基于3DVIA Composer快速制作三维仿真动画及建立模型的方法探讨

王莉

摘要：本文通过对3DVIA Composer软件制作装配仿真动画的方法研究，肯定并阐述了其快速制作仿真动画的优势，对其制作流程中能够有效提高制作动画效率的方法进行探讨归纳，并结合实际案例具体是如何实现的，阐明了3DVIA Composer在快速制作动画方面的一些有益的参考方案建议以满足实际运用需求。提出了使用SketchUp软件来快速创建三维模型的优势，并可与3DVIA Composer软件转化衔接来制作仿真动画。这些都成为虚拟交互的一部分，由此衍生出了目前虚拟制造蓬勃发展的事态和结合智能制造应用的展望。

关键词：3DVIAComposer；仿真动画；虚拟交互；SketchUp；智能制造

1 引言

在产品的设计研发过程中需要为产品配套好的说明手册、展示和宣传方式，这是产品设计制造发展的必然需求和提高产品竞争力的方法之一。如何准确、直观且形象地将产品结构、功能、装配关系及装配过程表达出来，以及模拟关键工况的运行效果，传统的表达三维仿真动画软件如3Ds max、Maya等虽能将其参数化表现出来，但产品数模却不容易实时更新和替换，即渲染完成后如需修改以前的3D数据模型，将需要重新制作仿真动画和渲染，这将浪费了有限的时间和大量的资源。在此基础上，如何快速便捷地制作三维仿真动画以及对其方法进行分析归纳总结显得尤为重要，在提高设计研发能力和生产加工工艺方面可以做到节约时间和成本，增强产品认知与体验的效果，如图1所示。

2 3DVIA Composer简介

3DVIA Composer是法国Dassault System（达索）公司研制出的一款图形设计软件[1]。与传统的CATIA、UG、Pro-E和SolidWorks等三维建模软件不同，它着眼于快速地导入产品三维模型，对模型的位置、材质和装配信息等进行编辑处理，并以发布多种格式的技术文档以及渲染生成装配仿真动画为最终目的。因此，3DVIA Composer是一款非常优秀的沟通软件，且不限于工程师之间，还可以应用于内容提供者与用户之间。此外，3DVIA Composer具有较强的过程三维显示功能，对其中刚性模型的任何变动都可以被记录为动画，可以极大地减轻识别文字与图纸的繁琐工作。

3 3DVIA Composer制作仿真动画的优势

3DVIA Composer制作动画的原理是关键帧动画，关键帧动画的工作原理是通过记录模型在更改前与更改后的起始点和结束点，并由计算机完成状态改变点之间的过渡变化，通过将一系列的静态连续场景动态化的手段，将生成的展示内容用于仿真再现动作过程及说明文档。构成仿真动画的关键帧有位置关键帧、照相机关键帧、效果关键帧（控制热点、透明度等）、形状关键帧、剖切面关键帧以及digger关键帧。剖切面关键帧如图2所示，digger关键帧如图3所示。

采用3DVIA Composer软件来制作三维仿真动画，亦能将产品的安装装配、拆卸、检查和维护等过程清楚地展示，可以指导工人的实际操作，提高装配效率与质量，节省了产品从研发到实际投入生产的时间。关键其还可以实现观看方式和细节认知的人机交互体验，并可将产品相关辅助技术资料表达出来，以及实现自动更新产品的文档编制。

其快速直观的展示能力，不仅有利于形象化的宣传，还可清晰地表达产品的形态外观，可用于制作维护说明手册、工艺卡片、培训装配员工和介绍产品演示等，如图4所示。更为重要的是，其在作为虚拟展示的过程中，可以通过交互式的体验，包括自身内容相关环节精细化、场景中相关元素差异化的观看方式等，将人与机器界面交互在设计过程和最终展示目的间很好地协调起来。其中，交互性是指用户对场景中的元素可操作程度及从环境中得到反馈的真实程度。在这样的设计中，用户需在实施过程中控制信息的各个方面，根据实施的目的需求和建模展示习惯来得到技术的输出。而在3DVIA Composer中，基础动画、关键帧设置、引导标签和文本属性链接是實现虚拟展示及交互技术的关键。

4 3DVIA Composer快速制作仿真动画的方法

3DVIA Composer通过简化处理其他CAD软件建立的模型，在产品早期的设计阶段就进行快速地三维技术展示，优化从设计的设计要求及制造的工艺要求，以及在相关过程中对投入的资源进行可实施性评价。

4.1 维护说明手册

在产品设计中期，可利用3DVIA Composer与主流三维设计工具充分集成的优势，进行维护说明手册的制作，包括技术图解、材料清单、三维可视爆炸图和各种视图的说明。在设计阶段完成以后，仍可对部分零件的细节进行修改并快速更新，从而达到整个维护说明手册的图片信息按需要随时更新的目的，从而使得工程设计人员可以无需多花费过多的精力来进行产品技术要求展示的表述，使产品在并行设计的过程中更加快速、有效和流畅。打印机壳技术图解如图5所示，三维可视爆炸图如图6所示。

4.2 安装、维修和拆卸过程

产品安装后需要维护、维修和检查，也有可能要对一些零件进行拆卸更换，我们可以使用3DVIA Composer制作非常直观地装配维修动画，维护、维修、安装以及拆卸过程一目了然，可以表达展示复杂的拆卸安装过程。这些清晰的装配技术展示内容，不仅可以用于产品设计与制造过程中的交流，也可在产品形成制造工艺的过程中，把它用来对员工进行培训，这样可以使工艺技术人员在极短时间内深刻地理解技术要求与技术实施方法并记住装配流程，降低技术实施的难度。员工亦可通过可视化浏览器了解产品的装配属性、工艺信息和装配仿真等，以便更高效地进行制造生产。

4.3 简化装配动画

在简化装配动画的制作过程中，通常是采用视图过渡创建动画，包括创建视图选择集來表述装配状态和拆解状态，如图7所示。所创建的视图是装配过程的标准关键视图，然后通过细化动画，如播放视图动画时可将视图拖拽到时间轴上，通过加时间、加细节来丰富具体动画的内容和情节。此时视图内记录了所有对象的可见性、属性和位置信息，信息量非常大，在将视图拖拽到时间轴后，做动画之前，可先清理删除未使用的关键帧，这样可以减少关键帧的数量，减轻模型大小。标准关键视图上可使用标记，使用标记的好处是用来做交互式动画，通过制作文本按钮可将事件动画链接到从某个标记开始播放。

4.4 产品介绍演示

通过3DVIA Composer制作的交互式三维仿真方案，在进行产品说明介绍时可以嵌入到PPT、PDF和Word文档中，这样在这些文档中就可以播放操作静态的或动态的三维模型，使产品的特点和优点给人们留下直观深刻的印象。

4.5 虚拟交互设计展示

飞机装配技术作为衡量飞机制造技术水平的高低，对飞机的全生命周期起至关重要的作用。鉴于二维工艺文件在装配现场应用的局限性，可运用虚拟交互设计软件3DVIA Composer对关键工况的装配干扰、设计不到位、装配间隙和干涉以及装配状态进行提前模拟表达出来，这种观看模式的交互、细节展示的交互以及虚拟切换等都很好地让工作人员体验到了与产品和系统的互动认知效果，如图8所示。其中，虚拟切换包括控制动画链接、材质链接和产品虚拟展示片段选项链接，链接的设置是通过文本属性链接参数实现的，操作切换虚拟展示的内容较为便利。此外，3DVIA Composer制作的虚拟展示发布文件也具有交互性，可生成程序包、网页文件等，将虚拟展示交互动画发布于互联网，可用于更好地推广介绍产品[2]。

4.6 简化3D数据模型，加快渲染

模型的轻量化与精度密切相关，在3DVIA Composer中，精度的高低体现为三角面片的多少。经过轻量化的三维工艺场景模型不仅大大简化了各个零件模型的大小、精确度降低、数据大小降低、并且零件模型加载和显示速度都更快了。在简化三维模型时，我们可以根据实际需求决定是否需要让不确定运动与否的模型表达出动画仿真过程，并可提前隐藏一些在制作仿真动画时才出现的零部件。还可提前创建好“选择集”，选择集的好处在于可以快速进行工艺模型的拆分和选取。通过3DVIA Composer制作的技术文档信息来源于实时的3D模型数据，产品设计更改之后，3D数据模型也要修改，而3DVIA Composer提供了即时更新功能，当工艺模型发生更改时，可以通过3DVIA Composer对工艺模型的构成部分和设计出的实体模型进行快捷更新。这些都可作为加快设计意图的实现与技术优化的方法，高精度的三维仿真离不开高质量的模型与计算，模型经过精致的渲染计算处理后，在显示终端呈现出真实、自然的交互仿真。工艺场景模型的渲染计算效果如图9所示。

此外，在3DVIA Composer中可添加可视化效果，增加仿真动画的逼真程度，可根据需求添加“淡入”“淡出”效果，还可添加“热点”效果进行间隔闪动。这些与光源、颜色和材质贴图等共同构成了可视化的效果处理。

5 SketchUp软件快速建模

在项目的整合实施过程中发现无论是CATIA、SolidWorks、Pro-E以及UG等机械设计软件，还是3ds Max、Maya等三维多边形建模软件，虽然其在表达物体结构和功能方面具有强大的可操作性和精确度；而在非工程制图的情况下，比如在制作三维仿真动画或建筑类模拟效果制图的情况下，使用上述软件的建模效率就显得较为低下、刻板和细节颇多。此时，参数化的建模不再是唯一要求，怎样快速地将所需模型准确表达出来，而少了工程制图的繁杂非必需功能，使用SketchUp软件建模显得恰到好处。

采用SketchUp软件来创建三维模型，亦能将物体的结构和功能清晰地表达出来，其简洁的功能规划设置和插件模型库的设置，为其快速制作三维模型、添加材质和渲染计算仿真动画等提供了强大的参数支持和选择。其创建出的三维仿真模型，亦可导入到其他三维软件如3ds Max、3DVIA Composer等进行仿真动画制作。其快速不仅体现在功能规划设置和插件模型库的设置，还体现在这些命令功能的便捷运用和模型、材质的快速表达上，如图10所示。此外，二维图纸和图片也可导入使用。

6 虚拟制造的优势

基于3DVIA Composer和SketchUp软件制作三维仿真动画，最快的实施方法是通过已有的CAD系统产生三维模型（无论模型是否参数化），再将其导入成虚拟现实软件支持的统一格式，然后将统一格式的模型载入到软件的环境中，统一完成产品的三维仿真动画与虚拟交互设计，在最终交互时，用户可以充分利用手中的各种硬件资源设备，例如三维显示器、VR、AR等产生最接近真实状况的感觉。在这个过程中，快速制作三维仿真动画是虚拟制造基于产品生命周期中进行实施的一个环节，是在快速仿真的环境下可以对计算机产生的数据模型，通过计算机辅助设计技术进行模拟分析。通过利用这样的建模与分析技术，技术人员完全不需要等待零件的制造成最终的实物状态，甚至在设计的早期，在建立零件蓝草图模型时就可以对这些模型进行虚拟装配，进而检查零部件的设计合理性，和他们之间的装配间隙和干涉，通过检查各种状态，及时发现在未来制造过程中可能会出现的设计错误。当发现零件不符合要求时，可以迅速方便地在计算机里更改模型，并同步更新生成新的模型和自动更新相关的设计与装配图，最终实现设计、装配与制造的并行设计与智能化制造。通过虚拟制造技术，可以缩短产品的开发周期，有利于提高产品的质量和可靠性，有利于降低产品开发成本，提高企业的竞争力[3]。

基于虚拟制造技术的三维仿真动画及其建立模型的方法实施，可以从根本上改变现在传统机械工程设计领域中设计、试制、修改以及批产的传统制造循环模式。在产品真正生产之前，设计人员就首先可以在计算机的环境中设计出软产品原型，代替传统的实物进行分析与试验，对其设计性能和可制造性进行定量预测和评价，最大程度地缩短产品的设计与制造周期，从而降低产品的各方面开发成本，提高企业快速响应市场需求变化的能力。基于虚拟制造技术的三维仿真动画及其建立模型的方法在制造业中将会在未来得到广泛的推广应用，其所应用前景广泛，目前在航空航天、汽车等领域中的应用尤为迫切。

7 应用与智能制造的展望

传统的三维仿真动画软件制作动画时细节多，产品数模却不容易实时更新和替换，渲染时间长，在工程应用中快速制作能力不够。3DVIA Composer在简化处理模型、选择模型以及更新模型方面相对方便快捷，还可实现观看方式和细节认知的人机交互体验，渲染速度也较快，节省大量的时间和资源。在工程应用领域中运用前景和效果可观。基于3DVIA Composer和Sketchup软件实现三维可视化装配工艺流程的优化，就是在制作三维装配仿真图的基础上，将产品设计和装配工艺的信息以三维技术图解表现，使装配技术人员能够以一种更直观有效的方式了解产品的装配关系和技术说明，减少看二维图纸和理解文字工艺规程说明的时间，提高了装配工作的准确率和效率。其所传递的三维装配工艺信息改进了车间装配现场工作指令的传递形式，实现了无纸化、数字化传递，可实时更新、更改三维模型和装配场景以及工艺说明，其工艺设计和过程仿真的结果可载入虚拟交互的软件环境，进而转入最终交互的硬件设备资源，成为虚拟装配与制造的一个有力竞争环节。

3DVIA Composer和Sketchup等工程软件作为智能制造应用的基础软件，其所制作的三维仿真动画可运用到AR眼镜、透明工厂中，实现虚实结合、实时互动，开启全新视角，从而为智能制造的大规模应用提供丰富的素材。在私有云、5G和AR等技术的支持下，基于3DVIA Composer和Sketchup等工程软件的特点，实现图像数据在技术人员之间的实时交互，可远程协助信息通过5G网络实现设计、工艺和操作人员的实时交互，实现产品全生命周期的协同效率改善，从而大幅提升工作效率及质量。AR眼镜终端可实时调取云平台存储的数模，并将数模与装配场景虚实结合，辅助装配人员进行操作，大大提高装配效率，提升装配质量，并可起到防错目的。采用AR全息投影技术，可将虚拟的三维模型与现场实物1：1叠加，将所有的装配信息清晰地直接展现出来，辅助现场工人装配。结合5G智能制造的其他技术如实时定位追踪技术，可实现技术人员在现场实时查看云端存储的任意模型和数据，并指导操作。至此，智能制造技术结合3DVIA Composer软件制作三维仿真动画将会得到更加广泛和精确的应用。

参考文献

[1]刘昌丽，康士廷.SolidWorks2013完全自学手册[M].北京：人民邮电出版社，2014.

[2] Mel Slater.计算机图形学与虚拟环境[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3]周暉，杨湘杰，章力.虚拟制造技术在产品设计中的应用[J].北京：制造业自动化，2007（8）：89-91.