三維動畫技術(shù)在機構(gòu)運動模型構(gòu)建中的應(yīng)用

一、引言

機構(gòu)運動模型的建立在實際生產(chǎn)與學(xué)習(xí)中越來越顯示出它的重要性。傳統(tǒng)的機構(gòu)設(shè)計要歷經(jīng)很多環(huán)節(jié)，如明確設(shè)計任務(wù)、方案構(gòu)思、初步設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、樣機試制試驗以及評價及提供設(shè)計方案等。整個過程時間長、效率低，尤其是樣機的試制試驗，更是一個消耗材料、加工設(shè)備、人力和時間等資源的過程。而利用計算機技術(shù)建立數(shù)字化模型則可以擺脫對物理樣機的依賴，在不需要考慮成本與時間的條件下達到與使用物理樣機相同的目的。在學(xué)校的教學(xué)實踐中也同樣如此，為了對機構(gòu)的構(gòu)成及工作原理有一個感性的認識，學(xué)生可能會參觀一些實際的設(shè)備或教學(xué)用的模型，但從成本方面考慮，這些東西總不能滿足學(xué)生的要求。同時，由于實際的機構(gòu)及零件的外形比較復(fù)雜，了解機構(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)計過程中只考慮了與運動和動力有關(guān)的外形尺寸及主要參數(shù)，使運動模型簡潔明了，易于理解。

在三維建模、動畫制作方面，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，使這個缺點得以彌補，因而它完全能夠用于工程模擬并滿足制作高質(zhì)量機構(gòu)運動模型的需要。在3ds max中，物體的運動情況可以分為兩種：一是物體獨立的運動，二是物體牽連或被牽連運動。這里所指的獨立運動與機構(gòu)中構(gòu)件的獨立運動是不同的兩個概念，構(gòu)件的獨立運動是指它能沿某個方向移動或繞某個軸轉(zhuǎn)動，而物體獨立的運動則是指可以針對物體的移動、轉(zhuǎn)動等設(shè)置動畫，使它不受其他物體運動影響同時也不影響其他物體的運動。

二、機構(gòu)運動模型的構(gòu)建

1.對每個構(gòu)件設(shè)置獨立運動動畫，從而構(gòu)建機構(gòu)運動模型

在3ds max中，使物體獨立運動的方法就是在不建立任何層級關(guān)系的情況下，打開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、轉(zhuǎn)動），關(guān)鍵楨之間的其他楨 3ds max會用插值的方法自動生成。插值是通過控制器進行的，它最終能夠確定物體以時間為橫軸的位移曲線。

在設(shè)計機構(gòu)運動模型時，單個物體獨立運動主要用于機構(gòu)中每個構(gòu)件的位移曲線比較簡單的情況，如勻速移動或轉(zhuǎn)動的情況，像各類齒輪機構(gòu)、蝸輪蝸桿機構(gòu)等。由于它們都是定比傳動，相互嚙合的兩個構(gòu)件隨時間變化轉(zhuǎn)過的角度很容易確定，因此可以將它們的轉(zhuǎn)動分別設(shè)置成動畫，并使兩個構(gòu)件在初始狀態(tài)正確嚙合，那么，動畫打開后，儼然是一個構(gòu)件帶動另一個構(gòu)件轉(zhuǎn)動了?，F(xiàn)以圓柱人字齒輪為例，如圖1所示。

圖1 圓柱人字齒輪

大小兩個齒輪沒有層級關(guān)系，根據(jù)傳動比分別設(shè)計它們的動畫，運動曲線如圖2、圖3所示。

圖2 大齒輪運動曲線 圖3 小齒輪運動曲線

對于那些各構(gòu)件運動規(guī)律比較復(fù)雜，但是通過解析計算可以獲得其運動曲線的運動物體來講，對每個構(gòu)件設(shè)置獨立運動動畫，從而構(gòu)建機構(gòu)運動模型的方法也是可行的。因為在Track view或在Motion命令面板中，輸入一些關(guān)鍵值后，通過選擇關(guān)鍵點處的切線類型，可以將點擬合成所需要的任何復(fù)雜的運動曲線。

2.對機構(gòu)中的有限構(gòu)件設(shè)置獨立運動動畫，利用構(gòu)件間的牽連關(guān)系構(gòu)建機構(gòu)運動模型

在很多時候，我們不需要設(shè)置或很難設(shè)置每一個構(gòu)件的獨立的動畫，只要設(shè)置機構(gòu)中一兩個構(gòu)件的動畫，通過牽連關(guān)系就能實現(xiàn)整個機構(gòu)的運動。建立構(gòu)件間的層級關(guān)系是實現(xiàn)牽連運動關(guān)系的前提，在3DS中，層級的建立依靠鏈接（Link）命令很容易實現(xiàn)，再在運動（Motion）面板中利用正、反向運動功能確定各層之間的的牽連運動關(guān)系。這樣，一兩個構(gòu)件的動畫制作完成后，機構(gòu)運動模型也就完成了。

(1)利用正向運動功能，構(gòu)建機構(gòu)運動模型

層級關(guān)系建立后，構(gòu)件被分成不同的等級，上層是下層的父物體，下層則是上層的子物體。正向運動功能使得父物體運動時，可帶動子物體運動，而子物體運動不能帶動父物體運動。正向運動的鎖定和繼承關(guān)系可以限定子物體，使之不能做獨立運動，并且使子物體有選擇地繼承父物體運動。在機構(gòu)運動模型制作中，正向運動的應(yīng)用很多。 #p#page_title#e#

以對心直動推桿盤狀凸輪機構(gòu)為例，介紹正向運動功能在構(gòu)建機構(gòu)運動模型中的應(yīng)用，如圖4所示。

圖4 凸輪機構(gòu)

在凸輪機構(gòu)運動模型構(gòu)建過程中，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運動。在3ds max中，這種沿曲線的移動是勻速的，與凸輪勻速轉(zhuǎn)動時虛擬物體的運動情況不相符。因此，根據(jù)凸輪輪廓曲線的具體形狀，虛擬物體隨凸輪轉(zhuǎn)角變化的運動曲線改變后，如圖5所示。

圖5 虛擬物體運動曲線

為了使虛擬物體始終處于轉(zhuǎn)動凸輪輪廓與推桿運動軌跡的交點處，利用相對運動的原理，為凸輪設(shè)置一個反向的轉(zhuǎn)動（與其實際轉(zhuǎn)動方向相同），轉(zhuǎn)動角度隨時間變化的曲線，如圖6所示。

圖6 凸輪運動曲線

準備工作基本完成后，接下來需要建立層級關(guān)系，使推桿成為虛擬物體的子物體，這樣虛擬物體運動就可帶動推桿運動了。為使推桿直動，限定推桿只繼承虛擬物體Z軸方向的運動，凸輪機構(gòu)運動模型就建成了。

(2)利用反向運動功能，構(gòu)建機構(gòu)運動模型

在機構(gòu)的運動過程中，如果運動構(gòu)件之間相互影響，也就是說，子物體反過來還可以影響父物體，使父物體受到子物體約束，就需要反向運動功能了。反向運動關(guān)系可以通過限定子物體的運動范圍來約束父物體運動。下面，以曲柄滑塊機構(gòu)為例，說明反向運動功能在構(gòu)建機構(gòu)運動模型中的應(yīng)用，如圖7所示。

圖7曲柄滑塊機構(gòu)

首先要在各構(gòu)件之間建立層級關(guān)系，并據(jù)此確定它們的運動牽連關(guān)系，從而使它們形成一個有機的整體。在曲柄滑塊機構(gòu)中，由于連桿做平面運動，無法使連桿同時移動和轉(zhuǎn)動，所以在曲柄滑塊機構(gòu)中，就產(chǎn)生了兩個層級關(guān)系。

接下來，根據(jù)曲柄滑塊機構(gòu)運動特點，建立如下運動約束。

1)對于轉(zhuǎn)盤，正向運動鎖定所有方向的移動和X、Y軸向的轉(zhuǎn)動，使之只能在XOY平面繞Z軸轉(zhuǎn)動。反向運動激活Z軸的轉(zhuǎn)動。

2)對于銷1 ，正向運動鎖定所有方向的移動和轉(zhuǎn)動，繼承所有方向的移動和轉(zhuǎn)動，反向運動不激活任何轉(zhuǎn)動和移動。使之作為原動件的子物體，與原動件沒有相對運動。

3)對于連桿，正向運動鎖定所有方向的移動和轉(zhuǎn)動，使之不能獨立運動，并繼承Y向移動和Z軸的轉(zhuǎn)動。反向運動激活Z軸的轉(zhuǎn)動。

4)對于銷2，正向運動鎖定所有方向的移動和轉(zhuǎn)動，繼承所有方向的移動和轉(zhuǎn)動，反向運動不激活任何轉(zhuǎn)動和移動。使之作為原動件的子物體，與原動件沒有相對運動。

5)對于滑塊，正向運動鎖定X、Z方向的移動和所有方向的轉(zhuǎn)動，使之只能沿Y軸做直線運動。反向運動不激活任何方向的轉(zhuǎn)動和X、Z方向的移動。

設(shè)置完成后，通過交互式IK方式將曲柄滑塊機構(gòu)設(shè)置成動畫。由于構(gòu)件間已建立了正反向運動的牽連關(guān)系，將圓盤的勻速轉(zhuǎn)動做成動畫，機構(gòu)的運動模型就建成了。

三、結(jié)束語

利用三維動畫技術(shù)制作機構(gòu)運動模型，極大地降低了材料與時間成本，同時，由于能夠建立準確的運動曲線，確定構(gòu)件之間的運動關(guān)系，并能對構(gòu)件所受的運動阻力、慣性力等進行模擬，由三維動畫技術(shù)構(gòu)建的機構(gòu)模型就具有了足夠的仿真性

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