1、    基于3dviacomposer快速制作三維仿真動(dòng)畫及建立模型的方法探討    王莉摘要：本文通過(guò)對(duì)3dvia composer軟件制作裝配仿真動(dòng)畫的方法研究，肯定并闡述了其快速制作仿真動(dòng)畫的優(yōu)勢(shì)，對(duì)其制作流程中能夠有效提高制作動(dòng)畫效率的方法進(jìn)行探討歸納，并結(jié)合實(shí)際案例具體是如何實(shí)現(xiàn)的，闡明了3dvia composer在快速制作動(dòng)畫方面的一些有益的參考方案建議以滿足實(shí)際運(yùn)用需求。提出了使用sketchup軟件來(lái)快速創(chuàng)建三維模型的優(yōu)勢(shì)，并可與3dvia composer軟件轉(zhuǎn)化銜接來(lái)制作仿真動(dòng)畫。這些都成為虛擬交互的一部分，由此衍生出了目前虛擬制造

2、蓬勃發(fā)展的事態(tài)和結(jié)合智能制造應(yīng)用的展望。關(guān)鍵詞：3dviacomposer；仿真動(dòng)畫；虛擬交互；sketchup；智能制造1 引言在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中需要為產(chǎn)品配套好的說(shuō)明手冊(cè)、展示和宣傳方式，這是產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造發(fā)展的必然需求和提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的方法之一。如何準(zhǔn)確、直觀且形象地將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能、裝配關(guān)系及裝配過(guò)程表達(dá)出來(lái)，以及模擬關(guān)鍵工況的運(yùn)行效果，傳統(tǒng)的表達(dá)三維仿真動(dòng)畫軟件如3ds max、maya等雖能將其參數(shù)化表現(xiàn)出來(lái)，但產(chǎn)品數(shù)模卻不容易實(shí)時(shí)更新和替換，即渲染完成后如需修改以前的3d數(shù)據(jù)模型，將需要重新制作仿真動(dòng)畫和渲染，這將浪費(fèi)了有限的時(shí)間和大量的資源。在此基礎(chǔ)上，如何快速便捷地制作三維

3、仿真動(dòng)畫以及對(duì)其方法進(jìn)行分析歸納總結(jié)顯得尤為重要，在提高設(shè)計(jì)研發(fā)能力和生產(chǎn)加工工藝方面可以做到節(jié)約時(shí)間和成本，增強(qiáng)產(chǎn)品認(rèn)知與體驗(yàn)的效果，如圖1所示。2 3dvia composer簡(jiǎn)介3dvia composer是法國(guó)dassault system（達(dá)索）公司研制出的一款圖形設(shè)計(jì)軟件1。與傳統(tǒng)的catia、ug、pro-e和solidworks等三維建模軟件不同，它著眼于快速地導(dǎo)入產(chǎn)品三維模型，對(duì)模型的位置、材質(zhì)和裝配信息等進(jìn)行編輯處理，并以發(fā)布多種格式的技術(shù)文檔以及渲染生成裝配仿真動(dòng)畫為最終目的。因此，3dvia composer是一款非常優(yōu)秀的溝通軟件，且不限于工程師之間，還可以應(yīng)用于內(nèi)容

4、提供者與用戶之間。此外，3dvia composer具有較強(qiáng)的過(guò)程三維顯示功能，對(duì)其中剛性模型的任何變動(dòng)都可以被記錄為動(dòng)畫，可以極大地減輕識(shí)別文字與圖紙的繁瑣工作。3 3dvia composer制作仿真動(dòng)畫的優(yōu)勢(shì)3dvia composer制作動(dòng)畫的原理是關(guān)鍵幀動(dòng)畫，關(guān)鍵幀動(dòng)畫的工作原理是通過(guò)記錄模型在更改前與更改后的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)，并由計(jì)算機(jī)完成狀態(tài)改變點(diǎn)之間的過(guò)渡變化，通過(guò)將一系列的靜態(tài)連續(xù)場(chǎng)景動(dòng)態(tài)化的手段，將生成的展示內(nèi)容用于仿真再現(xiàn)動(dòng)作過(guò)程及說(shuō)明文檔。構(gòu)成仿真動(dòng)畫的關(guān)鍵幀有位置關(guān)鍵幀、照相機(jī)關(guān)鍵幀、效果關(guān)鍵幀（控制熱點(diǎn)、透明度等）、形狀關(guān)鍵幀、剖切面關(guān)鍵幀以及digger關(guān)鍵幀。剖切

5、面關(guān)鍵幀如圖2所示，digger關(guān)鍵幀如圖3所示。采用3dvia composer軟件來(lái)制作三維仿真動(dòng)畫，亦能將產(chǎn)品的安裝裝配、拆卸、檢查和維護(hù)等過(guò)程清楚地展示，可以指導(dǎo)工人的實(shí)際操作，提高裝配效率與質(zhì)量，節(jié)省了產(chǎn)品從研發(fā)到實(shí)際投入生產(chǎn)的時(shí)間。關(guān)鍵其還可以實(shí)現(xiàn)觀看方式和細(xì)節(jié)認(rèn)知的人機(jī)交互體驗(yàn)，并可將產(chǎn)品相關(guān)輔助技術(shù)資料表達(dá)出來(lái)，以及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更新產(chǎn)品的文檔編制。其快速直觀的展示能力，不僅有利于形象化的宣傳，還可清晰地表達(dá)產(chǎn)品的形態(tài)外觀，可用于制作維護(hù)說(shuō)明手冊(cè)、工藝卡片、培訓(xùn)裝配員工和介紹產(chǎn)品演示等，如圖4所示。更為重要的是，其在作為虛擬展示的過(guò)程中，可以通過(guò)交互式的體驗(yàn)，包括自身內(nèi)容相關(guān)環(huán)節(jié)精細(xì)

6、化、場(chǎng)景中相關(guān)元素差異化的觀看方式等，將人與機(jī)器界面交互在設(shè)計(jì)過(guò)程和最終展示目的間很好地協(xié)調(diào)起來(lái)。其中，交互性是指用戶對(duì)場(chǎng)景中的元素可操作程度及從環(huán)境中得到反饋的真實(shí)程度。在這樣的設(shè)計(jì)中，用戶需在實(shí)施過(guò)程中控制信息的各個(gè)方面，根據(jù)實(shí)施的目的需求和建模展示習(xí)慣來(lái)得到技術(shù)的輸出。而在3dvia composer中，基礎(chǔ)動(dòng)畫、關(guān)鍵幀設(shè)置、引導(dǎo)標(biāo)簽和文本屬性鏈接是實(shí)現(xiàn)虛擬展示及交互技術(shù)的關(guān)鍵。4 3dvia composer快速制作仿真動(dòng)畫的方法3dvia composer通過(guò)簡(jiǎn)化處理其他cad軟件建立的模型，在產(chǎn)品早期的設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行快速地三維技術(shù)展示，優(yōu)化從設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求及制造的工藝要求，以及在相

7、關(guān)過(guò)程中對(duì)投入的資源進(jìn)行可實(shí)施性評(píng)價(jià)。4.1 維護(hù)說(shuō)明手冊(cè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中期，可利用3dvia composer與主流三維設(shè)計(jì)工具充分集成的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行維護(hù)說(shuō)明手冊(cè)的制作，包括技術(shù)圖解、材料清單、三維可視爆炸圖和各種視圖的說(shuō)明。在設(shè)計(jì)階段完成以后，仍可對(duì)部分零件的細(xì)節(jié)進(jìn)行修改并快速更新，從而達(dá)到整個(gè)維護(hù)說(shuō)明手冊(cè)的圖片信息按需要隨時(shí)更新的目的，從而使得工程設(shè)計(jì)人員可以無(wú)需多花費(fèi)過(guò)多的精力來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品技術(shù)要求展示的表述，使產(chǎn)品在并行設(shè)計(jì)的過(guò)程中更加快速、有效和流暢。打印機(jī)殼技術(shù)圖解如圖5所示，三維可視爆炸圖如圖6所示。4.2 安裝、維修和拆卸過(guò)程產(chǎn)品安裝后需要維護(hù)、維修和檢查，也有可能要對(duì)一些零件進(jìn)行拆卸

8、更換，我們可以使用3dvia composer制作非常直觀地裝配維修動(dòng)畫，維護(hù)、維修、安裝以及拆卸過(guò)程一目了然，可以表達(dá)展示復(fù)雜的拆卸安裝過(guò)程。這些清晰的裝配技術(shù)展示內(nèi)容，不僅可以用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中的交流，也可在產(chǎn)品形成制造工藝的過(guò)程中，把它用來(lái)對(duì)員工進(jìn)行培訓(xùn)，這樣可以使工藝技術(shù)人員在極短時(shí)間內(nèi)深刻地理解技術(shù)要求與技術(shù)實(shí)施方法并記住裝配流程，降低技術(shù)實(shí)施的難度。員工亦可通過(guò)可視化瀏覽器了解產(chǎn)品的裝配屬性、工藝信息和裝配仿真等，以便更高效地進(jìn)行制造生產(chǎn)。4.3 簡(jiǎn)化裝配動(dòng)畫在簡(jiǎn)化裝配動(dòng)畫的制作過(guò)程中，通常是采用視圖過(guò)渡創(chuàng)建動(dòng)畫，包括創(chuàng)建視圖選擇集來(lái)表述裝配狀態(tài)和拆解狀態(tài)，如圖7所示。所創(chuàng)建

9、的視圖是裝配過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵視圖，然后通過(guò)細(xì)化動(dòng)畫，如播放視圖動(dòng)畫時(shí)可將視圖拖拽到時(shí)間軸上，通過(guò)加時(shí)間、加細(xì)節(jié)來(lái)豐富具體動(dòng)畫的內(nèi)容和情節(jié)。此時(shí)視圖內(nèi)記錄了所有對(duì)象的可見性、屬性和位置信息，信息量非常大，在將視圖拖拽到時(shí)間軸后，做動(dòng)畫之前，可先清理刪除未使用的關(guān)鍵幀，這樣可以減少關(guān)鍵幀的數(shù)量，減輕模型大小。標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵視圖上可使用標(biāo)記，使用標(biāo)記的好處是用來(lái)做交互式動(dòng)畫，通過(guò)制作文本按鈕可將事件動(dòng)畫鏈接到從某個(gè)標(biāo)記開始播放。4.4 產(chǎn)品介紹演示通過(guò)3dvia composer制作的交互式三維仿真方案，在進(jìn)行產(chǎn)品說(shuō)明介紹時(shí)可以嵌入到ppt、pdf和word文檔中，這樣在這些文檔中就可以播放操作靜態(tài)的或動(dòng)態(tài)

10、的三維模型，使產(chǎn)品的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)給人們留下直觀深刻的印象。4.5 虛擬交互設(shè)計(jì)展示飛機(jī)裝配技術(shù)作為衡量飛機(jī)制造技術(shù)水平的高低，對(duì)飛機(jī)的全生命周期起至關(guān)重要的作用。鑒于二維工藝文件在裝配現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的局限性，可運(yùn)用虛擬交互設(shè)計(jì)軟件3dvia composer對(duì)關(guān)鍵工況的裝配干擾、設(shè)計(jì)不到位、裝配間隙和干涉以及裝配狀態(tài)進(jìn)行提前模擬表達(dá)出來(lái)，這種觀看模式的交互、細(xì)節(jié)展示的交互以及虛擬切換等都很好地讓工作人員體驗(yàn)到了與產(chǎn)品和系統(tǒng)的互動(dòng)認(rèn)知效果，如圖8所示。其中，虛擬切換包括控制動(dòng)畫鏈接、材質(zhì)鏈接和產(chǎn)品虛擬展示片段選項(xiàng)鏈接，鏈接的設(shè)置是通過(guò)文本屬性鏈接參數(shù)實(shí)現(xiàn)的，操作切換虛擬展示的內(nèi)容較為便利。此外，3dvi

11、a composer制作的虛擬展示發(fā)布文件也具有交互性，可生成程序包、網(wǎng)頁(yè)文件等，將虛擬展示交互動(dòng)畫發(fā)布于互聯(lián)網(wǎng)，可用于更好地推廣介紹產(chǎn)品2。4.6 簡(jiǎn)化3d數(shù)據(jù)模型，加快渲染模型的輕量化與精度密切相關(guān)，在3dvia composer中，精度的高低體現(xiàn)為三角面片的多少。經(jīng)過(guò)輕量化的三維工藝場(chǎng)景模型不僅大大簡(jiǎn)化了各個(gè)零件模型的大小、精確度降低、數(shù)據(jù)大小降低、并且零件模型加載和顯示速度都更快了。在簡(jiǎn)化三維模型時(shí)，我們可以根據(jù)實(shí)際需求決定是否需要讓不確定運(yùn)動(dòng)與否的模型表達(dá)出動(dòng)畫仿真過(guò)程，并可提前隱藏一些在制作仿真動(dòng)畫時(shí)才出現(xiàn)的零部件。還可提前創(chuàng)建好“選擇集”，選擇集的好處在于可以快速進(jìn)行工藝模型的拆

12、分和選取。通過(guò)3dvia composer制作的技術(shù)文檔信息來(lái)源于實(shí)時(shí)的3d模型數(shù)據(jù)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)更改之后，3d數(shù)據(jù)模型也要修改，而3dvia composer提供了即時(shí)更新功能，當(dāng)工藝模型發(fā)生更改時(shí)，可以通過(guò)3dvia composer對(duì)工藝模型的構(gòu)成部分和設(shè)計(jì)出的實(shí)體模型進(jìn)行快捷更新。這些都可作為加快設(shè)計(jì)意圖的實(shí)現(xiàn)與技術(shù)優(yōu)化的方法，高精度的三維仿真離不開高質(zhì)量的模型與計(jì)算，模型經(jīng)過(guò)精致的渲染計(jì)算處理后，在顯示終端呈現(xiàn)出真實(shí)、自然的交互仿真。工藝場(chǎng)景模型的渲染計(jì)算效果如圖9所示。此外，在3dvia composer中可添加可視化效果，增加仿真動(dòng)畫的逼真程度，可根據(jù)需求添加“淡入”“淡出”效果，還

13、可添加“熱點(diǎn)”效果進(jìn)行間隔閃動(dòng)。這些與光源、顏色和材質(zhì)貼圖等共同構(gòu)成了可視化的效果處理。5 sketchup軟件快速建模在項(xiàng)目的整合實(shí)施過(guò)程中發(fā)現(xiàn)無(wú)論是catia、solidworks、pro-e以及ug等機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，還是3ds max、maya等三維多邊形建模軟件，雖然其在表達(dá)物體結(jié)構(gòu)和功能方面具有強(qiáng)大的可操作性和精確度；而在非工程制圖的情況下，比如在制作三維仿真動(dòng)畫或建筑類模擬效果制圖的情況下，使用上述軟件的建模效率就顯得較為低下、刻板和細(xì)節(jié)頗多。此時(shí)，參數(shù)化的建模不再是唯一要求，怎樣快速地將所需模型準(zhǔn)確表達(dá)出來(lái)，而少了工程制圖的繁雜非必需功能，使用sketchup軟件建模顯得恰到好處。

14、采用sketchup軟件來(lái)創(chuàng)建三維模型，亦能將物體的結(jié)構(gòu)和功能清晰地表達(dá)出來(lái)，其簡(jiǎn)潔的功能規(guī)劃設(shè)置和插件模型庫(kù)的設(shè)置，為其快速制作三維模型、添加材質(zhì)和渲染計(jì)算仿真動(dòng)畫等提供了強(qiáng)大的參數(shù)支持和選擇。其創(chuàng)建出的三維仿真模型，亦可導(dǎo)入到其他三維軟件如3ds max、3dvia composer等進(jìn)行仿真動(dòng)畫制作。其快速不僅體現(xiàn)在功能規(guī)劃設(shè)置和插件模型庫(kù)的設(shè)置，還體現(xiàn)在這些命令功能的便捷運(yùn)用和模型、材質(zhì)的快速表達(dá)上，如圖10所示。此外，二維圖紙和圖片也可導(dǎo)入使用。6 虛擬制造的優(yōu)勢(shì)基于3dvia composer和sketchup軟件制作三維仿真動(dòng)畫，最快的實(shí)施方法是通過(guò)已有的cad系統(tǒng)產(chǎn)生三維模型（

15、無(wú)論模型是否參數(shù)化），再將其導(dǎo)入成虛擬現(xiàn)實(shí)軟件支持的統(tǒng)一格式，然后將統(tǒng)一格式的模型載入到軟件的環(huán)境中，統(tǒng)一完成產(chǎn)品的三維仿真動(dòng)畫與虛擬交互設(shè)計(jì)，在最終交互時(shí)，用戶可以充分利用手中的各種硬件資源設(shè)備，例如三維顯示器、vr、ar等產(chǎn)生最接近真實(shí)狀況的感覺。在這個(gè)過(guò)程中，快速制作三維仿真動(dòng)畫是虛擬制造基于產(chǎn)品生命周期中進(jìn)行實(shí)施的一個(gè)環(huán)節(jié)，是在快速仿真的環(huán)境下可以對(duì)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行模擬分析。通過(guò)利用這樣的建模與分析技術(shù)，技術(shù)人員完全不需要等待零件的制造成最終的實(shí)物狀態(tài)，甚至在設(shè)計(jì)的早期，在建立零件藍(lán)草圖模型時(shí)就可以對(duì)這些模型進(jìn)行虛擬裝配，進(jìn)而檢查零部件的設(shè)計(jì)合理性，和他

16、們之間的裝配間隙和干涉，通過(guò)檢查各種狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)在未來(lái)制造過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。當(dāng)發(fā)現(xiàn)零件不符合要求時(shí)，可以迅速方便地在計(jì)算機(jī)里更改模型，并同步更新生成新的模型和自動(dòng)更新相關(guān)的設(shè)計(jì)與裝配圖，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、裝配與制造的并行設(shè)計(jì)與智能化制造。通過(guò)虛擬制造技術(shù)，可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，有利于提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，有利于降低產(chǎn)品開發(fā)成本，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力3。基于虛擬制造技術(shù)的三維仿真動(dòng)畫及其建立模型的方法實(shí)施，可以從根本上改變現(xiàn)在傳統(tǒng)機(jī)械工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域中設(shè)計(jì)、試制、修改以及批產(chǎn)的傳統(tǒng)制造循環(huán)模式。在產(chǎn)品真正生產(chǎn)之前，設(shè)計(jì)人員就首先可以在計(jì)算機(jī)的環(huán)境中設(shè)計(jì)出軟產(chǎn)品原型，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)物進(jìn)行分析與試

17、驗(yàn)，對(duì)其設(shè)計(jì)性能和可制造性進(jìn)行定量預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，最大程度地縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造周期，從而降低產(chǎn)品的各方面開發(fā)成本，提高企業(yè)快速響應(yīng)市場(chǎng)需求變化的能力。基于虛擬制造技術(shù)的三維仿真動(dòng)畫及其建立模型的方法在制造業(yè)中將會(huì)在未來(lái)得到廣泛的推廣應(yīng)用，其所應(yīng)用前景廣泛，目前在航空航天、汽車等領(lǐng)域中的應(yīng)用尤為迫切。7 應(yīng)用與智能制造的展望傳統(tǒng)的三維仿真動(dòng)畫軟件制作動(dòng)畫時(shí)細(xì)節(jié)多，產(chǎn)品數(shù)模卻不容易實(shí)時(shí)更新和替換，渲染時(shí)間長(zhǎng)，在工程應(yīng)用中快速制作能力不夠。3dvia composer在簡(jiǎn)化處理模型、選擇模型以及更新模型方面相對(duì)方便快捷，還可實(shí)現(xiàn)觀看方式和細(xì)節(jié)認(rèn)知的人機(jī)交互體驗(yàn)，渲染速度也較快，節(jié)省大量的時(shí)間和資源。在

18、工程應(yīng)用領(lǐng)域中運(yùn)用前景和效果可觀。基于3dvia composer和sketchup軟件實(shí)現(xiàn)三維可視化裝配工藝流程的優(yōu)化，就是在制作三維裝配仿真圖的基礎(chǔ)上，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)和裝配工藝的信息以三維技術(shù)圖解表現(xiàn)，使裝配技術(shù)人員能夠以一種更直觀有效的方式了解產(chǎn)品的裝配關(guān)系和技術(shù)說(shuō)明，減少看二維圖紙和理解文字工藝規(guī)程說(shuō)明的時(shí)間，提高了裝配工作的準(zhǔn)確率和效率。其所傳遞的三維裝配工藝信息改進(jìn)了車間裝配現(xiàn)場(chǎng)工作指令的傳遞形式，實(shí)現(xiàn)了無(wú)紙化、數(shù)字化傳遞，可實(shí)時(shí)更新、更改三維模型和裝配場(chǎng)景以及工藝說(shuō)明，其工藝設(shè)計(jì)和過(guò)程仿真的結(jié)果可載入虛擬交互的軟件環(huán)境，進(jìn)而轉(zhuǎn)入最終交互的硬件設(shè)備資源，成為虛擬裝配與制造的一個(gè)有力競(jìng)爭(zhēng)環(huán)節(jié)。3dvia composer和sketchup等工程軟件作