基于SolidWorks 的焊接、涂裝設備建模及車間漫游動畫

陳靜，桑清宇，李志武

（中機第一設計研究院有限公司，合肥230601）

1 引言

工業行業涉及的專業廣，需要的專業軟件多，很難有一個三維軟件提供所有的專業產品。SolidWorks 是目前機械行業使用最廣泛的三維軟件，它提供了統一的數據格式，與外部其他系統和數據保持良好的兼容性。數據兼容性是數據互用的前提，重復利用解決了個人的工作效率，更是提高企業效率的關鍵。

本文利用SolidWorks 三維軟件對車間設備進行三維建模，并分組實現虛擬裝配，利用軟件本身的動畫制作功能，設置合理路徑，實現相機視角的車間動畫漫游。這些漫游動畫經過視頻加工軟件聯接、添加文字和配音，可以形成完整的工廠三維檔案。這些記錄保證了現場環境在計算機中的真實還原，為工廠分析、后期設備改造、安裝等提供了最佳的三維資料。施工人員可以隨意地選擇觀察的地點和角度，根據施工現場的具體情況調整施工方案。直接通過電子郵件發送AVI 格式動畫文件，加快了設計觀點的交流，縮短了設計周期。

2 SolidWorks 建模

本文項目來源山東某工程機械有限公司，大型挖掘機產品開發研制的生產基地。本文只對該基地挖掘機結構件斗桿、動臂、X 架、主架、車架的焊接、加工、涂裝車間進行SolidWorks建模及動畫。

2.1 SolidWorks 零件建模(.sldprt)

每臺設備都由零件組成，建立零件的三維模型，是實現虛擬裝配的基本要求[1]。SolidWorks 是基于Windows 開發的三維CAD 軟件系統，特征參數化、交互建模和編輯復雜實體的能力強大，可以快速進行概念設計和結構細節設計。

一般零部件的建模過程如下：（1）用紙質圖紙文件生成模型；（2）用“.dwg”格式的三維文件生成模型；（3）用“.pdf”格式的圖紙文件生成模型；（4）用“.dwg”格式的二維文件生成模型。SolidWorks 有螺栓、螺母、鍵、齒輪、軸承等標準件庫，可以快速建立標準件的三維模型，大大減少建模的工作量。

零部件建模的過程中，要注意模型輕量化，常見的方法有：

1）模型的簡化處理：避免模型細節可以縮減文件大小，提高速度。通過減少多邊形的面，或是除去非可視的隱藏部分等方法來完成。

2）減少復雜圓角特征的使用：為表達較好的細節，同時減少模型尺寸，在建模過程中，建議圓角特征后建模，這樣得到的帶圓角模型的尺寸較低。

3）采用貼圖方式：一些較為復雜的模型表面，如紋理、縷空、陣列、凹凸等，采用實體拉伸和切除建立的模型比較精致美觀，但也會產生大量的特征面，占用巨大的系統資源，對于此類模型，在不是必須的地方采用貼圖模式，既節省了系統資源又可以獲得非常好的效果。

建模時先做外形，再做內部結構；先做整體，后做細節；主要特征在前，次要特征在后；建模步驟要精簡,可以一步完成的就不用2 個特征，盡量避免使用如放樣、掃描、抽殼、復雜圓角等高級建模特征。遵循此類的建模準則，可提高模型的可修改性，減少模型的尺寸。

2.2 SolidWorks 設備建模(.sldasm)

機械產品裝配體是實現動畫仿真的基礎和前提。對于機械設計而言，單純的零件沒有實際意義，必須裝配成完整部件或機器實體。裝配不僅是表達零件之間的配合關系，也是運動分析、干涉檢查和實現動畫的基礎。裝配的方法是按照機械產品實際工作時的各種相對運動關系，按照從下到上或者從上到下的原則，將準備好的零件逐一插入裝配體文件，并依次添加零件之間的配合關系[2]。由此得到焊接設備136 臺，焊接輔助設備77 臺，機加工設備9 臺，起重設備36 臺，RGV 小車線6 條，共264 臺設備。

2.3 SolidWorks 車間建模(.sldasm)

在工業生產線中，原材料和成品的碼放、立體倉庫、加工設備等大量重復的模型一般會用到陣列的操作模式。超大規模復雜陣列模型會極大增大運算負擔，應盡量避免使用。如果不是主要的表現場景，則可以用簡模配貼圖表達。若是需要詳細表現的場景，則可以通過改變陣列類型來降低運算量。模型的陣列分幾何陣列和實體陣列，實體陣列是一個步驟特征，而幾何陣列是把陣列對象幾何元件化，陣列出來的是單個零件幾何體而不是特征[3]。所以幾何陣列比實體陣列運算減少，速度提升可以加速陣列的生成及重建。

SolidWorks 建立車間的屋頂、氣樓、墻面、窗戶、門、道路、柱子等，裝配成車間建筑模型，并按照實際生產的工藝要求，在車間內布置原材料、成品、加工設備、運輸設備等，實現1：1建模車間，共6 跨，包括大挖斗桿線、大挖動臂線、X 架生產線、主架生產線、車架生產線、涂裝生產線。

裝配并渲染后的廠房及設備布置如圖1 和圖2 所示。

圖1 SolidWorks 廠房效果圖

圖2 SolidWorks 車間設備裝配效果圖

3 車間漫游動畫

因為整個車間包括建筑物、設備等大量模型，最終動畫成果即包括廠房鳥瞰的效果圖，又有車間內部展現工藝路線和產品制造等細節漫游，模型的數據量相當大，動畫采用分鏡頭表示方式。

三維動畫中的漫游路線是按照事先設定好的攝像機路徑決定的，這種特性可以采用分鏡頭的特性。就是一次只裝入場景的一部分，表現完裝入的這一部分后再裝入另一場景，跟據攝像機的路徑切換不同場景，以表現出全部內容。這樣，可以避免一次裝入過多的內容而導致系統數據溢出，可以用較低的物理資源來表現較大的場景。

車間漫游屬于有復雜軌跡的運動，優先選用路徑配合制作動畫。首先建模相機橇，確定相機橇運動所經過的位置點，根據這些位置點繪制樣條曲線，添加路徑配合，在相機橇上添加相機，調整視角，通過相機橇沿路徑位置變換，實現車間漫游視角。

車間共6 跨，分成6 個鏡頭，其中大挖斗桿線和涂裝線如圖3、圖4 所示。

圖3 大挖斗桿線

圖4 涂裝線

4 動畫渲染及后期處理

動畫制作完成后，只有將做好的動畫渲染成影像文件，觀看者才能用普通播放器收看。通過選取材質、貼圖、背景和光源等，使用SolidWorks 的插件PhotoWorks 渲染器，對Animator編輯的動畫進行整體渲染。設置輸出動畫的圖像分辨率，在文件菜單中，通過另存為菜單，視頻保存類型選擇tga 格式，因為此格式與視頻編輯軟件After Effects 有接口，將tga 序列幀導入After Effects 軟件，以圖層為基礎，可以加入wav、aiff 格式的音頻文件，實現文字、聲音、顏色、亮度、背景、特效等的編輯工作，這樣就完成了一部帶圖、文、聲等功能的仿真視頻（見圖5）。

5 SolidWorks 與3D MAX 比較

1）SolidWorks 是實體造型，與真實的產品一樣，且能完成各種復雜曲面造型。而3DMAX 中的造型是以面來代替的，即剖開后中間是空的，不是真正的實體。

2）SolidWorks 具有各種裝配關系，使裝配方便、準確。

3）SolidWorks 制作復雜動畫和質子系統時，效果不如3DMAX。

圖5 仿真視頻截圖

4）3DMAX 是在電腦上制作動畫而被廣泛使用的軟件，盡管它的許多功能都受到了用戶的好評，但其三維建模能力有限，通常由專用軟件完成建模，再把模型轉入到3DMAX。

6 結語

研究表明，SolidWorks 不僅具有強大的三維建模功能，而且可以通過Animator、PhotoWorks 等插件與After Effects 軟件的結合完成產品的后期仿真動畫，更好地表達設計思想，便于產品展示和技術交流。