-3]。在Pro/E系統(tǒng)中，為用戶提供了制作機(jī)械零部件三維動(dòng)態(tài)序列裝配功能，可以在“動(dòng)畫(huà)”模塊(即Design Animation模塊)中完成。但會(huì)涉及到一些難理解的術(shù)語(yǔ)，例如動(dòng)畫(huà)時(shí)域、主體、快照、關(guān)鍵幀序列、定時(shí)顯示、定時(shí)透明、定時(shí)視圖等[4]。在實(shí)際制作過(guò)程中，存在很多問(wèn)題，本文就此展開(kāi)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(dòng)畫(huà)”模塊中順利的制作出一個(gè)組件的三維動(dòng)態(tài)序列裝配動(dòng)畫(huà)，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(dòng)畫(huà)制作的質(zhì)量。因此，通過(guò)對(duì)多次制作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，在做裝配動(dòng)畫(huà)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(shí)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(shí)體零件建立完全約束，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)裝配。

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

4)建立合適約束 由于一些動(dòng)畫(huà)效果需要在裝配中定義與源裝配不同的約束條件才能實(shí)現(xiàn)。因此，如果在靜態(tài)裝配中某些零件使用了銷釘、滑動(dòng)桿等鏈接約束，做三維動(dòng)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)視圖方向，這樣省去了在“動(dòng)畫(huà)”模塊中新建視圖方向時(shí)手動(dòng)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(jī)械零部件，按照一定的裝配順序?qū)ζ溲b配或拆卸過(guò)程有一個(gè)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(guò)單擊“應(yīng)用程序”菜單，選擇“動(dòng)畫(huà)”命令，啟動(dòng)動(dòng)畫(huà)界面，進(jìn)入到“動(dòng)畫(huà)”模塊中創(chuàng)建裝配動(dòng)畫(huà)。下面給出在Pro/E 5.0中創(chuàng)建動(dòng)畫(huà)時(shí)可能采取的典型步驟。圖1所示為裝配動(dòng)畫(huà)制作流程圖[8]。

圖1 裝配動(dòng)畫(huà)制作流程圖Fig.1 Assembly technology of dynamic virtual flow chart

1)在Pro/E 5.0中打開(kāi)一個(gè)組件并啟動(dòng)“動(dòng)畫(huà)”模塊；

2)創(chuàng)建一個(gè)新動(dòng)畫(huà)，使用“重命名”為其指定一個(gè)有意義的名稱；

3)根據(jù)裝配過(guò)程合理定義該組件的主體；

4)拖動(dòng)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(dòng)畫(huà)所需視圖；

7)調(diào)整關(guān)鍵幀，編輯定時(shí)視圖、定時(shí)顯示以及定時(shí)透明等，完善裝配動(dòng)畫(huà)；

8)播放、檢查動(dòng)畫(huà)；

9)保存并輸出動(dòng)畫(huà)文件；

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

3 制作實(shí)例

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

3.1進(jìn)入動(dòng)畫(huà)模塊

在Pro/E 5.0中打開(kāi)吸盤(pán)部件，單擊“應(yīng)用程序”菜單，選擇“動(dòng)畫(huà)”命令啟動(dòng)動(dòng)畫(huà)界面，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入“動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)”模塊。

3.2新建動(dòng)畫(huà)

在動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)模塊中，單擊“動(dòng)畫(huà)”菜單，選擇“動(dòng)畫(huà)”命令，即彈出“新建動(dòng)畫(huà)”對(duì)話框，單擊“新建”按鈕，輸入一個(gè)動(dòng)畫(huà)名稱(如吸盤(pán)部件)，即可創(chuàng)建名為“吸盤(pán)部件”的新動(dòng)畫(huà)。

3.3定義主體

主體是對(duì)組成一個(gè)整體進(jìn)行移動(dòng)的一組或一個(gè)零件的命名，主體中的零件組成一個(gè)整體而沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在主體定義中， Ground稱為“基礎(chǔ)主體”，是動(dòng)態(tài)序列裝配中的第1件，它本身具有唯一性，且不會(huì)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(duì)“基礎(chǔ)主體”發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)；Body主體可以定義多個(gè)，尤其是類型相同的零件可以定義為1個(gè)Body主體一起裝配；其實(shí)整個(gè)定義主體過(guò)程就是1個(gè)Ground和多個(gè)Body的定義過(guò)程。

主體定義具體過(guò)程為打開(kāi)“動(dòng)畫(huà)”菜單，單擊“主體定義”，系統(tǒng)出現(xiàn)“主體”對(duì)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(dòng)主體創(chuàng)建快照

單擊工具欄上的“拖動(dòng)元件”按鈕，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出“拖動(dòng)”對(duì)話框，在“高級(jí)拖動(dòng)選項(xiàng)”中選擇自由方式或沿坐標(biāo)軸方向拖動(dòng)一個(gè)主體，“拖動(dòng)”對(duì)話框會(huì)根據(jù)所選的坐標(biāo)系來(lái)顯示拖動(dòng)點(diǎn)的坐標(biāo)，并且會(huì)隨著模型的移動(dòng)更新此坐標(biāo)，當(dāng)?shù)竭_(dá)所需方位后，可單擊快照按鈕來(lái)捕獲模型中每個(gè)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(pán)部件的各個(gè)主體動(dòng)態(tài)序列安裝位置的快照。對(duì)于吸盤(pán)部件，可以選擇y方向坐標(biāo)軸來(lái)確定拖動(dòng)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(jìn)行連續(xù)排放，這些快照可顯示某段時(shí)間內(nèi)零件或組件在位置和方向上的變化，系統(tǒng)將會(huì)在這些關(guān)鍵幀間進(jìn)行插值，以產(chǎn)生平滑的動(dòng)畫(huà)效果。

關(guān)鍵幀序列制作可以選擇“動(dòng)畫(huà)”菜單中的“關(guān)鍵幀序列”命令，在“關(guān)鍵幀序列”對(duì)話框里，“序列”面板里存儲(chǔ)著快照1到12，每次選定1個(gè)快照，增加1個(gè)時(shí)間間隔，直至最后1張快照，這樣就得到了吸盤(pán)部件的拆卸過(guò)程幀序列動(dòng)畫(huà)；再單擊反轉(zhuǎn)按鈕，即可將上面的快照進(jìn)行倒序，由此就得到了整個(gè)動(dòng)態(tài)序列裝配過(guò)程的關(guān)鍵幀序列。

在創(chuàng)建或編輯關(guān)鍵幀序列時(shí)，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(dòng)畫(huà)中時(shí)，它會(huì)出現(xiàn)在時(shí)間線窗口中。每個(gè)關(guān)鍵幀皆用1個(gè)三角形來(lái)表示，這些三角形以線相連。時(shí)間線上的各種組成單元構(gòu)成了動(dòng)畫(huà)的基礎(chǔ)。可以編輯時(shí)間線的長(zhǎng)度和增量、關(guān)鍵幀序列的長(zhǎng)度以及時(shí)間線中所有組成單元的相對(duì)執(zhí)行時(shí)間。同時(shí)可以在時(shí)間線上將1個(gè)三角形拖至另一個(gè)不同的時(shí)間點(diǎn)，相關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵幀會(huì)自動(dòng)更新。其編輯和調(diào)整過(guò)程需要耐心、技巧和實(shí)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(gè)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)視圖方向的基礎(chǔ)上進(jìn)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(dòng)畫(huà)的視圖。

3.7定時(shí)視圖

為了使動(dòng)態(tài)虛擬序列裝配更加生動(dòng)并且能夠看清楚這些零件的裝配過(guò)程，需要很好地設(shè)計(jì)每個(gè)視圖的時(shí)間長(zhǎng)短，其具體制作過(guò)程如下。

選擇“動(dòng)畫(huà)”菜單中的“定時(shí)視圖”命令，打開(kāi)“定時(shí)視圖”對(duì)話框。通過(guò)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(shí)在時(shí)間面板里輸入需要顯示所選視圖的開(kāi)始時(shí)間，單擊應(yīng)用即可。如果在裝配過(guò)程中需要多個(gè)視圖方向，按照同樣的方法進(jìn)行定義，需要注意的是如果在某一段時(shí)間內(nèi)保證同一個(gè)視圖不變，就需要在這段時(shí)間的末尾再添加一個(gè)與開(kāi)始時(shí)相同的視圖，那么動(dòng)畫(huà)就會(huì)在規(guī)定的時(shí)間顯示不同的模型位置、方向和放大率。同樣，2個(gè)不同視圖之間會(huì)進(jìn)行插值，產(chǎn)生平滑的視圖改變的動(dòng)畫(huà)效果。

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

3.8生成理想動(dòng)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(dòng)”按鈕，播放動(dòng)畫(huà)，如有不協(xié)調(diào)的狀況則再進(jìn)行微調(diào)，直至達(dá)到理想的三維動(dòng)態(tài)序列裝配效果。

單擊工具欄上的“回放”按鈕，再次運(yùn)行動(dòng)畫(huà)，并可以更改速度或方向，檢查干涉和其他結(jié)果。如果沒(méi)有問(wèn)題，單擊回放對(duì)話框中的“捕獲”按鈕，彈出“捕獲”對(duì)話框，設(shè)置合適的動(dòng)畫(huà)分辨率和動(dòng)畫(huà)格式等，將動(dòng)畫(huà)導(dǎo)出。在捕獲動(dòng)畫(huà)之前應(yīng)該將“增強(qiáng)真實(shí)感”按鈕按下，如果加上材質(zhì)效果，導(dǎo)出的動(dòng)畫(huà)效果就比較真實(shí)，但同時(shí)導(dǎo)出的時(shí)間也相應(yīng)增長(zhǎng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

在Pro/E 5.0三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件中，由于三維動(dòng)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(dòng)態(tài)裝配動(dòng)畫(huà)，如果按照本文提供的思路，并經(jīng)過(guò)反復(fù)訓(xùn)練，即可得到很好的三維動(dòng)態(tài)序列裝配效果[14]。

/

[1] 王 南，郝莉紅，張莉婷，等．基于ADAMS/View的雙橫臂獨(dú)立懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析[J]．河北工業(yè)科技，2012, 29(4)：214-216． WANG Nan, HAO Lihong, ZHANG Liting, et al. Kinema-tics simulation of double-wishbone suspension based on ADAMS/View[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology, 2012, 29(4): 214-216.

[2] 陳 旻．虛擬技術(shù)在機(jī)械裝配工序中的應(yīng)用[J]．機(jī)電技術(shù)，2010, 33(2)：115-117． CHEN Min. Unsaturated polyester resin[J]. Mechanical & Electrical Technology, 2010, 33(2): 115-117.

[3] 姚競(jìng)爭(zhēng)，韓端鋒，李 ?。贑ATIA系統(tǒng)的虛擬裝配仿真研究[J]．船舶工程，2011, 33(1)：49-52． YAO Jingzheng, HAN Duanfeng, LI Jian. Simulation study on the virtual assembly based on CATIA[J]. Ship Engineering, 2011, 33(1): 49-52.

[4] 朱玉紅．基于PRO/E的機(jī)械零件虛擬裝配方法[J]．機(jī)械制造與自動(dòng)化，2004, 33(2)：67-68． ZHU Yuhong. The application of mechanical assembly based on PRO/E[J]. Machine Building & Automation, 2004, 33(2): 67-68.

[5] 楊云斌，歐陽(yáng)勇，孫素梅，等．虛擬裝配過(guò)程中不確定性因素分析[J]．制造業(yè)自動(dòng)化，2011, 33(10)：63-66． YANG Yunbin, OUYANG Yong, SUN Sumei, et al. Analysis of uncertainty factors in virtual assembly process[J]. Manufacturing Automation, 2011, 33(10): 63-66.

[6] 崔 鋼，丁 吉．虛擬裝配工藝技術(shù)研究[J]．電腦編程技巧與維護(hù)，2009(sup)：138-139． CUI Gang, DING Ji. Virtual assembly technics[J]. Computer Programming Skills & Maintenance, 2009(sup): 138-139.

[7] 劉云華，趙 偉．機(jī)械產(chǎn)品模型自動(dòng)裝配動(dòng)畫(huà)的研究與實(shí)現(xiàn)[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007(3)：6-8． LIU Yunhua, ZHAO Wei. Research and implementation of animation of mechanic product model automatic assembly[J]. Machinery Design & Manufacture, 2007(3): 6-8.

[8] 謝 叻，肖 波，吳巧教，等．虛擬裝配技術(shù)及應(yīng)用[J]．模具技術(shù)，2006(1)：60-63． XIE Le, XIAO Bo, WU Qiaojiao, et al. Virtual assembling technology and its application[J]. Die and Mould Technology, 2006(1): 60-63.

[9] 王春升．機(jī)械零件三維造型及虛擬裝配方法研究[J]．機(jī)械研究與應(yīng)用，2009(3)：6-7． WANG Chunsheng. Molding of 3D mechanical and its research virtual assembly[J]. Mechanical Research & Application, 2009(3): 6-7.

[10] 何連英．機(jī)械零件虛擬裝配方法[J]．水利電力機(jī)械，2003, 25(5)：51-52． HE Lianying. Application for mechanical virtual assembly[J]. Water Conservancy & Electric Power Machinery, 2003, 25(5): 51-52.

[11] 何連英.基于Pro/E的機(jī)械零件虛擬裝配方法[J].新疆大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，19 (3)：379-380. HE Lianying. Pro/E application for mechanical assembly[J]. Journal of Xinjiang University (Natural Science Edition)，2002，19 (3)：379-380.

[12] 李奉香，黃 政，萬(wàn)志華，等．基于RPO/E的虛擬裝配、運(yùn)動(dòng)仿真與裝配動(dòng)畫(huà)[J]．計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2011, 39(1)：134-137． LI Fengxiang, HUANG Zheng, WAN Zhihua, et al. Virtual assembly,movement simulation and assembly cartoon based on PRO/E[J]. Computer & Digital Engineering, 2011, 39(1): 134-137.

[13] 王桂梅，李鳳玲，張 平，等.基于PRO/E和NASTRAN的裝載機(jī)工作裝置模態(tài)分析[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，28(3)：91-93. WANG Guimei, LI Fengling, ZHANG Ping,et al. Modal analysis of olader′s work device with the combination of PRO/E and NASTRAN[J].Journal of Hebei University of Engineering(Nataral Science Edition),2011,28(3):91-93.

[14] 楊樹(shù)川，邵金龍，楊術(shù)明，等．基于Solidworks & SimMecha-nics的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與仿真[J]．河北工業(yè)科技，2011, 28(4)：221-225． YANG Shuchuan, SHAO Jinlong, YANG Shuming, et al. Solidworks/SimMechanics based mechanism kinematic analysis and simulation[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology, 2011, 28(4): 221-225.

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(jī)械零部件三維動(dòng)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.