基于SolidWorks 的焊接、涂装设备建模及车间漫游动画

陈静，桑清宇，李志武

（中机第一设计研究院有限公司，合肥230601）

1 引言

工业行业涉及的专业广，需要的专业软件多，很难有一个三维软件提供所有的专业产品。SolidWorks 是目前机械行业使用最广泛的三维软件，它提供了统一的数据格式，与外部其他系统和数据保持良好的兼容性。数据兼容性是数据互用的前提，重复利用解决了个人的工作效率，更是提高企业效率的关键。

本文利用SolidWorks 三维软件对车间设备进行三维建模，并分组实现虚拟装配，利用软件本身的动画制作功能，设置合理路径，实现相机视角的车间动画漫游。这些漫游动画经过视频加工软件联接、添加文字和配音，可以形成完整的工厂三维档案。这些记录保证了现场环境在计算机中的真实还原，为工厂分析、后期设备改造、安装等提供了最佳的三维资料。施工人员可以随意地选择观察的地点和角度，根据施工现场的具体情况调整施工方案。直接通过电子邮件发送AVI 格式动画文件，加快了设计观点的交流，缩短了设计周期。

2 SolidWorks 建模

本文项目来源山东某工程机械有限公司，大型挖掘机产品开发研制的生产基地。本文只对该基地挖掘机结构件斗杆、动臂、X 架、主架、车架的焊接、加工、涂装车间进行SolidWorks建模及动画。

2.1 SolidWorks 零件建模(.sldprt)

每台设备都由零件组成，建立零件的三维模型，是实现虚拟装配的基本要求[1]。SolidWorks 是基于Windows 开发的三维CAD 软件系统，特征参数化、交互建模和编辑复杂实体的能力强大，可以快速进行概念设计和结构细节设计。

一般零部件的建模过程如下：（1）用纸质图纸文件生成模型；（2）用“.dwg”格式的三维文件生成模型；（3）用“.pdf”格式的图纸文件生成模型；（4）用“.dwg”格式的二维文件生成模型。SolidWorks 有螺栓、螺母、键、齿轮、轴承等标准件库，可以快速建立标准件的三维模型，大大减少建模的工作量。

零部件建模的过程中，要注意模型轻量化，常见的方法有：

1）模型的简化处理：避免模型细节可以缩减文件大小，提高速度。通过减少多边形的面，或是除去非可视的隐藏部分等方法来完成。

2）减少复杂圆角特征的使用：为表达较好的细节，同时减少模型尺寸，在建模过程中，建议圆角特征后建模，这样得到的带圆角模型的尺寸较低。

3）采用贴图方式：一些较为复杂的模型表面，如纹理、缕空、阵列、凹凸等，采用实体拉伸和切除建立的模型比较精致美观，但也会产生大量的特征面，占用巨大的系统资源，对于此类模型，在不是必须的地方采用贴图模式，既节省了系统资源又可以获得非常好的效果。

建模时先做外形，再做内部结构；先做整体，后做细节；主要特征在前，次要特征在后；建模步骤要精简,可以一步完成的就不用2 个特征，尽量避免使用如放样、扫描、抽壳、复杂圆角等高级建模特征。遵循此类的建模准则，可提高模型的可修改性，减少模型的尺寸。

2.2 SolidWorks 设备建模(.sldasm)

机械产品装配体是实现动画仿真的基础和前提。对于机械设计而言，单纯的零件没有实际意义，必须装配成完整部件或机器实体。装配不仅是表达零件之间的配合关系，也是运动分析、干涉检查和实现动画的基础。装配的方法是按照机械产品实际工作时的各种相对运动关系，按照从下到上或者从上到下的原则，将准备好的零件逐一插入装配体文件，并依次添加零件之间的配合关系[2]。由此得到焊接设备136 台，焊接辅助设备77 台，机加工设备9 台，起重设备36 台，RGV 小车线6 条，共264 台设备。

2.3 SolidWorks 车间建模(.sldasm)

在工业生产线中，原材料和成品的码放、立体仓库、加工设备等大量重复的模型一般会用到阵列的操作模式。超大规模复杂阵列模型会极大增大运算负担，应尽量避免使用。如果不是主要的表现场景，则可以用简模配贴图表达。若是需要详细表现的场景，则可以通过改变阵列类型来降低运算量。模型的阵列分几何阵列和实体阵列，实体阵列是一个步骤特征，而几何阵列是把阵列对象几何元件化，阵列出来的是单个零件几何体而不是特征[3]。所以几何阵列比实体阵列运算减少，速度提升可以加速阵列的生成及重建。

SolidWorks 建立车间的屋顶、气楼、墙面、窗户、门、道路、柱子等，装配成车间建筑模型，并按照实际生产的工艺要求，在车间内布置原材料、成品、加工设备、运输设备等，实现1：1建模车间，共6 跨，包括大挖斗杆线、大挖动臂线、X 架生产线、主架生产线、车架生产线、涂装生产线。

装配并渲染后的厂房及设备布置如图1 和图2 所示。

图1 SolidWorks 厂房效果图

图2 SolidWorks 车间设备装配效果图

3 车间漫游动画

因为整个车间包括建筑物、设备等大量模型，最终动画成果即包括厂房鸟瞰的效果图，又有车间内部展现工艺路线和产品制造等细节漫游，模型的数据量相当大，动画采用分镜头表示方式。

三维动画中的漫游路线是按照事先设定好的摄像机路径决定的，这种特性可以采用分镜头的特性。就是一次只装入场景的一部分，表现完装入的这一部分后再装入另一场景，跟据摄像机的路径切换不同场景，以表现出全部内容。这样，可以避免一次装入过多的内容而导致系统数据溢出，可以用较低的物理资源来表现较大的场景。

车间漫游属于有复杂轨迹的运动，优先选用路径配合制作动画。首先建模相机橇，确定相机橇运动所经过的位置点，根据这些位置点绘制样条曲线，添加路径配合，在相机橇上添加相机，调整视角，通过相机橇沿路径位置变换，实现车间漫游视角。

车间共6 跨，分成6 个镜头，其中大挖斗杆线和涂装线如图3、图4 所示。

图3 大挖斗杆线

图4 涂装线

4 动画渲染及后期处理

动画制作完成后，只有将做好的动画渲染成影像文件，观看者才能用普通播放器收看。通过选取材质、贴图、背景和光源等，使用SolidWorks 的插件PhotoWorks 渲染器，对Animator编辑的动画进行整体渲染。设置输出动画的图像分辨率，在文件菜单中，通过另存为菜单，视频保存类型选择tga 格式，因为此格式与视频编辑软件After Effects 有接口，将tga 序列帧导入After Effects 软件，以图层为基础，可以加入wav、aiff 格式的音频文件，实现文字、声音、颜色、亮度、背景、特效等的编辑工作，这样就完成了一部带图、文、声等功能的仿真视频（见图5）。

5 SolidWorks 与3D MAX 比较

1）SolidWorks 是实体造型，与真实的产品一样，且能完成各种复杂曲面造型。而3DMAX 中的造型是以面来代替的，即剖开后中间是空的，不是真正的实体。

2）SolidWorks 具有各种装配关系，使装配方便、准确。

3）SolidWorks 制作复杂动画和质子系统时，效果不如3DMAX。

图5 仿真视频截图

4）3DMAX 是在电脑上制作动画而被广泛使用的软件，尽管它的许多功能都受到了用户的好评，但其三维建模能力有限，通常由专用软件完成建模，再把模型转入到3DMAX。

6 结语

研究表明，SolidWorks 不仅具有强大的三维建模功能，而且可以通过Animator、PhotoWorks 等插件与After Effects 软件的结合完成产品的后期仿真动画，更好地表达设计思想，便于产品展示和技术交流。