基于3DVIA Composer的变速箱主动轴三维可视化装配工艺研究

张志航 程广伟 门清毅 孙小捞

摘  要：本文利用SolidWorks软件建立了某变速箱主动轴各零件三维模型和总体装配模型，通过3DVIA Composer软件对三维装配模型和装配环境进行渲染和预处理，并依据工程实际装配工艺过程制作了各零件三维可视化装配工艺文档。相对于传统的基于二维工程语言的装配工艺卡，三维可视化装配工艺能够合理展示各零部件的装配工艺内容与装配顺序流程，使装配工人能更直观的理解和掌握产品的装配工艺，进而提高产品的装配质量和装配效率。

关键词：三维模型;装配工艺;可视化工艺

中图分类号：TP391.7;TG95      文獻标识码：A 文章编号：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

在机械产品制造过程中，装配占用生产制造总工时的40% ～60%，超过40%以上的生产费用，对于结构复杂的产品，其所占比重将会更高[1]。据统计，在工业发达国家的产品生产过程中大约1/3左右的人力资源从事与装配有关的工作。

传统CAPP系统装配工艺卡属于抽象的二维工程语言，容易使工人理解错误，造成装配工艺准备时间过长、无法保证装配质量，装配效率较低[2]。当今市场对产品更新突破的要求越来越快，装配工艺也趋向于复杂性、随机性和多样性。随着制造业信息化的发展，国内外的大型制造企业均采用可视化装配工艺来保证产品性能和质量[3]。三维可视化装配工艺用工业动画的形式表达产品的装配、拆卸、维护过程，指导工人装配，提高装配工艺规划效率、提高装配工艺质量、缩短产品制造周期，提高产品转化为商品的效率[4]。

本文以某型变速箱主动轴装配工艺为例，用SolidWorks软件建立各零件的三维模型并完成总体装配，按照生产实际情况规划装配内容和装配工艺，通过3DVIA Composer软件对装配工艺过程进行动画仿真，最后生成视频文档，用以指导装配工人快速理解和掌握产品装配工艺过程。

1  三维模型装配

在可视化装配工艺设计之前，首先在SolidWorks软件中建立某变速箱主动轴各零件的三维模型并完成装配体设计。装配约束应与实际装配关系相同，通过干涉检查和间隙验证功能，检查装配工艺的可行性，评估产品设计的合理性。如图1所示，为主动轴装配体爆炸图。在建立整个零件的过程中，需要设置各零件的名称、材质等属性信息。

2  模型导入及预处理

2.1  三维模型导入

本文所用的可视化制作软件3DVIA Composer由法国达索公司开发，以三维模型为基础的图形软件。主要用于创建并维护包括用户手册、培训资料、现场维护修理指导、装配指导说明等产品文档，具备多元化的档案发布功能（PDF、AVI、CGM、SVG、TIFF、HTML、OFFICE、SMG）。

可直接将SolidWorks软件制作的装配体文件导入3DVIA Composer软件中进行可视化编辑。向3DVIA Composer软件导入三维模型时，需要设置导入配置文件，如图2所示。本文中所设计的三维模型均用SolidWorks软件创建，故可选择SolidWorks（默认）配置文件。其它格式的模型，如PTC ProE、CATIA创建的三维模型，可以自行定义相应的配置文件。

另外，如果需要在现有的3DVIA Composer模型中添加零部件时，需在模型打开界面右侧选中“合并到当前文档”单选项，如装配时所需的辅助工具、量具等零部件，往往要根据装配需要临时导入。

当新的零部件导入成功后，在3DVIA Composer操作界面中选中导入的零件，在工具栏选项中单击“变换（T）”，可以对不同零件做一些简单的配合，但是没有逻辑性约束，如图3所示。

2.2  模型预处理

在进行装配工艺可视化文档制作前，需要对当前工序装配时所用零件的颜色进行渲染，以及装配环境场景的设置。3DVIA Composer软件提供有完善的模型渲染功能模块和场景、灯光设置功能和零部件角色设置模块，为实现仿真动画提供必要的视觉基础，如图4所示。

其中，零件颜色可通过零件属性对话框，“颜色”选项进行设置，如图4（a）所示，对不同零件选择不同的颜色，以便于区分相邻的装配零件;场景渲染需在“渲染”工具栏“模式”中设置，如图4（b）所示，选取合适的渲染方式进行渲染，同时通过创建光源实现对模型光亮的設定，本文中选用平滑渲染（不带轮廓）。

3  装配工艺可视化文档制作关键步骤

装配工艺可视化实际上就是先将装配好的模型拆解，然后依据产品的实际装配序列和路径，按照时间上的先后顺序进行动态仿真装配。在仿真装配过程中可对零部件的运动类型、路径约束、操作要求等进行定量、定性分析及直观可视化的表达。

3.1  可视化文档制作关键步骤

在3DVIA Composer软件中，模型的任何变动都被记录做关键帧，关键帧在时间轴窗格上进行创建和编辑，在时间轴上不同的时间点记录所需的关键帧，对其进行连续播放就形成动画。所以，装配工艺可视化表达的关键就是制作合适的关键帧。关键帧控制一个零件在特定时刻的特性。关键帧分三种类型：位置关键帧、照相机关键帧和Digger关键帧，分别用来记录零部件的位置、方位和局部特性。可根据工艺表达的需要设置相应的关键帧。

在可视化文档制作中，常用的方法是：先显示装配位置的视角，然后零件出现，再进行零件装配。这就需要提前将所需要装配的零件进行隐藏，在需要进行装配某个零件时再显示出来。

下面以图1所示的变速箱主动轴装配第一道工序为例，说明可视化装配工艺制作过程，如图5所示。

（1）在3DVIA Composer模型属性管理器中将变速箱主动轴装配体导入后的位置设置为中性属性，以便于零件拆解后能自动恢复原始装配位置;并将装配体中所有零件隐藏，可通过设置“不透明性”为0来实现，仅保留第一道装配工序所需零部件的不透明性为255。

做动可视化装配工艺时，需要一个合适的视角来展现动装配过程中的每个动作，需要使用3DVIA Composer的旋转、放大和移动的功能为本装配工序的第一工步找到一个合适视角。在时间轴窗格0秒处，使用“设置照相机关键帧”功能，将该视角固定在动画的第一帧。将第一帧位置的照相机关键帧按住Ctrl键在时间轴窗格中向后拖动一段时间，一般以1s为单位。使其播放时会将初始的视角延续一段时间，让后面零件的显现不显得突兀。

（2）将时间标杆向后移动一段时间，将需要装配的第一个零件先平移一段距离再显示出来。软件会在这一帧的位置自动记录此零件的位置关键帧，再将此零件的不透明度设置由0改为255，如图5（a）所示。零件从隐藏到完全显示的时间不易过长，做动画时一般是用相邻时间格的两个关键帧来完成。

（3）将时间标杆向后移动一段时间，完成第一个零件的装配复位，可通过“恢复中性属性”完成位置关键帧设置。在两个时间之间进行连续播放，就形成可视化的装配工艺动画。

在每道装配工序时间段内，有时需要添加工艺要求、零件名称等说明性文字，可通过添加“标签”来实现，如图5（b）所示。插入标签同样需要在时间轴上进行将不透明度从0到255的关键帧设置，显示过程时间一般为0.1s，而标签的存在时间则可根据说明内容的多少设置时间。

其它装配工序可视化装配制造过程与上述过程类似。

3.2  视频输出

3DVIA Composer可将制作的可视化文档，保存为视频格式，一般为avi格式。点击工具栏上的“工作间（W）”，选择“视频”，就可设置输出视频的保存路径、分辨率和视频输出范围（界面范围或时间轴范围），也可对视频进行抗锯齿处理，通过“多重采样”或抗“抖动”提高视频输出质量。默认的视频转码格式保存文件较大，视频输出时，可以选择合适的压缩格式。

4  结  论

本文用SolidWorks软件设计某型变速箱主动轴各零件三维模型，并进行虚拟装配。通过3DVIA Composer对模型进行渲染和装配场景设置，依据工程实际规划装配工艺流程，并用动态可视化仿真装配工艺过程，输出视频文档。可视化装配工艺，打通了二维装配工艺卡与三维可视装配工艺之间的关系。三维可视化装配工艺能够合理地展示装配工艺内容与装配顺序流程，将复杂繁琐的二维装配工艺表达的简明清楚，使装配工人能够直观的理解和掌握产品的装配工艺过程，从而提高装配质量和装配效率。本文所用的可视化装配工艺文档制作方法，可适用于其它机械装配工艺可视化表达。

参考文献：

[1] 杨文欣，岑选君，赵志洁，等.基于3DVIA Composer三维可视化工艺设计 [J].拖拉机与农用运输车，2014，41（2）：74-75+78.

[2] 周亚丽，江征风，王立伟，等.基于3DVIA Composer的金刚石线切割机装配工艺可视化研究 [J].现代制造工程，2015（3）：71-74+131.

[3] 陈鑫，仲梁维，刁丽慧.基于Solidworks Composer的多轴滑台斜拉机构装配可视化研究 [J].软件导刊，2018，17（2）：158-160.

[4] 薛周萍.SOLDIWORKS Composer——自动化行业应用案例 [J].智能制造，2016（6）：43-45.

作者简介：张志航（1981-），男，汉族，河南许昌人，讲师，博士，研究方向：先进制造技术、智能制造。