常瀟源，董學(xué)武，趙仁杰，師文濤，牛璽輝

（蘭州蘭石集團(tuán)能源裝備研究院，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

輪轂作為火車最重要的結(jié)構(gòu)之一，對火車平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要，其性能、重量和使用壽命都有較高要求。目前國內(nèi)輪轂生產(chǎn)主要分為鑄造法和鍛造法，后者有助于提高火車輪轂物理性能，且鍛造質(zhì)量較好，鍛后強(qiáng)度是普通鑄造的3 倍，市場前景較為廣闊?；疖囕嗇炛悄苠懺焐a(chǎn)線以工業(yè)機(jī)器人為基礎(chǔ)，通過運(yùn)動智能控制系統(tǒng)極大地縮短工序銜接時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，其智能化需求日益明顯。

SolidWorks Composer 是獨(dú)立新穎的可視化設(shè)計(jì)仿真平臺，有效地將SolidWorks 三維功能與動畫仿真功能進(jìn)行結(jié)合，其輸出制作的生產(chǎn)線動畫對用戶了解生產(chǎn)線布局、掌握設(shè)備工作節(jié)拍和產(chǎn)品推廣具有重要意義。本文以火車輪轂智能鍛造生產(chǎn)線為例，講述產(chǎn)線從機(jī)械建模到仿真動畫設(shè)計(jì)的交互設(shè)計(jì)過程，為機(jī)械領(lǐng)域相關(guān)產(chǎn)線研究提供理論基礎(chǔ)。

1 SolidWorks Composer 平臺

SolidWorks Composer 是將SolidWorks 強(qiáng)大的三維建模功能和可視化演示功能相結(jié)合的一個獨(dú)立的應(yīng)用軟件，極大地改變了用戶交付產(chǎn)品的單一方式，由傳統(tǒng)的三維建模爆炸視圖功能轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮閺?fù)雜和人性化的可視化設(shè)計(jì)輸出?？梢愿鶕?jù)3D CAD 數(shù)據(jù)發(fā)布2D 和3D 的文檔輸出，其中軟件的主要數(shù)據(jù)來源可以是多種3D CAD 系統(tǒng)，具有良好的交互設(shè)計(jì)功能。高質(zhì)量的演示視覺設(shè)計(jì)對于提升機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量和推廣生產(chǎn)線工藝具有積極作用，配合少量的文字和智能化的視圖便可以直觀的表達(dá)復(fù)雜的產(chǎn)品，可以更好地豐富機(jī)械領(lǐng)域三維建模的可視化體驗(yàn)，直觀地表達(dá)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和演示產(chǎn)品功能。

2 智能鍛造生產(chǎn)線三維模型建立

2.1 模型建立

火車輪轂智能鍛造生產(chǎn)線三維模型建立主要依托SolidWorks 三維建模軟件，該軟件采用智能化的參數(shù)變量式設(shè)計(jì)理念，將零件的尺寸的設(shè)計(jì)采用參數(shù)化進(jìn)行描述修改[1]，生產(chǎn)線主要模型包括環(huán)形加熱爐、工業(yè)機(jī)械手、液壓站、預(yù)成形壓機(jī)、成形壓機(jī)、沖孔壓機(jī)、下料臺、操作室等設(shè)備。

2.2 工業(yè)機(jī)械手三維建模

工業(yè)機(jī)械手可滿足棒料、盤件等大型模鍛件的熱態(tài)轉(zhuǎn)運(yùn)需求，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括底座、機(jī)架、大臂、折臂等組成，采用折臂式結(jié)構(gòu)，具有小體積、大負(fù)載、運(yùn)行穩(wěn)定和高精度等特點(diǎn)，與快鍛造機(jī)通過智能控制系統(tǒng)可以完成棒料夾取、模鍛、轉(zhuǎn)運(yùn)、設(shè)備復(fù)位等動作。機(jī)械手建模主要包括對于換料夾鉗、連桿、底座、銷軸、油缸等部分，通過SolidWorks 的草圖繪制完成二維設(shè)計(jì)，后結(jié)合軟件拉伸旋轉(zhuǎn)凸臺/基體特征、掃描、放樣特征和筋孔特征等，完成實(shí)體建模工作[2]，后通過添加三維零部件、添加約束等步驟，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手整體裝配，如圖1 所示。

圖1 工業(yè)機(jī)械手三維模型示意圖

2.3 壓機(jī)三維建模

模鍛造機(jī)在生產(chǎn)線中分為預(yù)成形壓機(jī)和成形壓機(jī)兩種，機(jī)械結(jié)構(gòu)大致相同，主要是壓機(jī)上下橫砧結(jié)構(gòu)不同，壓機(jī)可以實(shí)現(xiàn)火車輪轂鑄件的中心定位和模鍛鍛造，通過預(yù)成形和最終成形兩個工序完成火車輪轂外形的最終鍛造，通過多頻次鍛造最終使零件達(dá)到設(shè)計(jì)要求，主要配合工業(yè)機(jī)械手完成相應(yīng)的工序，根據(jù)機(jī)械手的工作節(jié)拍完成鍛造，機(jī)械三維建模也由草圖外形輪廓設(shè)計(jì)、三維機(jī)構(gòu)建模和裝配設(shè)計(jì)等步驟進(jìn)行，如圖2 所示。

圖2 快速模鍛造機(jī)三維模型示意圖

2.4 其他模型建立

生產(chǎn)線其他模型如熱處理加熱爐、下料臺、控制操作室、廠房立柱、液壓站等基本為靜置設(shè)備，運(yùn)動較為簡單，主要可以通過二維草圖繪制編輯、拉伸旋轉(zhuǎn)切除、實(shí)體特征編輯修改、整體裝配約束等步驟進(jìn)行，生產(chǎn)線所有模型建立完畢后，根據(jù)生產(chǎn)線實(shí)際工況和廠房位置進(jìn)行布置，通過整體裝配完成生產(chǎn)線初期設(shè)計(jì)。

3 生產(chǎn)線可視化仿真設(shè)計(jì)

3.1 模型前期處理

三維機(jī)械模型建立完成后，需要對模型進(jìn)行進(jìn)一步處理優(yōu)化，由于3D 模型導(dǎo)入到SolidWorks Composer 以單個實(shí)體的形式進(jìn)行，在裝配整體中添加的幾何約束不能被識別，比如原有的同軸、重合等特性不能被識別，這就造成在進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)時(shí)，運(yùn)動部件中包含的零部件較多而導(dǎo)致選取工作量巨大，需要對活動部件以零件形式進(jìn)行重新裝配，如工業(yè)機(jī)械手需要根據(jù)實(shí)際產(chǎn)線工況進(jìn)行運(yùn)動分析，確定活動部件和聯(lián)動部件，并將底座、活動連桿、油缸、夾鉗依次連接并擺放至所需工序位置，如需要可將裝配部件重命名，再重新導(dǎo)入到Composer中，模型前期處理結(jié)束就可以完成可視化動畫的動畫視口、時(shí)間關(guān)鍵幀和位置關(guān)鍵幀等的設(shè)置，通過子父級逐層嵌套設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)活動部件的動作協(xié)同與聯(lián)動[3]。

3.2 生產(chǎn)線工藝流程

火車輪轂智能鍛造生產(chǎn)線主要依托上下料機(jī)械手、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手、預(yù)成形壓機(jī)、成形壓機(jī)、熱處理爐等設(shè)備，按實(shí)際生產(chǎn)工序完成熱處理棒料預(yù)壓成形、模鍛成形和轉(zhuǎn)運(yùn)零件等相關(guān)工序動作銜接，工業(yè)機(jī)械手和快速鍛造壓機(jī)在各自動作結(jié)束后自動復(fù)位，等待下一個棒料成形工序。

產(chǎn)線工藝流程包括上料機(jī)械手將棒料送至環(huán)形加熱爐—環(huán)形加熱爐加熱棒料—環(huán)形加熱爐出料—轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手1 鉗桿上升、對中找平—轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手1夾取棒料、后鉗架縮回—轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手1 車體回轉(zhuǎn)至預(yù)成形壓機(jī)—轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手1 放料、縮回復(fù)位—預(yù)成形壓機(jī)對中、預(yù)成形墩粗棒料—轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手2 夾取棒料，轉(zhuǎn)運(yùn)至成形壓機(jī)—轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手2 放置棒料，后復(fù)位—成形壓機(jī)對中，壓制火車輪轂外形—下料機(jī)械手夾取鍛后成品并放至下料臺—下料機(jī)械手復(fù)位這些工序，該流程對于可視化設(shè)計(jì)至關(guān)重要，是演示推廣的核心，依據(jù)工藝流程可以對產(chǎn)線動作部件、運(yùn)動動作、工作節(jié)拍、設(shè)備活動范圍進(jìn)行羅列梳理，可以依據(jù)工藝流程完成機(jī)械結(jié)構(gòu)交互設(shè)計(jì)，提高仿真效果和質(zhì)量，對于三維機(jī)械結(jié)構(gòu)如何在Composer 中進(jìn)行子父級連接、樞軸屬性設(shè)置進(jìn)行梳理，使動畫過程簡單明了[4]，如圖3 所示。

圖3 火車輪轂鍛造產(chǎn)線工藝流程圖

3.3 演示動畫制作

演示動畫制作之前根據(jù)工藝流程圖進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在SolidWorks Composer 中將活動部件的屬性進(jìn)行設(shè)置，比如將連桿等活動部件，根據(jù)實(shí)際工況的旋轉(zhuǎn)情況，在屬性設(shè)置中將其運(yùn)動機(jī)構(gòu)鏈接窗口中，將其鏈接類型改為樞軸，并點(diǎn)擊設(shè)置樞軸功能，將其樞軸設(shè)置在相對固定旋轉(zhuǎn)的中心，其他運(yùn)動部件依次進(jìn)行操作即可，后用軟件中運(yùn)動機(jī)構(gòu)的鏈接功能，選擇子集到父級選項(xiàng)，對于運(yùn)動部件鏈接[5]。動畫在輸入軟件之后需對需要隱藏的部件、設(shè)備顏色和模型正確性進(jìn)行核對，此外，生產(chǎn)線可視化設(shè)計(jì)要考慮視口因素，將生產(chǎn)線視角放置在合適的位置，可以通過“作者—工具—網(wǎng)格—在幾何圖形上創(chuàng)建網(wǎng)格”和“動畫—路徑—創(chuàng)建相機(jī)關(guān)鍵幀”等設(shè)計(jì)合適的視角，提高動畫交互舒適感[6]。

3.3.1 生產(chǎn)線標(biāo)簽設(shè)置

標(biāo)簽是軟件中指向幾何角色的帶有文本框的裝配標(biāo)注，標(biāo)簽設(shè)置可以將生產(chǎn)線各個設(shè)備名稱進(jìn)行直觀的反映，少量的文字更有助于提高宣傳推廣效果[7]，將火車輪轂智能鍛造生產(chǎn)線三維模型導(dǎo)入后，將熱處理爐、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手、壓機(jī)等設(shè)備通過屬性窗口設(shè)置視口關(guān)鍵幀，后通過“作者—標(biāo)注—標(biāo)簽”步驟進(jìn)行設(shè)置，對各個設(shè)備進(jìn)行逐個添加，可以設(shè)置標(biāo)簽顏色、文字內(nèi)容、字體大小和透明度等屬性，后可以通過在時(shí)間軸上復(fù)制移動標(biāo)簽關(guān)鍵幀達(dá)到控制標(biāo)簽出現(xiàn)時(shí)長的設(shè)定，如此可實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽明暗顯示和持續(xù)時(shí)間長短的設(shè)置，如圖4 所示。

圖4 動畫標(biāo)簽設(shè)置界面示意圖

3.3.2 簡單運(yùn)動設(shè)備設(shè)計(jì)

上文對于工業(yè)機(jī)械手這種復(fù)雜的運(yùn)動關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)，產(chǎn)線中如熱處理反應(yīng)爐、火車輪轂鑄件、預(yù)成形壓機(jī)、成形壓機(jī)這些設(shè)備的動作較為單一，一般為直線運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，如熱處理爐門開閉、輪轂加工件運(yùn)動、壓機(jī)啟停等簡單運(yùn)動，可以通過“變換—平移/自由拖動”、“變換—旋轉(zhuǎn)”或“對齊樞軸”等操作實(shí)現(xiàn)設(shè)備直線運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，其中，對于火車輪轂鑄件來說，其運(yùn)動形式是變化的，即鑄件根據(jù)不同轉(zhuǎn)運(yùn)工具所進(jìn)行的運(yùn)動的不同，需要多個運(yùn)動的連續(xù)轉(zhuǎn)換，該運(yùn)動需要在單個工序運(yùn)動中進(jìn)行屬性設(shè)置，設(shè)置鍛件屬性和樞軸的變換，如鍛件在上料機(jī)械手和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手的交接運(yùn)動中，前工序完成后需要在時(shí)間軸上記錄屬性關(guān)鍵幀和位置關(guān)鍵幀，并隔0.1s處記錄新的樞軸變化，從而完成動作銜接[8]。

3.3.3 工業(yè)機(jī)械手部件樞軸關(guān)聯(lián)及聯(lián)動設(shè)置

生產(chǎn)線中轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動動作主要包括機(jī)架180°旋轉(zhuǎn)、連桿升降、連桿伸縮、夾頭開閉和運(yùn)動部件從動等動作，需要單臂回轉(zhuǎn)和設(shè)備旋轉(zhuǎn)聯(lián)動實(shí)現(xiàn)，運(yùn)動屬性復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度較大，需要從底座開始進(jìn)行子父級鏈接，將屬性改為繞固定軸旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)，并逐個進(jìn)行運(yùn)動樞軸設(shè)置，通過逐級嵌套實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手聯(lián)動動作。各個運(yùn)動部件通過“變換—運(yùn)動機(jī)構(gòu)—鏈接—從子級到父級”的步驟進(jìn)行，設(shè)計(jì)要根據(jù)產(chǎn)線工藝設(shè)定子父級鏈接，并在設(shè)計(jì)樹中查看鏈接形式進(jìn)行檢查，鏈接設(shè)置完成后，在連桿中設(shè)置運(yùn)動機(jī)構(gòu)鏈接形式，并在時(shí)間軸上固定相應(yīng)關(guān)鍵幀進(jìn)行記錄，可以通過簡單運(yùn)動方式檢驗(yàn)鏈接形式是否合理可行，如圖5 所示。

圖5 機(jī)械手樞軸聯(lián)動設(shè)置界面示意圖

3.3.4 設(shè)備周期循環(huán)動作設(shè)置

對于火車輪轂加工件的生產(chǎn)，設(shè)備在完成單個動作中需要進(jìn)行自動復(fù)位，如快鍛造機(jī)每次鍛造之后需要將上砧復(fù)位，以待下次沖壓；機(jī)械手完成單次轉(zhuǎn)運(yùn)后需要自動旋轉(zhuǎn)復(fù)位，連桿需要升降收縮復(fù)位，這些循環(huán)往復(fù)的動作符合火車輪轂智能鍛造生產(chǎn)線的工藝要求，這就需要在軟件時(shí)間軸上對周期循環(huán)動作進(jìn)行設(shè)置，首先需要完成對于設(shè)備初始狀態(tài)的屬性設(shè)置，包括顏色、運(yùn)動連接類型、透明度、樞軸狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，并在時(shí)間軸窗口中記錄屬性、位置關(guān)鍵幀，后通過旋轉(zhuǎn)、平移等操作完成設(shè)備工藝動作并在時(shí)間軸上記錄，后框選單個動作的屬性幀，通過單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇對稱選項(xiàng)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動復(fù)位，操作簡潔高效。也可以通過全部框選時(shí)間軸上關(guān)鍵幀，按住Ctrl 鍵在時(shí)間軸上拖動復(fù)制功能，實(shí)現(xiàn)動作的一致性和完成性，如圖6 所示。

圖6 動作周期循環(huán)設(shè)置界面示意圖

3.3.5 生產(chǎn)線聯(lián)動動畫導(dǎo)出

將火車輪轂智能鍛造生產(chǎn)線動畫中設(shè)備屬性、動作設(shè)計(jì)、生產(chǎn)周期模擬等進(jìn)行完畢后，可以進(jìn)行動畫輸出，首先在狀態(tài)工具欄清除“顯示/隱藏紙張”選項(xiàng)，選擇“工作間—發(fā)布—視頻”用戶可以更改分辨率、時(shí)間范圍或應(yīng)用抗鋸齒效果，通過“文件—另存為—AVI”步驟進(jìn)行導(dǎo)出，可以實(shí)現(xiàn)視頻壓縮與畫質(zhì)調(diào)整，在視頻壓縮對話框中，選擇一種壓縮格式或“全幀/非壓縮格式”，從而完成火車輪轂智能鍛造生產(chǎn)線可視化演示[9]。

還可通過其他視頻合成軟件的形式，進(jìn)行添加聲音、特效處理等操作，使得火車輪轂智能鍛造生產(chǎn)線動畫可視化演示更具備立體效果，從而獲得帶圖像、文字、聲音等功能的仿真視頻，其次還可生成高分辨率圖像，配合軟件自帶的材質(zhì)庫，圖像效果非常逼真，發(fā)布后的文件，可以通過編程的形式，完成角色定制，實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境仿真到3D 互動操作地完整體驗(yàn)。

4 結(jié)束語

通過采用SolidWorks 三維建模進(jìn)行火車輪轂智能鍛造生產(chǎn)線所需機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及SolidWorks Composer 軟件對該生產(chǎn)線可視化仿真，實(shí)現(xiàn)了輪轂鍛造生產(chǎn)線的動畫演示，生動形象地呈現(xiàn)了智能化生產(chǎn)過程，并配合相關(guān)視頻軟件完成優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械三維建模和動畫交互設(shè)計(jì)結(jié)合。本文進(jìn)行的SolidWorks Composer 的火車輪轂智能鍛造生產(chǎn)線可視化設(shè)計(jì)研究有助于生動呈現(xiàn)傳統(tǒng)輪轂鍛造生產(chǎn)線自動化提升改造后的效果，更加直觀地向用戶表達(dá)生產(chǎn)線工藝流程和工序節(jié)拍，使得傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)賦予更加立體的展示，創(chuàng)造性地完成核心設(shè)備，即工業(yè)機(jī)械手的動作耦合聯(lián)動設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)鏈接部件的動作主運(yùn)動和從運(yùn)動的有效結(jié)合，對于火車輪轂智能鍛造生產(chǎn)線產(chǎn)品推廣具有積極的意義，本文研究方法也適用于其他機(jī)械產(chǎn)線設(shè)備的智能化升級和可視化推廣應(yīng)用，尤其對于多運(yùn)動協(xié)同動作設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，對產(chǎn)線升級完善提供新思路、新方法[8]。