三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型構(gòu)建中的應(yīng)用

一、引言

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型的建立在實(shí)際生產(chǎn)與學(xué)習(xí)中越來(lái)越顯示出它的重要性。傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要?dú)v經(jīng)很多環(huán)節(jié)，如明確設(shè)計(jì)任務(wù)、方案構(gòu)思、初步設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、樣機(jī)試制試驗(yàn)以及評(píng)價(jià)及提供設(shè)計(jì)方案等。整個(gè)過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)、效率低，尤其是樣機(jī)的試制試驗(yàn)，更是一個(gè)消耗材料、加工設(shè)備、人力和時(shí)間等資源的過(guò)程。而利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立數(shù)字化模型則可以擺脫對(duì)物理樣機(jī)的依賴(lài)，在不需要考慮成本與時(shí)間的條件下達(dá)到與使用物理樣機(jī)相同的目的。在學(xué)校的教學(xué)實(shí)踐中也同樣如此，為了對(duì)機(jī)構(gòu)的構(gòu)成及工作原理有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)，學(xué)生可能會(huì)參觀(guān)一些實(shí)際的設(shè)備或教學(xué)用的模型，但從成本方面考慮，這些東西總不能滿(mǎn)足學(xué)生的要求。同時(shí)，由于實(shí)際的機(jī)構(gòu)及零件的外形比較復(fù)雜，了解機(jī)構(gòu)的工作原理就存在著一定的難度。而使用數(shù)字化模型就不同了，不僅成本低，而且由于在設(shè)計(jì)過(guò)程中只考慮了與運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力有關(guān)的外形尺寸及主要參數(shù)，使運(yùn)動(dòng)模型簡(jiǎn)潔明了，易于理解。

在三維建模、動(dòng)畫(huà)制作方面，3ds max是目前世界上應(yīng)用最廣泛的軟件，與AutoCAD和 SolidWork相比，唯一的缺點(diǎn)是不容易構(gòu)建尺寸精確的模型，但由于它可以導(dǎo)入AutoCAD和 SolidWork文件，使這個(gè)缺點(diǎn)得以彌補(bǔ)，因而它完全能夠用于工程模擬并滿(mǎn)足制作高質(zhì)量機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型的需要。在3ds max中，物體的運(yùn)動(dòng)情況可以分為兩種：一是物體獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)，二是物體牽連或被牽連運(yùn)動(dòng)。這里所指的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)與機(jī)構(gòu)中構(gòu)件的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)是不同的兩個(gè)概念，構(gòu)件的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)是指它能沿某個(gè)方向移動(dòng)或繞某個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，而物體獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)則是指可以針對(duì)物體的移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等設(shè)置動(dòng)畫(huà)，使它不受其他物體運(yùn)動(dòng)影響同時(shí)也不影響其他物體的運(yùn)動(dòng)。

二、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型的構(gòu)建

1.對(duì)每個(gè)構(gòu)件設(shè)置獨(dú)立運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)，從而構(gòu)建機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型

在3ds max中，使物體獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的方法就是在不建立任何層級(jí)關(guān)系的情況下，打開(kāi)Auto Key按鈕，創(chuàng)建關(guān)鍵楨，在非第0楨改變物體可變參數(shù)（如移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)），關(guān)鍵楨之間的其他楨 3ds max會(huì)用插值的方法自動(dòng)生成。插值是通過(guò)控制器進(jìn)行的，它最終能夠確定物體以時(shí)間為橫軸的位移曲線(xiàn)。

在設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型時(shí)，單個(gè)物體獨(dú)立運(yùn)動(dòng)主要用于機(jī)構(gòu)中每個(gè)構(gòu)件的位移曲線(xiàn)比較簡(jiǎn)單的情況，如勻速移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，像各類(lèi)齒輪機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)等。由于它們都是定比傳動(dòng)，相互嚙合的兩個(gè)構(gòu)件隨時(shí)間變化轉(zhuǎn)過(guò)的角度很容易確定，因此可以將它們的轉(zhuǎn)動(dòng)分別設(shè)置成動(dòng)畫(huà)，并使兩個(gè)構(gòu)件在初始狀態(tài)正確嚙合，那么，動(dòng)畫(huà)打開(kāi)后，儼然是一個(gè)構(gòu)件帶動(dòng)另一個(gè)構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)了?，F(xiàn)以圓柱人字齒輪為例，如圖1所示。

圖1 圓柱人字齒輪

大小兩個(gè)齒輪沒(méi)有層級(jí)關(guān)系，根據(jù)傳動(dòng)比分別設(shè)計(jì)它們的動(dòng)畫(huà)，運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)如圖2、圖3所示。

圖2 大齒輪運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn) 圖3 小齒輪運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)

對(duì)于那些各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律比較復(fù)雜，但是通過(guò)解析計(jì)算可以獲得其運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)物體來(lái)講，對(duì)每個(gè)構(gòu)件設(shè)置獨(dú)立運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)，從而構(gòu)建機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型的方法也是可行的。因?yàn)樵赥rack view或在Motion命令面板中，輸入一些關(guān)鍵值后，通過(guò)選擇關(guān)鍵點(diǎn)處的切線(xiàn)類(lèi)型，可以將點(diǎn)擬合成所需要的任何復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)。

2.對(duì)機(jī)構(gòu)中的有限構(gòu)件設(shè)置獨(dú)立運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)，利用構(gòu)件間的牽連關(guān)系構(gòu)建機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型

在很多時(shí)候，我們不需要設(shè)置或很難設(shè)置每一個(gè)構(gòu)件的獨(dú)立的動(dòng)畫(huà)，只要設(shè)置機(jī)構(gòu)中一兩個(gè)構(gòu)件的動(dòng)畫(huà)，通過(guò)牽連關(guān)系就能實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。建立構(gòu)件間的層級(jí)關(guān)系是實(shí)現(xiàn)牽連運(yùn)動(dòng)關(guān)系的前提，在3DS中，層級(jí)的建立依靠鏈接（Link）命令很容易實(shí)現(xiàn)，再在運(yùn)動(dòng)（Motion）面板中利用正、反向運(yùn)動(dòng)功能確定各層之間的的牽連運(yùn)動(dòng)關(guān)系。這樣，一兩個(gè)構(gòu)件的動(dòng)畫(huà)制作完成后，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型也就完成了。

(1)利用正向運(yùn)動(dòng)功能，構(gòu)建機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型

層級(jí)關(guān)系建立后，構(gòu)件被分成不同的等級(jí)，上層是下層的父物體，下層則是上層的子物體。正向運(yùn)動(dòng)功能使得父物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，可帶動(dòng)子物體運(yùn)動(dòng)，而子物體運(yùn)動(dòng)不能帶動(dòng)父物體運(yùn)動(dòng)。正向運(yùn)動(dòng)的鎖定和繼承關(guān)系可以限定子物體，使之不能做獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，并且使子物體有選擇地繼承父物體運(yùn)動(dòng)。在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型制作中，正向運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用很多。 #p#page_title#e#

以對(duì)心直動(dòng)推桿盤(pán)狀凸輪機(jī)構(gòu)為例，介紹正向運(yùn)動(dòng)功能在構(gòu)建機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型中的應(yīng)用，如圖4所示。

圖4 凸輪機(jī)構(gòu)

在凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型構(gòu)建過(guò)程中，首先建立虛擬物體，并為其指定Path控制器，使虛擬物體沿凸輪輪廓曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。在3ds max中，這種沿曲線(xiàn)的移動(dòng)是勻速的，與凸輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)虛擬物體的運(yùn)動(dòng)情況不相符。因此，根據(jù)凸輪輪廓曲線(xiàn)的具體形狀，虛擬物體隨凸輪轉(zhuǎn)角變化的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)改變后，如圖5所示。

圖5 虛擬物體運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)

為了使虛擬物體始終處于轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪輪廓與推桿運(yùn)動(dòng)軌跡的交點(diǎn)處，利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理，為凸輪設(shè)置一個(gè)反向的轉(zhuǎn)動(dòng)（與其實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同），轉(zhuǎn)動(dòng)角度隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，如圖6所示。

圖6 凸輪運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)

準(zhǔn)備工作基本完成后，接下來(lái)需要建立層級(jí)關(guān)系，使推桿成為虛擬物體的子物體，這樣虛擬物體運(yùn)動(dòng)就可帶動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)了。為使推桿直動(dòng)，限定推桿只繼承虛擬物體Z軸方向的運(yùn)動(dòng)，凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型就建成了。

(2)利用反向運(yùn)動(dòng)功能，構(gòu)建機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型

在機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，如果運(yùn)動(dòng)構(gòu)件之間相互影響，也就是說(shuō)，子物體反過(guò)來(lái)還可以影響父物體，使父物體受到子物體約束，就需要反向運(yùn)動(dòng)功能了。反向運(yùn)動(dòng)關(guān)系可以通過(guò)限定子物體的運(yùn)動(dòng)范圍來(lái)約束父物體運(yùn)動(dòng)。下面，以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為例，說(shuō)明反向運(yùn)動(dòng)功能在構(gòu)建機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型中的應(yīng)用，如圖7所示。

圖7曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

首先要在各構(gòu)件之間建立層級(jí)關(guān)系，并據(jù)此確定它們的運(yùn)動(dòng)牽連關(guān)系，從而使它們形成一個(gè)有機(jī)的整體。在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，由于連桿做平面運(yùn)動(dòng)，無(wú)法使連桿同時(shí)移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，所以在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，就產(chǎn)生了兩個(gè)層級(jí)關(guān)系。

接下來(lái)，根據(jù)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，建立如下運(yùn)動(dòng)約束。

1)對(duì)于轉(zhuǎn)盤(pán)，正向運(yùn)動(dòng)鎖定所有方向的移動(dòng)和X、Y軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)，使之只能在XOY平面繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。反向運(yùn)動(dòng)激活Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2)對(duì)于銷(xiāo)1 ，正向運(yùn)動(dòng)鎖定所有方向的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，繼承所有方向的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，反向運(yùn)動(dòng)不激活任何轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)。使之作為原動(dòng)件的子物體，與原動(dòng)件沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

3)對(duì)于連桿，正向運(yùn)動(dòng)鎖定所有方向的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，使之不能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，并繼承Y向移動(dòng)和Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。反向運(yùn)動(dòng)激活Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。

4)對(duì)于銷(xiāo)2，正向運(yùn)動(dòng)鎖定所有方向的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，繼承所有方向的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，反向運(yùn)動(dòng)不激活任何轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)。使之作為原動(dòng)件的子物體，與原動(dòng)件沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

5)對(duì)于滑塊，正向運(yùn)動(dòng)鎖定X、Z方向的移動(dòng)和所有方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，使之只能沿Y軸做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。反向運(yùn)動(dòng)不激活任何方向的轉(zhuǎn)動(dòng)和X、Z方向的移動(dòng)。

設(shè)置完成后，通過(guò)交互式IK方式將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)置成動(dòng)畫(huà)。由于構(gòu)件間已建立了正反向運(yùn)動(dòng)的牽連關(guān)系，將圓盤(pán)的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)做成動(dòng)畫(huà)，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模型就建成了。

三、結(jié)束語(yǔ)

利用三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)制作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型，極大地降低了材料與時(shí)間成本，同時(shí)，由于能夠建立準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)，確定構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，并能對(duì)構(gòu)件所受的運(yùn)動(dòng)阻力、慣性力等進(jìn)行模擬，由三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)構(gòu)建的機(jī)構(gòu)模型就具有了足夠的仿真性

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