基于3DVIA Composer的變速箱主動軸三維可視化裝配工藝研究

張志航 程廣偉 門清毅 孫小撈

摘 ?要：本文利用SolidWorks軟件建立了某變速箱主動軸各零件三維模型和總體裝配模型，通過3DVIA Composer軟件對三維裝配模型和裝配環(huán)境進行渲染和預(yù)處理，并依據(jù)工程實際裝配工藝過程制作了各零件三維可視化裝配工藝文檔。相對于傳統(tǒng)的基于二維工程語言的裝配工藝卡，三維可視化裝配工藝能夠合理展示各零部件的裝配工藝內(nèi)容與裝配順序流程，使裝配工人能更直觀的理解和掌握產(chǎn)品的裝配工藝，進而提高產(chǎn)品的裝配質(zhì)量和裝配效率。

關(guān)鍵詞：三維模型;裝配工藝;可視化工藝

中圖分類號：TP391.7;TG95 ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）16-0144-04

Abstract：This paper uses SolidWorks software to establish a three-dimensional assembly model of an active shaft of a gearbox. According to the actual assembly process of the project，the three-dimensional assembly model is rendered and preprocessed by 3DVIA Composer，and the actual assembly procedure of the product is visually expressed in the form of animation. Compared with the traditional assembly process card based on two-dimensional engineering language，the three-dimensional visual assembly process can reasonably display the assembly process content and assembly sequence flow of each component. The assembly workers can intuitively understand and master the assembly process of the product，and then improve the product assembly quality and assembly efficiency.

Keyworks：three-dimensional model;assembly process;visualization process

0 ?引 ?言

在機械產(chǎn)品制造過程中，裝配占用生產(chǎn)制造總工時的40% ～60%，超過40%以上的生產(chǎn)費用，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，其所占比重將會更高[1]。據(jù)統(tǒng)計，在工業(yè)發(fā)達國家的產(chǎn)品生產(chǎn)過程中大約1/3左右的人力資源從事與裝配有關(guān)的工作。

傳統(tǒng)CAPP系統(tǒng)裝配工藝卡屬于抽象的二維工程語言，容易使工人理解錯誤，造成裝配工藝準(zhǔn)備時間過長、無法保證裝配質(zhì)量，裝配效率較低[2]。當(dāng)今市場對產(chǎn)品更新突破的要求越來越快，裝配工藝也趨向于復(fù)雜性、隨機性和多樣性。隨著制造業(yè)信息化的發(fā)展，國內(nèi)外的大型制造企業(yè)均采用可視化裝配工藝來保證產(chǎn)品性能和質(zhì)量[3]。三維可視化裝配工藝用工業(yè)動畫的形式表達產(chǎn)品的裝配、拆卸、維護過程，指導(dǎo)工人裝配，提高裝配工藝規(guī)劃效率、提高裝配工藝質(zhì)量、縮短產(chǎn)品制造周期，提高產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為商品的效率[4]。

本文以某型變速箱主動軸裝配工藝為例，用SolidWorks軟件建立各零件的三維模型并完成總體裝配，按照生產(chǎn)實際情況規(guī)劃裝配內(nèi)容和裝配工藝，通過3DVIA Composer軟件對裝配工藝過程進行動畫仿真，最后生成視頻文檔，用以指導(dǎo)裝配工人快速理解和掌握產(chǎn)品裝配工藝過程。

1 ?三維模型裝配

在可視化裝配工藝設(shè)計之前，首先在SolidWorks軟件中建立某變速箱主動軸各零件的三維模型并完成裝配體設(shè)計。裝配約束應(yīng)與實際裝配關(guān)系相同，通過干涉檢查和間隙驗證功能，檢查裝配工藝的可行性，評估產(chǎn)品設(shè)計的合理性。如圖1所示，為主動軸裝配體爆炸圖。在建立整個零件的過程中，需要設(shè)置各零件的名稱、材質(zhì)等屬性信息。

2 ?模型導(dǎo)入及預(yù)處理

2.1 ?三維模型導(dǎo)入

本文所用的可視化制作軟件3DVIA Composer由法國達索公司開發(fā)，以三維模型為基礎(chǔ)的圖形軟件。主要用于創(chuàng)建并維護包括用戶手冊、培訓(xùn)資料、現(xiàn)場維護修理指導(dǎo)、裝配指導(dǎo)說明等產(chǎn)品文檔，具備多元化的檔案發(fā)布功能（PDF、AVI、CGM、SVG、TIFF、HTML、OFFICE、SMG）。

可直接將SolidWorks軟件制作的裝配體文件導(dǎo)入3DVIA Composer軟件中進行可視化編輯。向3DVIA Composer軟件導(dǎo)入三維模型時，需要設(shè)置導(dǎo)入配置文件，如圖2所示。本文中所設(shè)計的三維模型均用SolidWorks軟件創(chuàng)建，故可選擇SolidWorks（默認(rèn)）配置文件。其它格式的模型，如PTC ProE、CATIA創(chuàng)建的三維模型，可以自行定義相應(yīng)的配置文件。

另外，如果需要在現(xiàn)有的3DVIA Composer模型中添加零部件時，需在模型打開界面右側(cè)選中“合并到當(dāng)前文檔”單選項，如裝配時所需的輔助工具、量具等零部件，往往要根據(jù)裝配需要臨時導(dǎo)入。

當(dāng)新的零部件導(dǎo)入成功后，在3DVIA Composer操作界面中選中導(dǎo)入的零件，在工具欄選項中單擊“變換（T）”，可以對不同零件做一些簡單的配合，但是沒有邏輯性約束，如圖3所示。

2.2 ?模型預(yù)處理

在進行裝配工藝可視化文檔制作前，需要對當(dāng)前工序裝配時所用零件的顏色進行渲染，以及裝配環(huán)境場景的設(shè)置。3DVIA Composer軟件提供有完善的模型渲染功能模塊和場景、燈光設(shè)置功能和零部件角色設(shè)置模塊，為實現(xiàn)仿真動畫提供必要的視覺基礎(chǔ)，如圖4所示。

其中，零件顏色可通過零件屬性對話框，“顏色”選項進行設(shè)置，如圖4（a）所示，對不同零件選擇不同的顏色，以便于區(qū)分相鄰的裝配零件;場景渲染需在“渲染”工具欄“模式”中設(shè)置，如圖4（b）所示，選取合適的渲染方式進行渲染，同時通過創(chuàng)建光源實現(xiàn)對模型光亮的設(shè)定，本文中選用平滑渲染（不帶輪廓）。

3 ?裝配工藝可視化文檔制作關(guān)鍵步驟

裝配工藝可視化實際上就是先將裝配好的模型拆解，然后依據(jù)產(chǎn)品的實際裝配序列和路徑，按照時間上的先后順序進行動態(tài)仿真裝配。在仿真裝配過程中可對零部件的運動類型、路徑約束、操作要求等進行定量、定性分析及直觀可視化的表達。

3.1 ?可視化文檔制作關(guān)鍵步驟

在3DVIA Composer軟件中，模型的任何變動都被記錄做關(guān)鍵幀，關(guān)鍵幀在時間軸窗格上進行創(chuàng)建和編輯，在時間軸上不同的時間點記錄所需的關(guān)鍵幀，對其進行連續(xù)播放就形成動畫。所以，裝配工藝可視化表達的關(guān)鍵就是制作合適的關(guān)鍵幀。關(guān)鍵幀控制一個零件在特定時刻的特性。關(guān)鍵幀分三種類型：位置關(guān)鍵幀、照相機關(guān)鍵幀和Digger關(guān)鍵幀，分別用來記錄零部件的位置、方位和局部特性?？筛鶕?jù)工藝表達的需要設(shè)置相應(yīng)的關(guān)鍵幀。

在可視化文檔制作中，常用的方法是：先顯示裝配位置的視角，然后零件出現(xiàn)，再進行零件裝配。這就需要提前將所需要裝配的零件進行隱藏，在需要進行裝配某個零件時再顯示出來。

下面以圖1所示的變速箱主動軸裝配第一道工序為例，說明可視化裝配工藝制作過程，如圖5所示。

（1）在3DVIA Composer模型屬性管理器中將變速箱主動軸裝配體導(dǎo)入后的位置設(shè)置為中性屬性，以便于零件拆解后能自動恢復(fù)原始裝配位置;并將裝配體中所有零件隱藏，可通過設(shè)置“不透明性”為0來實現(xiàn)，僅保留第一道裝配工序所需零部件的不透明性為255。

做動可視化裝配工藝時，需要一個合適的視角來展現(xiàn)動裝配過程中的每個動作，需要使用3DVIA Composer的旋轉(zhuǎn)、放大和移動的功能為本裝配工序的第一工步找到一個合適視角。在時間軸窗格0秒處，使用“設(shè)置照相機關(guān)鍵幀”功能，將該視角固定在動畫的第一幀。將第一幀位置的照相機關(guān)鍵幀按住Ctrl鍵在時間軸窗格中向后拖動一段時間，一般以1s為單位。使其播放時會將初始的視角延續(xù)一段時間，讓后面零件的顯現(xiàn)不顯得突兀。

（2）將時間標(biāo)桿向后移動一段時間，將需要裝配的第一個零件先平移一段距離再顯示出來。軟件會在這一幀的位置自動記錄此零件的位置關(guān)鍵幀，再將此零件的不透明度設(shè)置由0改為255，如圖5（a）所示。零件從隱藏到完全顯示的時間不易過長，做動畫時一般是用相鄰時間格的兩個關(guān)鍵幀來完成。

（3）將時間標(biāo)桿向后移動一段時間，完成第一個零件的裝配復(fù)位，可通過“恢復(fù)中性屬性”完成位置關(guān)鍵幀設(shè)置。在兩個時間之間進行連續(xù)播放，就形成可視化的裝配工藝動畫。

在每道裝配工序時間段內(nèi)，有時需要添加工藝要求、零件名稱等說明性文字，可通過添加“標(biāo)簽”來實現(xiàn)，如圖5（b）所示。插入標(biāo)簽同樣需要在時間軸上進行將不透明度從0到255的關(guān)鍵幀設(shè)置，顯示過程時間一般為0.1s，而標(biāo)簽的存在時間則可根據(jù)說明內(nèi)容的多少設(shè)置時間。

其它裝配工序可視化裝配制造過程與上述過程類似。

3.2 ?視頻輸出

3DVIA Composer可將制作的可視化文檔，保存為視頻格式，一般為avi格式。點擊工具欄上的“工作間（W）”，選擇“視頻”，就可設(shè)置輸出視頻的保存路徑、分辨率和視頻輸出范圍（界面范圍或時間軸范圍），也可對視頻進行抗鋸齒處理，通過“多重采樣”或抗“抖動”提高視頻輸出質(zhì)量。默認(rèn)的視頻轉(zhuǎn)碼格式保存文件較大，視頻輸出時，可以選擇合適的壓縮格式。

4 ?結(jié) ?論

本文用SolidWorks軟件設(shè)計某型變速箱主動軸各零件三維模型，并進行虛擬裝配。通過3DVIA Composer對模型進行渲染和裝配場景設(shè)置，依據(jù)工程實際規(guī)劃裝配工藝流程，并用動態(tài)可視化仿真裝配工藝過程，輸出視頻文檔。可視化裝配工藝，打通了二維裝配工藝卡與三維可視裝配工藝之間的關(guān)系。三維可視化裝配工藝能夠合理地展示裝配工藝內(nèi)容與裝配順序流程，將復(fù)雜繁瑣的二維裝配工藝表達的簡明清楚，使裝配工人能夠直觀的理解和掌握產(chǎn)品的裝配工藝過程，從而提高裝配質(zhì)量和裝配效率。本文所用的可視化裝配工藝文檔制作方法，可適用于其它機械裝配工藝可視化表達。

參考文獻：

[1] 楊文欣，岑選君，趙志潔，等.基于3DVIA Composer三維可視化工藝設(shè)計 [J].拖拉機與農(nóng)用運輸車，2014，41（2）：74-75+78.

[2] 周亞麗，江征風(fēng)，王立偉，等.基于3DVIA Composer的金剛石線切割機裝配工藝可視化研究 [J].現(xiàn)代制造工程，2015（3）：71-74+131.

[3] 陳鑫，仲梁維，刁麗慧.基于Solidworks Composer的多軸滑臺斜拉機構(gòu)裝配可視化研究 [J].軟件導(dǎo)刊，2018，17（2）：158-160.

[4] 薛周萍.SOLDIWORKS Composer——自動化行業(yè)應(yīng)用案例 [J].智能制造，2016（6）：43-45.

作者簡介：張志航（1981-），男，漢族，河南許昌人，講師，博士，研究方向：先進制造技術(shù)、智能制造。