三維動畫技術在機構運動模型構建中的應用
時間：2008-12-07 01:23:00
來源：UltraLAB圖形工作站方案網(wǎng)站
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作者：admin
一、引言
機構運動模型的建立在實際生產與學習中越來越顯示出它的重要性。傳統(tǒng)的機構設計要歷經(jīng)很多環(huán)節(jié)，如明確設計任務、方案構思、初步設計、技術設計、樣機試制試驗以及評價及提供設計方案等。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、加工設備、人力和時間等資源的過程。而利用計算機技術建立數(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。在學校的教學實踐中也同樣如此，為了對機構的構成及工作原理有一個感性的認識，學生可能會參觀一些實際的設備或教學用的模型，但從成本方面考慮，這些東西總不能滿足學生的要求。同時，由于實際的機構及零件的外形比較復雜，了解機構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，而且由于在設計過程中只考慮了與運動和動力有關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是目前世界上應用最廣泛的軟件，與AutoCAD和 SolidWork相比，唯一的缺點是不容易構建尺寸精確的模型，但由于它可以導入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量機構運動模型的需要。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中構件的獨立運動是不同的兩個概念，構件的獨立運動是指它能沿某個方向移動或繞某個軸轉動，而物體獨立的運動則是指可以針對物體的移動、轉動等設置動畫，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、機構運動模型的構建
1.對每個構件設置獨立運動動畫，從而構建機構運動模型
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系的情況下，打開Auto Key按鈕，創(chuàng)建關鍵楨，在非第0楨改變物體可變參數(shù)（如移動、轉動），關鍵楨之間的其他楨 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。
在設計機構運動模型時，單個物體獨立運動主要用于機構中每個構件的位移曲線比較簡單的情況，如勻速移動或轉動的情況，像各類齒輪機構、蝸輪蝸桿機構等。由于它們都是定比傳動，相互嚙合的兩個構件隨時間變化轉過的角度很容易確定，因此可以將它們的轉動分別設置成動畫，并使兩個構件在初始狀態(tài)正確嚙合，那么，動畫打開后，儼然是一個構件帶動另一個構件轉動了?，F(xiàn)以圓柱人字齒輪為例，如圖1所示。
2.對機構中的有限構件設置獨立運動動畫，利用構件間的牽連關系構建機構運動模型
在很多時候，我們不需要設置或很難設置每一個構件的獨立的動畫，只要設置機構中一兩個構件的動畫，通過牽連關系就能實現(xiàn)整個機構的運動。建立構件間的層級關系是實現(xiàn)牽連運動關系的前提，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系。這樣，一兩個構件的動畫制作完成后，機構運動模型也就完成了。
(1)利用正向運動功能，構建機構運動模型
層級關系建立后，構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。在機構運動模型制作中，正向運動的應用很多。 #p#page_title#e#
以對心直動推桿盤狀凸輪機構為例，介紹正向運動功能在構建機構運動模型中的應用，如圖4所示。
(2)利用反向運動功能，構建機構運動模型
在機構的運動過程中，如果運動構件之間相互影響，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，以曲柄滑塊機構為例，說明反向運動功能在構建機構運動模型中的應用，如圖7所示。
接下來，根據(jù)曲柄滑塊機構運動特點，建立如下運動約束。
1)對于轉盤，正向運動鎖定所有方向的移動和X、Y軸向的轉動，使之只能在XOY平面繞Z軸轉動。反向運動激活Z軸的轉動。
2)對于銷1 ，正向運動鎖定所有方向的移動和轉動，繼承所有方向的移動和轉動，反向運動不激活任何轉動和移動。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動，使之不能獨立運動，并繼承Y向移動和Z軸的轉動。反向運動激活Z軸的轉動。
4)對于銷2，正向運動鎖定所有方向的移動和轉動，繼承所有方向的移動和轉動，反向運動不激活任何轉動和移動。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動和X、Z方向的移動。
設置完成后，通過交互式IK方式將曲柄滑塊機構設置成動畫。由于構件間已建立了正反向運動的牽連關系，將圓盤的勻速轉動做成動畫，機構的運動模型就建成了。
三、結束語
利用三維動畫技術制作機構運動模型，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，確定構件之間的運動關系，并能對構件所受的運動阻力、慣性力等進行模擬，由三維動畫技術構建的機構模型就具有了足夠的仿真性
機構運動模型的建立在實際生產與學習中越來越顯示出它的重要性。傳統(tǒng)的機構設計要歷經(jīng)很多環(huán)節(jié)，如明確設計任務、方案構思、初步設計、技術設計、樣機試制試驗以及評價及提供設計方案等。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、加工設備、人力和時間等資源的過程。而利用計算機技術建立數(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。在學校的教學實踐中也同樣如此，為了對機構的構成及工作原理有一個感性的認識，學生可能會參觀一些實際的設備或教學用的模型，但從成本方面考慮，這些東西總不能滿足學生的要求。同時，由于實際的機構及零件的外形比較復雜，了解機構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，而且由于在設計過程中只考慮了與運動和動力有關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是目前世界上應用最廣泛的軟件，與AutoCAD和 SolidWork相比，唯一的缺點是不容易構建尺寸精確的模型，但由于它可以導入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量機構運動模型的需要。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中構件的獨立運動是不同的兩個概念，構件的獨立運動是指它能沿某個方向移動或繞某個軸轉動，而物體獨立的運動則是指可以針對物體的移動、轉動等設置動畫，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、機構運動模型的構建
1.對每個構件設置獨立運動動畫，從而構建機構運動模型
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系的情況下，打開Auto Key按鈕，創(chuàng)建關鍵楨，在非第0楨改變物體可變參數(shù)（如移動、轉動），關鍵楨之間的其他楨 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。
在設計機構運動模型時，單個物體獨立運動主要用于機構中每個構件的位移曲線比較簡單的情況，如勻速移動或轉動的情況，像各類齒輪機構、蝸輪蝸桿機構等。由于它們都是定比傳動，相互嚙合的兩個構件隨時間變化轉過的角度很容易確定，因此可以將它們的轉動分別設置成動畫，并使兩個構件在初始狀態(tài)正確嚙合，那么，動畫打開后，儼然是一個構件帶動另一個構件轉動了?，F(xiàn)以圓柱人字齒輪為例，如圖1所示。
圖1 圓柱人字齒輪
圖2 大齒輪運動曲線 圖3 小齒輪運動曲線
2.對機構中的有限構件設置獨立運動動畫，利用構件間的牽連關系構建機構運動模型
在很多時候，我們不需要設置或很難設置每一個構件的獨立的動畫，只要設置機構中一兩個構件的動畫，通過牽連關系就能實現(xiàn)整個機構的運動。建立構件間的層級關系是實現(xiàn)牽連運動關系的前提，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系。這樣，一兩個構件的動畫制作完成后，機構運動模型也就完成了。
(1)利用正向運動功能，構建機構運動模型
層級關系建立后，構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。在機構運動模型制作中，正向運動的應用很多。 #p#page_title#e#
以對心直動推桿盤狀凸輪機構為例，介紹正向運動功能在構建機構運動模型中的應用，如圖4所示。
圖4 凸輪機構
圖5 虛擬物體運動曲線
圖6 凸輪運動曲線
(2)利用反向運動功能，構建機構運動模型
在機構的運動過程中，如果運動構件之間相互影響，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，以曲柄滑塊機構為例，說明反向運動功能在構建機構運動模型中的應用，如圖7所示。
圖7曲柄滑塊機構
接下來，根據(jù)曲柄滑塊機構運動特點，建立如下運動約束。
1)對于轉盤，正向運動鎖定所有方向的移動和X、Y軸向的轉動，使之只能在XOY平面繞Z軸轉動。反向運動激活Z軸的轉動。
2)對于銷1 ，正向運動鎖定所有方向的移動和轉動，繼承所有方向的移動和轉動，反向運動不激活任何轉動和移動。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動，使之不能獨立運動，并繼承Y向移動和Z軸的轉動。反向運動激活Z軸的轉動。
4)對于銷2，正向運動鎖定所有方向的移動和轉動，繼承所有方向的移動和轉動，反向運動不激活任何轉動和移動。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動和X、Z方向的移動。
設置完成后，通過交互式IK方式將曲柄滑塊機構設置成動畫。由于構件間已建立了正反向運動的牽連關系，將圓盤的勻速轉動做成動畫，機構的運動模型就建成了。
三、結束語
利用三維動畫技術制作機構運動模型，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，確定構件之間的運動關系，并能對構件所受的運動阻力、慣性力等進行模擬，由三維動畫技術構建的機構模型就具有了足夠的仿真性
