装配动画仿真（精选8篇）
装配动画仿真 篇1
摘要：装配在产品的生产环节中是个很重要的节点。以虚拟装配仿真动画为研究对象,在虚拟培训系统的基础上分析了装配路径动画原理和碰撞检查的方法,提出基于模板的代码生成技术以及坐标转换,从而达到虚拟装配仿真动画的快速生成。实践表明提出的快速生成技术能有效节省系统培训时间,提高学习效率。
关键词：虚拟装配,仿真动画,快速生成,装配路径
0引言
在一个产品的生产环节中,装配是个很重要的节点。装配的工作效率和工作质量对产品的制造周期和产品的质量都有着极大的影响。随着数控机床的广泛应用,装配工作却仍是以人为主,主要依赖于工作人员的技艺水平。因此,装配质量又成了提高产品精度的瓶颈环节,利用计算机进行装配工艺设计成了现代制造系统计算机应用的难点。提高装配的工作效率和工作质量,降低装配成本,提高装配的规范化程度是虚拟装配的重要任务[1]。
本文所研究的用于虚拟装配培训的虚拟装配仿真动画的快速生成技术在保证建模软件强大的装配仿真优势的情况下,针对VRML动画编码制作过程进行分析总结,最终在CAD软件装配仿真开发环境下使用插件式开发平台的方式实现了VRML动画生成,大大提高了机械产品虚拟装配仿真动画的开发与应用范围。
1系统平台的总体设计
1.1系统平台的功能架构
根据VRML动画的开发需要,本文所述的虚拟装配培训仿真动画生成平台总共分为三大功能模块,三维模型导出、虚拟动画定义、虚拟动画导出。 如图1所示。三维模型导出是通过二次开发获取零件模型在整个机械装配体中的三维关系,并根据模型结构树录入零部件间的装配关系信息,并自动生成虚拟场景三维模型。虚拟动画定义是通过可视化操作定义或输入运动参数等信息,制作机械产品的VRML仿真动画。
1.2系统平台的流程设计
针对机械设备的VRML动画开发进行调研,总结了制作的一般过程,根据实际存在的问题及需求确立课题研究的总体思路,制定如图2所示的开发设计流程图。首先,CAD软件中建立模型并导入; 其次,将CAD系统中运动仿真关键参数转换成VRML场景中的参数,实现场景衔接; 然后,将转换后的参数填入标准格式代码中,实现了VRML运动仿真代码生成; 最后,将VRML运动仿真动画代码从生成系统中导出,成为一个. wrl文件。
2装配仿真动画制作的装配路径动画原理与碰撞检查
2.1装配路径动画原理
虚拟场景中的装配运动是有其物理运动规律的,多是以平移、旋转为主,以及既有平移又有旋转的运动,因此,装配运动可以看作是一系列具有确定运动规律的运动段的总和,即:
这里的相邻运动段mi与mi + 1之间的转折点就是运动关键点。为了便于分析与制作动画,本文将装配运动从一个关键点到另一个关键点之间的任何一种运动均简化为平动与转动或平动加转动的合成,才能适用于装配运动的实现[3]。以螺栓螺帽的装配为例,图3中螺帽从P0位置到预定装配位置P3要发生了三次变换,P0到P1位置是一次平移变换,P1到P2是旋转变换,P2到P3是平移变换,共确定出四个关键点。
根据用户和虚拟环境的交互方式,装配路径生成有两种方式: 用户预先指定装配路径的关键点,装配路径以离散点的形式进行定义与记录,通过离散点插值产生连续的装配路径; 将输入设备( 如鼠标、 激光笔、操纵杆等) 的运动与部件的运动关联,用户通过虚拟环境交互,直接控制装配路径[4]。在虚拟装配仿真动画的开发过程中,主要通过前者来生成装配路径,首先指定各部件在空间若干关键点处的平移、旋转、缩放的变化量,然后将这些数据连同模型一起导出,以VRML格式文件存储。装配路径随模型加载到场景中,用户在场景中选择要装配的部件,部件就沿装配路径运动,实现装配仿真[5]。
如果只记录关键点位置,还不足以精确描述装配的细节,所以在演示过程中采用插值法细化关键点之间的位移变化,以图3关键点为例,在“P0 → P1”的路径段设置装配时间后,就会作匀速直线运动,同理在“P1→P2”的路径段作匀速旋转运动。通过插值法运算就能使用户更流畅地观看整个装配过程,不会有跳跃感。
2.2碰撞检查
碰撞检测用于监测两对象的接触关系,以及何时、何处形成碰撞,根据机械设备物理外形的复杂性和检测精度,计算两几何模型间的相互位置。因此对简单模型例如平面与球状物体的判断比较容易, 而对自由曲 面等复杂 结构碰撞 所需的计 算量较大。
目前常用的碰撞检测算法有四种[6]: 几何分析法、扫描法、包围盒法、空间分解法。在VRML中Collision节点的碰撞检测实际上采用的是包围盒法。VRML利用Collision节点简单地实现了碰撞检测,当一个给定的节点经过某些变换( 例如被平移、 旋转、缩放等) 时,测定是否会遭遇以另一个节点形式存在的障碍物,通过ECMAScript接口,利用Collidee和Collision对象实现VRML环境下物体之间的碰撞检测。前者作为被变换的节点的代理物,包含有变换矩阵等相关参数,承载了变换矩阵的参数和其它相关数据; 后者描述了在一次碰撞的情况下, 和另一个节点相撞的一个节点的要点[7],存储有每一个待检测是否产生碰撞的表面的位置,法线,面的序号以及路径等信息。具体的属性以及成员函数如表1 - 2所示。
3虚拟装配仿真动画的快速生成技术的实现
3.1基于模板的代码生成模块的流程
基于模板的代码生成模块的流程如图4所示。 实现生成的VRML代码包括四部分: 模型节点代码、动画原型节点PROTO、动画代码和动画连续播放脚本代码。模型节点代码中包含了模型描述信息; 动画原型节点定义了动画的参数和内部的逻辑运算关系,在此,定义一个生成模块使用的模板,来完成原型节点的封装; 数据定义文件是通过键码定义或者对话框输入的形式,对动画参数设定,由于该部分参数数据量不是很大,所以,在程序实现中,并没有采用数据库单独存放,而是直接定义了一个矩阵存放; 动画代码也就是将动画原型节点输入参数进行实例化,生成了一步装配动画的动画代码; 动画连续播放脚本代码是指制作虚拟装配仿真动画时, 动画是按照装配步骤来制作的,每一步的装配对应着一步动画,在每步动画之间需要实现连续播放,这就需要生成动画连续播放脚本代码。动画连续播放脚本代码是根据每一步动画节点引用以及每步动画的持续时间来生成的。
写出代码文件功能最终将模型节点代码、动画原型节点PROTO、动画代码、动画连续播放脚本代码整合到一个VRML文件中。具体的整合方法是: 通过函数creat VRML( ) 新建VRML文档,然后通过参数赋值的方式将模型节点代码、动画原型节点PROTO、动画代码、动画连续播放脚本代码分别赋给四个文本参数,将这四个参数的内容写入新建的VRML文档。
3.2虚拟装配仿真动画的快速生成的实现
3.2.1最小运动单元装配仿真动画生成的实现
生成模板中对应的变量实际上在Solidworks运动仿真中都具有一个对应参数,生成一步装配仿真动画的过程,实际上就是将对应的参数赋予给模板中的变量的过程。其对应关系如表3所示。
由此可知,生成程序抛去赋予的过程,还必须要有获取Solidworks中对应参数的功能,以实现鼠标选取的零部件包含空间位姿信息的变换矩阵的功能,其代码实现如下:
在实际开发过程中,坐标属性会出现偏差,究其原因,是Solidworks软件与VRML的空间坐标系的不同,这有必要实现两者坐标系的统一,然后进行赋值生成。为此,设计一个输入界面来完成,如图5所示。
3.2.2由Solidworks向VRML场景坐标转换及完整装配仿真动画生成
Solidworks环境下,用卡氏右手立体坐标系统描述空间位置,三维模型相对于世界坐标系原点的位置和方向可以用一个包含16个元素的4 × 4阶矩阵表示。如图6所示,从变换功能上可将此4阶方阵分为四个子矩阵,其中左上角的3 × 3矩阵可产生比例、旋转等变换; 左下方三个ti变量分别产生沿x轴、y轴、z轴的平移变换; 右下角的s产生全局比例变换; 右侧pi可实现投影变换。
本课题研究的是机械产品的虚拟动画,针对其中的刚性物体而言,运动形式主要有两种形式: 平移和旋转,绝大多数的运动都是以这两种运动形式复合而成。位于坐标( x,y,z) 的几何模型,平移到原点,并绕过坐标原点的任意倾斜轴线旋转 θ 角时,其变换矩阵为:
其中,θ 代表零件在装配体中绕任意轴旋转的角度, n1,n2,n3为该轴的方向余弦,x,y,z分别为该零件的在空间中的位置。
在VRML场景中通过利用Solidworks API函数获取矩阵中每个元素的值,并通过Vrml Pad编辑器的API函数接受所有的值,从而获得虚拟场景中所需要的translation和rotation的值。部分代码如下:
这样,就把Solidworks三维场景中三维模型的位置关系,转换成VRML虚拟场景中识别的参数, 实现了两者坐标变换方式的统一。
单个零部件装配的过程,是由数个最小运动单元组成的,他们之间需要有脚本文件链接起来,才能使得装配仿真动画可以连贯地运行下去。
连续播放脚本实际上是一种逻辑上的关联顺序,可以实现上一步最小运动单元动画运行之后跳转到下一步动画。这种逻辑上的关系,使得完成该步最小运动单元装配动画的编辑后,点击下一步 ( 如图5所示) ,生成程序将自动在该步动画代码后面追加连续播放脚本,并给对应变量赋值。通过对单个零部件装配过程分解出的最小运动单元装配仿真动画进行串联,可以得出单个零部件的完整装配仿真动画。
4机械手虚拟装配仿真动画生成实例应用
根据虚拟装配仿真动画生成的理论,结合机械手的虚拟装配动画的生成过程,验证该理论的可行性。首先,用Solidworks打开定义约束关系的机械手的三维模型,运行“vrml动画制作”模块,系统会自动通过遍历装配体的形式把机械手的零件的名称按照一定的规则列在界面中,以方便虚拟装配动画的制作,用户可以点击相应的零件进行该零件装配动画制作时相关参数的设置,最后确定生成虚拟装配动画文件。具体操作如图7所示。
5结束语
目前虚拟装配仿真动画的快速生成方法应用到了电梯安装培训系统的开发中,取得了良好效果; 且该系统已投入上海某电梯制造有限公司的实际培训系统试用过程中,客户端运行稳定,处理速度较快; 与之前传统方式开发的单晶炉虚拟装配培训系统相比,其开发周期缩短了将近一半的时间,而且大大降低了开发成本。
装配动画仿真 篇2
摘 要：通过对某接线板装配生产线布局的分析，发现其工序安排不合理、空间分配不合理和设备摆放不符合人因等问题。运用5W1H和ECRS方法对该装配生产线的工序流程，人员空间布局，作业工具及配件的空间布局进行了改善。运用ED仿真软件针对此装配生产线的布局进行仿真优化，可减少该流水线的作业人员，降低用工成本，缩短生产线长度及作业时间，提高作业效率。
关键词：ED仿真；生产线；布局优化
中图分类号： TH16 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）19-147-2
0 引言
生产线的合理布局能较好地响应精益化大批量生产、JIT、敏捷制造、成组技术等思想，同时消除由于建设时期对企业发展战略和产能规划预想不足，整体物流规划、产线布局考虑不完善而导致的半成品、成品、配件等随意摆放的现象。实现生产线合理布局，不仅有助于合理利用空间、人力、物力，降低企业成本，还能提高企业生产效率，保证产品质量与稳定性。某新型接线板装配生产线是传统的直线型流水线作业，通过程序分析、作业分析及作业空间分析，发现其在工艺流程、空间布局和物件摆放等方面存在问题，影响作业效率。运用基本改善方法，提出合理的优化方法并运用ED 仿真软件进行可行性分析，从而达到合理利用空间，节约人力物力的改善目的。
1 装配生产线布局现状及存在问题
1.1 接线板装配生产线布局现状
本次研究的新型接线板共有三条流水式手工组装生产线，每条生产线有18名作业员工，较其他生产线，它的生产能力较低。因此选择该产品的新型接线板装配生产线（JR）为研究对象并进行研究改善。
其装配流程包括以下工序：①开关点焊电源线；②开关电源线组件铜片点焊；③铜片焊接LED灯；④底座装铜片和开关；⑤上盖装保护门；⑥理线和盒盖；⑦打螺丝（6个）；⑧检查外观并贴合格标签；⑨装下装饰条；⑩耐压测试；11接地电阻导通测试；12装上装饰条；13装电源插座保护套；14最终检查并贴标签；15装袋封口；16装箱封箱。共由16道工序组成，作业人数需18人，共耗时290.90S。其中工序4需要附加件铜片和开关，工序7需要附件螺丝，工序9和12需要附件装饰条，工序8和14需要合格标签。每道工序间为传统直线型流水线作业，通过采集每道工序的作业用时发现，在作业过程中存在等待空闲和紧张作业的工序，流水线存在不平衡。装配生产线布局规划现状图如图1所示。
1.2 接线板装配生产线布局存在问题分析
针对该装配流水线的装配流程、工位大小位置、工人作业方式等，结合装配生产线布局现状图，运用程序分析、操作分析、动作分析、布局分析和模特分析等发现主要存在以下几点问题：
①接线板装配生产线工序安排存在不合理。
部分工序作业压力大，部分作业空闲。装下装饰条和装电源插座保护套这两个工序的作业时间明显短于平均作业时间。
由图1可以看出工序2、3、4之间没有遵循最短路径原则，形成了工件的逆流。
②接线板装配生产线空间分配存在不合理。
作业人员空间分配不均，个别工位距离间隔特别大，个别工位距离间隔特别小，没有实现标准化。
配件工具的摆放位置占据空间过大，虽然不影响作业，但是形成浪费。
③接线板装配生产线摆放没有符合人因。
工序6作业过程中使用的插座盖自带包装壳，出于回收思想，在作业人员的右侧放置垃圾袋。但每次将包装壳丢进垃圾袋中都需要一手将袋口打开，一手丢入，既浪费时间，也使作业人员易产生疲劳感。
2 装配生产线布局的改善
2.1 装配工序流程改善
运用5W1H和ECRS思想对该装配生产线的工序流程进行改善。通过5W1H逐一对生产流程各个步骤进行分析，结合ECRS进行必要优化，改善后装配生产线布局图如下图2。
工序9、10和工序12、13的作业时间较短，作业方式简单不会互相产生干扰，可以合并为一个作业，既平衡生产线，又节约人力成本。
2.2 装配生产线人员空间布局
运用模特分析法以及作业空间分析，将工位距离标准化，使作业空间既不会太狭小导致设备位置不好，流水线作业过程中作业不便，又不会浪费作业空间。
在合理分配流水线作业空间后，流水线上有足够的空间将工序3的作业位置放于流水线上。这样既避免了工序2、3、4形成的流水线逆流现象，也有效的减少工位3在流水线外侧所占用的空间。
2.3 装配生产线作业工具及配件的空间布局
在安排好作业人员位置以后，根据模特作业分析法，将作业动作分解。根据作业方式最轻松、作业距离最短、作业范围最小的原则，合理摆放作业工具，并采用器具上挂的方式，方便作业也节约空间。
改进工序6中的垃圾袋，将其敞口设置改为固定开口，将双手作业变成轻松的单手操作。
2.4 装配生产线布局改善方案可行性分析
在确立改善方案以后，为确保方案的可行性与合理性，借助Enterprise Dynamics（ED）仿真软件，对改善方案进行模拟仿真。仿真模型建立如下图3所示。
通过ED仿真，减少人力、时间、资金的浪费，提高生产效率，节约运行周期以及缩短决策时间。仿真在企业设施规划中扮演着越来越重要的角色，也正是用这种虚拟手段，更直观地反应改善方案的可行性。
3 结语
通过对新型接线板装配生产线（JR）布局的改善结合ED仿真软件的可行性分析，可减少该流水线的作业人员2名，降低用工成本；将原长为18米的生产线缩短为16米并且解决生产线中存在的逆流；缩短流水线作业时间20秒，可提高该装配生产线的作业效率。
参 考 文 献
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[4] 卢海洋，栗继祖.工业工程在F公司生产线平衡中的应用[J].物流技术，2014，12（03）：295-299.
装配动画仿真 篇3
模型库是我们正在建设的省级“画法几何及机械制图”高校精品资源共享课网站的一项重要组成部分。
目前常用的可制作模型库模型的三维设计软件很多,其中比较流行 的三维参 数化设计 软件包括UG、 Pro/E、Catia、SolidWorks等。Catia主要用于汽车、飞机、船舶等行业设计,Pro/E主要用在模具设计领域, UG在曲面设 计和加工 领域见长。 我们选择 使用SolidWorks作为模型库制作软件。
SolidWorks是一款功能强大的中高端三维CAD软件,集成了很多应用插件,它具有全面的实体建模和参数化设计功能、方便的用户操作界面、直观的特征管理树、易于操作和控制的装配功能和直观的动态仿真模拟等功能。利用其自带插件Motion可以制作产品的动画演示,并可做运动分析。
使用SolidWorks制作的教学模型和生成的动画视频参数易于设定,动画形象逼真、播放流畅,可极大地方便和促进学生对装配图知识体系的学习和理解。
1柱塞泵的零件建模
SolidWorks的模型制作是基于草绘基础上的,通过拉伸、旋转、扫描、拉伸切除、旋转切除、扫描切除、圆角特征形成。草绘时为草图添加智能尺寸、添加约束, 草绘可以完全参数化。图1是SolidWorks建模流程。
本文以某柱塞泵为例,介绍基于SolidWorks的建模过程。在看懂装配图并且拆除出全部零件(确定零件尺寸)的前提下,通过应用拉伸凸台、拉伸切除、切除扫描、圆角等特征命令及建立新的参考轴和参考面,可对构成柱塞泵的各个零件进行建模。
其中,螺纹和弹簧垫片建模相对复杂一些。当零件上有螺纹时,先建立螺纹线,然后根据螺纹牙型参数画出牙型的草图,再进行扫描切除。图2为泵体的建模设计树与模型,图3为柱塞泵主要典型零件的建模结果。其中,弹簧垫片运用特征“旋转扫描”—“沿路径扭转”建模,如图3(d)所示。
2虚拟拆卸与装配仿真实现
柱塞泵虚拟装配与动画仿真制作采用“自下而上” 的设计方法,即依照装配图(如图4所示)将前面建好的零件模型按装配顺序逐个插入到装配环境中,再根据柱塞泵的功能及设计要求对各零件之间添加约束配合。
完成装配体之后,使用动画控制器可保存成拆卸、 装配动画(.avi)。图5为虚拟拆 卸与装配 仿真流程 图,图6为柱塞泵的爆炸截图。
制作装配体虚拟拆卸与装配仿真动画制作时要把握如下一点:即在装配体生成虚拟拆卸与装配仿真动画之前,要对每个装配的零件进行外观编辑,使其附着材质和颜色,这是得到一个零件轮廓明显、颜色鲜明且搭配合理、视觉舒服视频动画的基础。
3工作原理仿真实现
完成了装配体装配后,使用SolidWorks自带插件Motion就能实现装配体的工作原理仿真动画。
柱塞泵的工作原理仿真动画基于关键帧动画,即沿时间线拖动时间线到某一时间关键点,然后移动零部件到目标位置。在这个过程中,需要对相关运动的零件间的配合进行重新定义。点选“替换键码”,可把视图调整到希望的位置和视角。
为了更加清晰地观察柱塞泵的工作原理,可对柱塞泵进行剖切,剖切后可直观地看到柱塞泵内部的零件。制作动画可运用基于相机橇的动画,这样得到的仿真动画视频可实现局部结构的放大或缩小显示。图7为柱塞泵工作原理仿真动画截图。
在工作原理仿真动画设计制作过程中,除用到了以上动画生成的方式,装配体工作原理仿真动画的实现还应考虑到零件便于识别、内部零件及其运动状态便于观察、内部结构与整体外形便于观察。
为了便于识别零件,每个装配的零件要进行材质和颜色附着,各个零件颜色要明快、对比度强、视觉协调舒服。
为了便于观察内部零件,可以对相关的外部零件进行剖切,也可采用动态剖切(即在剖切开时演示工作原理、工作原理演示完显示外形),从而得到同时能反映柱塞泵内、外部结构和形状的装配体动画。
对装配的特 定零件进 行透明化 (透明度约 为45%)处理,则便于观察装配体运动状态。
动画输出是动画制作过程中的最后一个环节,其中一些参数的设置,直接影响到动画播放的流畅性和清晰度。经过反复对比实验,保存动画时的参数“图像大小与高度比例”最好设为1024×768,这样设置可适应目前大多数播放设备,可以得到最好的视觉效果;参数“画面信息”中每秒的画面设定最好不要太大,这样的设置既可保证动画的流畅性和清晰度,又对电脑配置要求不太高。
4结语
装配动画仿真 篇4
关键词：三维动画,角色装配,流程,角色动画
1. 引言
作者在多年来的实际工作中发现,在三维动画角色装配工作的进行中,如果没有结构化的流程设计,则整个装配过程是随意的或者是过程不受控制的,难以保持各环节的协调和一致。实践表明,每一个装配环节都会影响装配的实现效果。好的流程可以为每个环节提供一个标准化的组织结构,为后一个环节提供问题最少的前期文件。这些优点最终会体现为装配工作效率的提高和装配系统质量的提高。
本文提出了一个比较科学完整的角色装配流程,分为五个主要阶段:动画需求分析,模型检测,骨骼装配,蒙皮绑定,控制器设置。每个阶段都为下一个阶段准备数据并决定下一阶段能否正常进行。同时分析了其中每一个阶段的工作和主要面对的问题并给出相应的解决方法。
2. 动画需求分析
在实际工作中很多人会把这个工作环节忽略了,盲目地进行装配工作。然而他们忽视了角色装配工作的根本目的就是为了满足动画师对不同角色运动控制的要求,建立便于动画师应用的控制系统。
由于动画角色的多样性,运动变形的复杂性,不同角色具有不同个性及运动特征。这些差异性对角色装配工作提出了不同的要求。如果我们不与动画师进行交流,不对动画需求进行具体分析,就无法获知动画师真正的需要,也就不能了解不同角色的运动特征,在盲目装配工作基础上建立的控制系统必定无法满足动画师对角色运动的控制要求。
因此进行装配前我们必须与动画师及导演等进行充分的交流探讨,了解所要装配的角色的性格特点、动作特征、表情特征,以及动画师需要怎么样的动画制作方式等等。角色装配应该因角色的不同而产生区别。动画需求分析是角色装配工作进行的基础。需求分析关键就在于要了解动画师对角色动作的要求和运动特点,对角色要完成的动作特征进行总结。
3. 模型检测
在整个动画制作流程中,不论是动画,材质,还是灯光,都是以模型为基础和实施的对象。俗语说“皮之不存,毛将焉附”,模型是动画制作的基础,一个不合格的模型最终只能带来不合格的动画结果。因此在进行角色装配前,必须先对角色模型进行检测。
3.1 模型布线的疏密位置
运动幅度大的地方线条密集,例如手脚关节部位。在这些运动的关键部位应该有足够多的多边形数目以保证该处动画变形的正确,并在制作动画的伸展时不会产生破面的现象[1]。
3.2 模型布线的走向
布线遵守角色结构走向(如肌肉走向),以便下一步做动画。如要模拟真实肌肉运动状态,布线需要与肌肉结构走向、肌肉运动的方向相符合,才能更好的体现肌肉真实的运动,否则很难表达出想要的动作[1]。
4. 骨骼装配
骨骼装配是角色装配流程中的重点环节,它决定骨骼系统能否运动,运动效果的好坏。骨骼装配是角色装配系统的核心部分。在骨骼装配环节我们主要进行以下几点工作。
4.1 运动功能区划分
我们具体分析各部分功能区所起的作用,对角色进行功能区划分,无疑会让装配工作更加的有针对性、目的性,更有效率,能以面向对象的方式针对不同的功能部位进行骨骼设置,有利于骨骼装配工作合理而有序地进行。
(1)身体姿态功能区的划分
身体运动主要体现在头、躯干、四肢的运动形态。我们把身体姿态功能区划分为六个部分;头,躯干,胳膊,手,腿,脚。
(2)脸部表情功能区的划分
通过动画表情原理的研究,我们知道角色脸部的丰富表情动作大多数是由眉毛,眼睛,口型三部分的变化形成,如图2。我们把脸部划分为;眉毛功能区(包括眉头,及额头肌肉),眼睛功能区(包括眼球和眼皮),口型功能区(包括嘴唇,牙齿,舌头)以及次要表情功能区(包括鼻子,头发,耳朵等)四个功能区。
4.2 骨骼的建立与层级关系
在为角色创建好骨骼后,我们要对骨骼层级关系进行整理,骨骼能否正常工作,主要取决于骨骼层级关系是否正常[2]。
骨骼层级描述了角色的结构,骨骼装配按照角色的特点组成一个层级关系。相邻的骨骼通过关节相连,并且可以作相对的运动。通过改变相邻骨骼间的夹角、位移,组成角色的骨骼就可以做出不同的动作,实现不同的动画效果。层级关系的正确建立,是以后我们设置IK控制手柄的根本依据。
这里需要注意骨骼搭建的位置是否准确,轴向是否正确统一。骨骼必须严格按照规范命名。骨骼命名非常重要,规范命名可以方便以后骨骼的修改工作,便于数据的管理。
4.3 骨骼的控制方法
(1)骨骼动力学控制方式
骨骼运动遵循动力学原理,动力学解算系统占有相当重要的位置,最常用的是:正向动力学简称FK和反向动力学简称IK。
FK遵循父子的层级关系,父物体带动子物体运动,每一个子物体的位置方向都会被父物体运动影响。优点是:计算简单运算速度快,FK对圆弧运动动画操作时较方便快捷(如挥动手臂,弯曲手指等)。缺点是:动画时需要为每个骨骼指定角度和位置,当参与运动的骨骼过多时,操作将显得异常的复杂繁琐,极为费时费力[3]。
IK指定末端子骨骼的位置,计算机自动计算出各中间骨骼的位置。优点是:工作效率高,大大减少了需要手动控制的骨骼数目,IK对于创建直接目标运动比FK更加直观便捷(如手抓球,手脚爬梯子,走路等)。
角色运动的复杂性使得动画调节时要不断地在IK和FK的控制方式之间切换,一个角色装配系统中总是同时包含着IK和FK[3]。
(2)表达式与约束控制方法
动画角色复杂而生动的表情及动作是由各功能部位共同运动形成的,角色是一个有机的整体,它们的运动是不断相互影响,并会产生连带运动。只用IK和FK无法满足骨骼运功的复杂需求,我们可以运用各种约束命令和Maya表达式对骨骼进行约束和关联,让它们形成一个运动的整体。实现对角色的运动精细的控制。
5. 蒙皮绑定
蒙皮是把表面模型附着到骨骼上,并使表面模型在动画制作的过程中能正确变形的过程。蒙皮的质量决定最后表面模型变形结果的好坏。Maya中提供了平滑蒙皮和刚性蒙皮两种蒙皮方式[4]。在实际的应用中可以针对不同情况综合采用不同的蒙皮方式,以取得最好的变形效果和效率。
(1)刚性蒙皮
刚性蒙皮的每个表面点仅能被一个骨骼影响。它运算速度快,文件完成量小,但是骨骼旋转部位的皮肤变形效果比较粗糙、僵硬。这一不足可以通过添加变形器形成间接蒙皮的方式来取得平滑的变形效果。
(2)平滑蒙皮
平滑蒙皮通过使几个骨骼影响相同的表面点而提供平滑的表面变形效果。平滑蒙皮在骨骼关节部位的皮肤变形效果非常自然平滑。表面点的权重值可通过画笔交互式的绘制,操作直观方便。权重值可按照物体中心进行对称复制等极其方便的操作,大大提高蒙皮工作效率。但是平滑蒙皮形成的文件比较大,处理起来会较为缓慢[5]。
6. 控制器设置
设置控制器的目的是为了简化和方便动画师的操作,使复杂繁琐的动画操作变得简洁易于控制。我们一般使用曲线绘制具有表示性的控制器,通过约束、驱动关键帧等技术将骨骼运动、皮肤变形等操作与控制器各属性进行关联。为了系统有序地设置控制器,从功能上把控制器划分为三类:
身体运动控制器:控制身体的运动,包括四肢,躯干,以及头部的运动。
表情动画控制器:控制脸部表情及口型动作,形成丰富的表情动作和语言动作。
辅助控制器:起辅助作用的控制器,例如控制角色模型在高精度模型和低精度模型间的切换,控制各个功能区UI的显示和隐藏等。
7. 结论
本文提出了比较科学完善的角色装配工作流程,同时分析了各阶段主要面对的问题并给出相应解决方法。目的就是建立完善的操作流程,减少出错的概率,提高装配效率,更好地结合各方面技术知识建立完善高效的动画控制系统。本文角色装配的流程是一个普遍适用的流程标准,其不仅适用于Maya软件平台,对于其它软件平台也具有同样的指导意义。
参考文献
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装配动画仿真 篇5
推进剂加注设备是火箭发射系统的重要组成部分,操作、维修人员的业务水平对火箭发射活动具有重要影响。操作失误和维修不当轻则造成设备故障,延误发射,重则引起推进剂泄漏事故,造成人员和装备损失。利用虚拟现实技术进行加注设备装配操作训练,有助于操作和维修人员熟练地掌握加注设备的操作和维修技能,避免利用实际加注设备进行训练的种种限制。本文研究加注设备虚拟装配仿真训练系统的开发过程。
1 系统功能和技术框架
加注设备虚拟装配仿真训练系统具备以下三项主要功能:
1) 加注设备基础知识学习功能。
以帮助文档和虚拟场景相结合的形式讲解加注设备的功用、结构、原理、操作使用和维护修理等知识。设备知识包括系统级和部件级两个层级。系统级知识的学习在完整的加注设备虚拟场景中进行,用户进入场景“实地”观察系统构成、设备功用与布置、管路走向等,并可通过弹出菜单项选择进入相关帮助文档,学习系统工作流程、操作使用方法和维护修理知识。在系统级虚拟场景中可点选重要设备进入部件级学习,部件级学习在单个设备虚拟场景中进行,可观察各设备的三维实体结构和装配关系,也可选择进入相应帮助文档,学习设备的工作原理和使用维护方法。操作、维修人员通过这些知识的学习,获得加注设备工作原理和操作维护的基本知识。
2) 加注设备装配模拟训练功能。
以动画演示和虚拟交互操作相结合的形式练习加注设备的拆卸和装配工艺过程。在系统级虚拟场景中,可以选择观摩零部件更换和维护保养演示,这种演示为顺序动画形式,用户不能干预或参与装配;也可选择交互拆装操作,用户可通过鼠标、键盘对设备进行选择、旋转、拖动和释放,进行零部件更换和维护保养的操作训练,此时用户完全自主拆装。用户还可点选重要设备进入单个设备的拆装训练环境,同样可选择观摩单个设备的拆装演示或自主进行设备的交互拆装训练,此时可将设备完全拆卸成零部件。通过交互拆卸和装配训练,用户可熟悉设备拆装的工艺流程。
3) 加注设备装配工艺规划。
以装配工艺规划算法[1]为基础,提供拆装序列规划、路径规划和特定故障拆装训练平台。针对加注设备的特定故障,用户可通过此平台拟定维修方案并进行维修训练。当某设备发生故障后,维修人员初步确定拆卸的方案(通常只需拆卸少量零部件),再利用此平台规划拆卸序列和路径,得出最优的拆卸工艺方案。再以此拆卸工艺方案为基础,生成操作、维修综合实验环境,人员通过此环境,针对具体的故障和维修方案,采用最优的装配工艺进行拆装训练,有针对性地获得特定故障的维修技能,提高维修的工作效率。
图1所示是推进剂加注设备虚拟装配仿真训练系统的技术框架,分为界面层、应用层和支撑层三部分。界面层是对仿真应用的集成和调度,实现用户功能,并为用户提供友好的操作界面。应用层是面向特定需求的仿真实现,通过设备知识的搜索和综合、装配过程仿真和装配工艺规划三部分实现加注设备知识学习、拆装过程演示和交互操作、拆装工艺方案规划和训练环境生成等核心功能。支撑层包括仿真应用所需的三维模型和数据库、系统开发和运行所需的支撑软件等。
2 建立三维实体模型
为实现装配仿真训练系统,首先要建立加注设备的几何模型,模型必须真实地表达设备的结构,即模型尺寸要准确,配合间隙要精确,装配关系要与实际相符,而且外观必须逼真。本文选用Autodesk Inventor建立加注设备的几何模型,它基于特征进行参数化的实体造型,建立的模型既有直观的外形,又有精确的尺寸配合。
加注设备包括各种管道、阀门、泵、推进剂贮罐和操纵台等,使用Inventor建模[2],首先根据零件的尺寸参数,画出零件的特征草图,然后使用特征操作,如拉伸、旋转、扫掠、阵列等构建出零件的几何特征。当建好设备的所有零件几何模型以后,通过各种约束,如配合约束、角度约束、相切约束等约束零件间的相互位置关系,组成设备的整体模型。如图2所示是的安全阀的几何建模过程。
建立好各种分离设备的几何模型后,根据加注设备真实连接关系组合成系统模型,利用Multigen Creator[3]进行渲染,构建加注系统各工作区域场景,如图3所示为泵房和罐室场景。
3 加注设备的装配仿真
装配仿真是加注设备虚拟装配训练的核心功能,本文采用VP[4]进行仿真开发,在VP中通过对场景(scene)、观察者(observer)、观察通道(channel)、环境变量(environment)、运动方式(motion)等参数进行设置,构建推进剂加注设备装配仿真的虚拟环境。利用VP所提供的功能模块和程序开发接口,实现加注设备的装配过程演示和交互装配操作。
给模型设定一系列的路径控制点,通过路径控制点控制模型在通过此路径控制点时的位置、姿态,然后利用导航器Navigatror连接路线中的各个散布控制点,形成一条完整的运动路径,模型可以自动地按照指定的运动路径在场景中运动。通过对PathNavigator中的setStartDelayTime,setKinematicstate等参数的设定,确定零件拆卸的先后顺序和拆卸动作的快慢。对点的位置或拆卸时间等参数进行修改,可以改变拆卸过程演示方案。图4(a)所示是电磁阀的拆卸演示过程。
通过鼠标的拖动改变零件在场景中的位置,来实现装配的交互操作。首先获取鼠标在计算机屏幕上的位置坐标(x,y)和零件的三维空间位置坐标(x',y',z'),并通过设置观察者坐标和姿态,获得装配场景的正视图,用鼠标的(x,y)坐标来改变零件的(x',y')坐标值,然后切换到装配场景的侧视图,固定零件的x',y'的值,利用鼠标的x坐标信息来改变零件的z'坐标值,实现零件的拖动。如图4(b)所示是球阀的虚拟交互装配的过程。
4 装配工艺规划
装配工艺规划针对特定的加注设备出现的特定故障,分析修理过程中的拆卸和装配方案,并通过对不同装配方案的比较,得出最优的装配方案,为维修工作提供指导。装配工艺规划分为装配序列规划和装配路径规划。
4.1 装配序列规划
装配序列规划[6]即产生一个装配顺序,在经济最优化的前提下,把分离的零件装配在一起,形成目标产品。
本文采用的装配序列规划原理为:采用联结图法建立加注设备的装配模型,表达零件的装配信息。采用子装配体的概念对装配模型进行简化。然后利用零件间的优先约束关系分析拆卸模型,建立设备的优先关系矩阵。通过对设备装配模型和优先约束关系矩阵的分析,生成设备可行的拆卸序列。采用遗传算法对设备的拆卸序列进行优化,优选出最佳的装配序列。
对图5所示的闸阀进行装配序列规划,得到一组最佳拆卸序列为:1,6,2,3,7,9,10,8,4,5,11。
4.2 装配路径规划
装配路径规划[5]就是寻求一条装配零件从装配起点到装配目标点的空间运动无碰路径。本文采用粒子群优化算法进行装配路径规划。图6是在有三个障碍物的空间中,采用粒子群优化算法从起点S到终点T寻找的一条最短无碰路径,路径长度为205.945。
5 系统开发
本文利用VC++2003.net编程实现仿真训练系统界面程序[6],通过进程调用的方式对各功能模块进行调度和集成,形成加注设备虚拟装配仿真训练系统。图7(a)所示是设备知识学习界面,图7(b)所示是设备拆装演示界面。
6 结论
本文设计了推进剂加注设备虚拟装配仿真训练系统的功能和技术框架,建立了设备的几何建模,开发了加注设备的装配演示、交互操作仿真以及工艺规划模块,并对系统进行了集成。开发的虚拟装配仿真训练系统对加注设备操作和维修人员的业务学习和技能训练有重要帮助。
摘要：设计了火箭推进剂加注设备虚拟装配仿真训练系统的功能和技术框架,建立了加注设备的三维实体模型,开发了加注设备的拆装演示、交互装配操作和装配工艺规划模块,并编制了功能模块调度与管理界面程序。设计的系统对加注设备操作和维修人员的业务学习和技能训练有重要帮助。
关键词：加注设备,虚拟装配,训练系统,设计
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装配动画仿真 篇6
柔性薄板类零件广泛应用于汽车、飞机等机械产品的生产中,其常用的装配连接形式为铆接和点焊。装配过程中的零件制造和夹具定位误差的存在会导致零件连接配合区域存在间隙或理论上的干涉现象。柔性件装配是一个经过定位及夹紧消除间隙后,施加连接操作的过程。不同于刚性零件,柔性件在装配过程中会因为过定位夹紧和连接力的作用而导致其弹性变形以及接触状态的不断变化,已有的刚体装配模型不适应于柔性薄板零件装配偏差的分析。因此,构建柔性薄板装配过程仿真模型,进而确定装配偏差的影响因素对于保证产品质量至关重要。
典型的薄板装配通常分为定位、夹紧、连接和夹具释放4个步骤[1],国内外众多学者对其装配过程和偏差分析进行了大量研究。Liu和hu[2,3]将有限元与统计分析相结合,采用影响系数法建立了零件偏差与装配回弹之间的线性关系,掀起了对薄板装配偏差分析的热潮,但其不足在于未考虑装配过程中零件间的接触现象。Liao和wang[4]研究了薄板装配中零件接触力对装配偏差的非线性影响,借助ANSYS有限元软件实现了基于非线性接触模型的钣金件装配偏差计算。Kang xie[5]等研究了装配过程中考虑接触情况下的尺寸偏差传递,结合有限元软件,采用增强的维数减小方法,建立了零件偏差与装配偏差统计特征之间的关系。国内林忠钦、来新民[6]对车体装配偏差的基本概念和国外基于偏差流理论的偏差控制方法进行了概括和归纳,掀起了国内对汽车柔性装配偏差分析和控制的研究帷幕。张媛媛[7]采用ABAQUS对装配接触问题进行建模,提出了有限元建模中干涉消除和接触力建模方法,进而分析接触存在情况下的柔性薄板件装配偏差。
基于ABAQUS有限元分析软件,运用重启动分析、数据传递以及自由度耦合的功能,构建柔性薄板装配过程仿真模型,分析零件接触以及摩擦现象对于最终装配偏差的影响,通过与薄板装配实验数据对比验证仿真模型的准确性。
1 柔性薄板装配模型
依据柔性薄板实际的装配过程及工艺特点,采用ABAQUS有限元分析软件构建装配过程仿真模型。
1.1 薄板装配定位方式及连接形式
对于刚体零件装配,一般在夹具上设置6个支撑点分别限制零件的6个自由度即可完成定位,通常称为3-2-1定位原理。6点的配置为:3点确定第一基准面以面接触方式对零件定位;2点确定第二基准面以线接触的方式对工件进行定位;一点所在的平面以点接触的方式对工件进行定位。不同于刚性零件,柔性零件刚度低,装配过程中受力易变性,因此柔性零件通常采用N-2-1的过定位方案,即在第一基准面上选择N(N>3)个定位点对零件充分定位,通常选取薄板零件的最大投影面作为第一基准面。
薄板连接装配通常采用点焊或铆接方式,从工艺角度出发,设计时需要在零件接头处保留一定的重叠区域称为配合区。典型的配合区连接方式包括搭接、对接及角接等(图1)。搭接接头可通过沿零件表面方向的滑动减小误差的传递,因此薄板零件装配多采用该种配合形式,对于装配过程的研究亦采用该连接形式。
1.2 柔性薄板装配过程
根据实际装配过程,柔性薄板装配通常情况下可以分为如下4个连续的步骤(图2)。
1)待装配零件定位,消除刚体位移。此处可采用3-2-1的定位方案,对于大尺寸薄板零件,可采用N-2-1的定位方案,以此充分约束零件的6个自由度,达到消除刚体位移的目的。
2)将零件夹持到名义装配位置。由于零件不可避免地存在制造偏差,定位后的零件可能偏移名义的装配位置,导致零件之间及零件与夹具之间存在间隙,采用过定位夹具及连接工具(铆枪或焊枪)施加夹紧连接力将零件夹持到名义连接位置,消除间隙。
3)连接,将待装配零件连接在一起。
4)释放夹具及连接工具,装配体自由回弹,装配完成。
1.3 ABAQUS柔性薄板装配过程仿真
对于柔性薄板装配过程的仿真,其关键问题在于:1)对连接工艺的模拟;2)对夹紧消除连接配合区域间隙之后施加连接紧固过程的实现。
针对连接工艺的模拟,因连接接触作用对于整体装配尺寸偏差影响较小,仅将连接操作简化为两结点之间的6个自由度耦合。ABAQUS中能实现此操作的有TIE绑定或MPC多点约束中的梁约束。但以上2种自由度耦合只能定义在初始分析步中,在后续分析步中继承,而柔性件装配是一个定位、夹紧消除间隙后施加连接的过程。因此,薄板装配的连续过程无法在一个分析模型中实现。
针对夹紧消除连接配合区域间隙之后施加连接紧固过程的实现,根据装配过程的实际需求以及重启动分析与数据传递的技巧,将装配过程分为2个分析模型。分析1对待装配零件施加定位、压紧到连接前的理想位置,并在分析末尾设置重启动分析参数,实现装配中的定位和夹紧步骤;分析2以分析1仿真结果作为本次分析的开始,定义连接,使装配后模型在夹紧后的弹性势能的作用下回弹至平衡位置,完成连接、回弹步骤。至此即通过2个仿真模型完成柔性件装配的全过程。
基于以上对柔性薄板装配过程中相关问题的有限元方法的处理,对基于ABAQUS的柔性薄板装配过程仿真做总结与归纳,如图3为ABAQUS柔性薄板装配仿真流程图,具体实施分为如下4个步骤。
1)构建带有制造偏差的装配零件模型,网格划分,选择定位点,采用3-2-1或N-2-1的方案对零件定位;对于可能在装配过程中发生接触的区域定义接触对,可采用点-面或面-面的接触模式,并在接触切向设置摩擦因数,完成定位。
2)选取过定位夹紧点及装配连接点,施加夹紧连接位移将零件压紧到理想连接位置,此处亦可通过调整位移数值模拟夹具及连接工具的定位偏差,因接触为典型的非线性现象以及零件制造偏差的存在,在夹紧过程中可能存在大位移现象,此处采用静力通用非线性分析,创建分析、求解完成整体过程中的定位、夹紧两步骤。
3)建立新的分析模型,采用数据传递操作导入前一分析夹紧完成后的网格模型,预定义初始状态场导入与变形后的网格匹配的夹紧完成后的计算结果,采用与前一分析相同的定位方案对零件定位,并设置接触属性,选取连接点,采用TIE或MPC约束模拟铆接或点焊连接,完成连接。
4)创建分析,让装配完成后的模型在上一分析夹紧完成后产生的弹性势能的作用下自由回弹,完成回弹步骤。此处采用仅释放夹紧夹具及连接工具的过定位释放方案。
2 实例分析
运用ABAQUS对柔性薄板装配过程进行仿真,在柔性薄板装配试验台上完成柔性薄板装配实验并采用三坐标测量机测得最终装配偏差。将仿真数据与实验数据进行对比,分析接触以及摩擦现象对于装配偏差的影响。
2.1 Z型板与平板装配仿真
图4为Z型板与平板零件几何模型,两板厚度均为1 mm,其中Z型板装配连接一端翘曲5°用以模拟零件制造偏差。各装配零件材料属性如表1所示。
采用ABAQUS建立装配零件的有限元网格模型,单元类型为S3,图5为薄板装配方案。Z型板采用4-2-1的过定位方案,具体实施为定位点F11、F12、F13和F14约束y向自由度,约束z向自由度的有点F12和F13,F11约束x向自由度;平板选取定位点F21和F22约束x、y和z三个方向自由度,以上各定位点约束自装配开始至最终均不释放。因本实例尺寸相对较大,另在Z型板折边上选取夹紧点C11和C12在x方向上施加位移约束,在平板上选取C21和C22约束y向自由度实现过定位夹紧。以上4个过定位点在装配完成之后释放约束。因此,本实例采用的是过定位释放方案。
图5在2块薄板零件连接配合区域选取4对连接点,以Z型板上连接点为主结点约束平板上对应点的全6个自由度模拟连接操作,各连接点匹配关系为W11/W21、W12/W22、W13/W23和W14/W24。因Z型板配合区域的翘曲导致其上各连接点在y向上偏离理想连接位置,另在C11和C12上分别施加1 mm和0.5 mm的位移约束模拟过定位夹具偏差,施加方向为x向。如表2所示为各连接点处制造偏差与夹紧点处定位偏差数值。
在下列3种情况下对装配过程进行分析仿真:1)不考虑接触作用;2)考虑法向接触现象不计摩擦影响;3)同时考虑接触法向接触与切向摩擦现象。当考虑摩擦现象时,摩擦系数取f=0.3。以薄板法向尺寸作为最终装配质量评估方向。各关键测点为:Z型板上点K11、K12,平板上点K21、K22,装配后两板共有的连接点W11/W21、W12/W22、W13/W23和W14/W24。表3为3种假设下所得各关键测点处装配偏差。
2.2 Z型板与平板装配实验
为验证本文采用ABAQUS对柔性薄板装配过程进行仿真的可行性,设计柔性薄板装配试验台(图6),对Z型板与平板进行装配实验。
根据图4实例几何模型及表1相关材料参数制作薄板零件并设计装配过程实验,实验中相关数据采集使用三坐标测量机(型号为MISTRAL070705)。如图7为薄板零件实物。各零件预制直径为22 mm的圆孔与装配实验台定位杆配合,实现确定性定位。点焊与铆接均为不可拆卸连接,为实现零件的重复利用,采用直径为5 mm的螺栓连接模拟点焊或铆接工艺连接。Z型板预制8 mm直径连接孔,因定位及夹紧误差,很难确定两板连接的准确位置,因此,平板采用长度为18 mm的槽孔配合圆孔连接,保证在小滑动情况下板件亦可实现连接。
a)根据柔性薄板装配工艺,装配实验通过如下4步实现:
1)零件定位:采用N-2-1定位理论对薄板零件定位。因制造偏差的存在,待装配零件连接配合区域存在间隙,如图8所示。
2)过定位及连接夹紧:采用夹紧夹头配合定位夹头将零件夹紧到理想连接位置,消除装配间隙。如图9所示,两板连接配合区域已完成闭合。
3)连接紧固:实验中采用螺栓与弹簧垫圈配合以保证连接的可靠性,如图10为连接完成后示意图。
4)过约束及连接夹头释放:释放连接及过定位夹头,因各夹头处夹紧力消失,装配体会发生一定的回弹现象。运用三坐标测量机测量各关键点处回弹后坐标,确定最终装配偏差。如图11为回弹后所需个关键点示意图。表4为装配完成后各关键测点处的装配偏差。
b)从3个方面对实验及仿真数据进行分析:1)分析接触现象对于装配偏差的影响;2)研究摩擦现象对于装配过程的影响机制;3)验证本文构建的薄板装配过程模型的有效性。分析数据来源于表3和表4。
不考虑接触现象时,ABAQUS仿真相对于实验数据在各关键点处装配偏差的平均相对误差为53.9%,因此,接触现象对装配偏差有较大影响,由图12同样可以看出仿真数据相对实验结果相差较大。
仅考虑法向接触时平均相对误差为15.3%,取摩擦系数f=0.3时平均相对误差为11.0%。即考虑摩擦作用时仿真结果更贴近真实值。由图12和图13可以发现2种假设前提下装配偏差与实验数据均有相近的数值。因此,仅考虑法向接触、同时考虑法向接触与切向摩擦采用ABAQUS仿真柔性薄板装配过程均可较准确的对装配偏差进行预测,但要更精确的得到计算结果,应充分考虑切向摩擦作用的影响。
c)经分析,结论如下:1)接触现象对于装配偏差有较大影响,其作用不可忽略;2)切向摩擦现象对于装配偏差有一定影响;3)本文基于ABAQUS的柔性薄板装配过程仿真可较准确的模拟装配过程,预测装配偏差。
3 结语
柔性薄板类零件广泛应用在汽车及飞机制造领域,准确预测装配尺寸偏差对于保证产品质量具有重要意义。基于ABAQUS有限元分析软件,运用重启动分析、数据传递技术和自由度耦合技巧,构建了柔性薄板装配过程仿真模型,分析了法向接触以及切向现象对于装配偏差的影响。通过仿真与实验所得装配偏差数据的对比分析,验证了仿真技巧的正确性。
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基于仿真的装配线平衡优化研究 篇7
如今市场竞争激烈, 企业要提高竞争力必须降低生产成本实现高效生产。如何提高装配线的效率尽量减少加工时间实现生产同步化受到生产商的重视, 进行装配线平衡设计是实现这一目标的手段之一。在中小企业的装配线中, 普遍存在着工序安排不合理、在制品过多、生产周期长、人员待工时间多等一系列的问题。所以一个成功的制造企业其中一点是实施敏捷生产概念即成本最小化和减少变化。
1 国外仿真进展
国外研究现状:
目前关于仿真的国外研究有Faisal Aqlan在配置订单生产环境下实施仪表盘来优化生产线模型;Nooshin Rahmani使用基于仿真优化技术去设计汽车厂的润饰线, 通过求解优化模型来建议设施和工作站的最佳数量;Rami Musa在优化—仿真—优化基础上使装配上减少主动变化;魻ncüHazr在流水线在不确定条件下提出了新的模型和基于精确算法开发的分解从而设计组装线生产速率会更加可靠。
2 国内电动车企业现状
组装线改善前的状态:
大安电动车企业是国内生产电动三轮车的大型专业企业之一, 其组装车间的主生产线每日有效工作时间为8小时采用成批投产同时装配生产线以花鼎电动车为例其组装的流程这19个步骤配上每个工位所需要的时间。如表1。
通过现场观察企业目前存在着, 线上在制品过多, 堵塞状况颇为严重, 影响前一工位已完成的工序无法顺利传送到下一工位。工作人员较多, 工作流程复杂, 部分工位的工人操作存在动作浪费, 以及部分工位布局混乱, 物料摆设杂乱导致工时延长及出现待工现象。
3 分析并改善
3.1 差速器预装动作分析报告
用Vidio Analysis APP对差速器预装进行动作分析, 由于成品车距离工作台较远, 各种原料车分布分散造成无效走动, 改善后可将差速器预装总时间从88s减少到81s如表2, 每台差速器降低7s。
通过上述方法分别进行了坐垫靠背, 左右贴花, 砸碗, 车架倒装, 后桥安装, 调节拉杆, 吊耳整体的改善以及顺线过程的改善。
3.2 改善并实施
通过对连续流的组装线发现的一系列问题进行改善例如砸碗工由两人减少为一人, 接替车架倒装处的安装过线圈和减震皮的工作;差速器预装人员和砸碗工同步作业, 同时负责把装好弓字板的差速器抬到流水线上, 省去了原来搬运后桥的两人;流水线上第一道序的员工负责安装两侧吊耳即螺栓并紧固;预装继电器的工序交给顺线束的员工, 原装继电器的员工到第6工位紧固控制器、装充电座;原紧固控制器、安装充电座的员工到第7工位压线槽、紧固继电器、座筒;下车处放配件、拿支架的员工改到第7工位放座筒、扎线束、验电、装座筒。省去此工序处原来验电、压线槽、紧固座筒的两人;装拉臂一端、搬车厢的工序与装车厢的工序合并, 省去一人;装前挡风、钉铭牌的工作上线;一人负责装前挡风、钉铭牌, 另一人负责装挡风、放配件, 省去了原来钉铭牌的一人;验车工负责下车, 省去了原来专门的一名下车工。加以整理规划并用VISIO图呈现出来, 总工位由20个合并减少为15个, 总人数由42名削减为34名。改善后的平衡率
4 em-plant仿真结果统计分析
通过观察一整天 (8小时) 的仿真运行结果看出改善后总吞吐量也就是组装完成的电动车由改善前的512辆增加到了542辆增长了30辆, 表2为仿真输出结果比较。
根据仿真输出结果得知产量提升、在线员工减少、工人利用率提高, 节约了成本、改变了原有的不平衡现象, 更加有利于工厂的发展。
5 总结和今后研究
仿真优化方法虽然能体现改善成果但是仅仅是展现、发现问题而已, 而不是通过软件内部操作来更加细致方便地更改生产系统, 与此同时, 还得通过人为的方法去依次解决导致生产率低下的原因。当然搬运物料的距离、频率以及所需搬运物料人员的数量也应逐渐减少, 这也是今后需要改善的一个重要部分。
当前的目标是实现降低检查成本和组装成本使其最小化, 今后工作人员还需要通过降低部件匹配整体检查计划的变化来使生产最终装配的失败率降到最低。
摘要：仿真经常用于生产过程的建模以达到理解和改进它们的目的, 使文字流程自动化从而发展可视化, 并使用人机工程原理和工艺布局原理加以改善后再借助Em-plant仿真软件对改善结果进行建模后分析, 从而证实优化的可行性以及更利于管理者对生产现状的了解。
关键词：组装,仿真,改善,平衡
参考文献
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装配动画仿真 篇8
关键词：三维动画,角色,角色装配,角色动作
计算机三维动画本质是计算机图形学与艺术相结合的产物, 是伴随着计算机技术发展起来的高新技术。随着信息社会计算机信息覆盖范围越来越广, 计算机三维动画也在各行各业中发挥了越来越的作用。计算机三维动画技术被应用于电影特技、动画片、大型游戏制作、军事飞行模拟、演练模拟甚至用于案件模拟再现。从中, 我们可以看到计算机三维动画技术展示的强大功能。在计算机三维动画技术应用中, 我们可发现角色动画技术与角色动作技术是计算机三维动画技术中最闪光的地方。现实生活中, 对我们可产生巨大影响力与震撼力的当属运用大量三维动画技术的影视大片, 例如《变形金刚》、《钢铁侠》、《马达加斯加》、《怪物史莱克》、《魔戒》等。这些运用三维动画技术的数字影视片向我们展示了人物角色的真实感、华丽感。每部影片中都有极具个性化魅力的角色与角色特有的标志性动作, 深深感染了我们。所以说三维动画中角色分配与动作规划是非常重要的。
1 计算机三维动画角色装配技术
1.1 角色动画中应用的计算机三维动画技术
通常情况下, 我们应用与角色动画中的计算机三维动画技术包括三维角色几何模型表示方法、模型结构。
1.1.1 三维动画角色模型表示方法
三维角色模型与角色装配有直接关系。动画需求不同其角色模型结构也不同。目前表示方法有棒状体模型、表面模型、实体模型和多层次模型。表面模型与多层次模型是影视动画制作中常用到的模型表示方法。笔者在本文主要讲解下表面模型与多层次模型。
表面模型可分为骨骼层和皮肤层两个层次。骨骼层按照角色层次关系排列, 是形成角色动画的基础。皮肤层包是表面模拟皮肤的外形, 其包裹在骨骼层的表面。表面模型的优点是角色塑造速度快, 不足之处是不能很好表现角色运动效果的真实性。多层次模型最为接近人体结构结构模型, 皮肤与骨骼之间加入了肌肉、脂肪等结构层。增加角色立体感、人物形象饱满感的同时, 也带来了大量的计算, 增加了模型复杂度。
1.1.2 计算机三维动画的常见运动生成方法
目前, 计算机三维动画技术中常用到的运动生产方法有关键帧动画、物理模拟技术和运动捕获技术。其中关键帧动画是应用最为广泛的方法, 最为简单直观。为获得更加平滑的动画效果, 需要经验丰富的动画师花费较长的时间与精力绘制关键帧。关键帧动画可以让动画师充分体现对角色运用的要求与控制。物理模拟技术起源于20世纪80年代中期, 是基于物理的动画生成技术, 将物理规律引入到计算机动画制作中。物理模拟技术可以增加动画角色动作的真实感与质感, 但是缺乏鲜明的角色个性。动作捕获技术拥有最高的制作效率, 可随时捕捉生成的所有运动数据, 继而形成真实的动作。缺点是制作成本高。
1.2 角色装配技术
三维动画把对动画中的物体进行设置控制运用工具的工程称之为角色装配。角色装配建立角色的动画控制系统。其为满足不同的动画需求可分为两种:物理真实性角色装配与卡通风格式角色装配。物理真实性角色装配实现了角色具有现实生活中真实生物高度复杂的运动。进行物理角色装配之前, 需要深入研究角色的解剖结构及运动方式是角色装配非常重要。制作真实角色的设定需要遵循生物在真实世界中的活动形态, 例如《金刚》中的大猩猩, 《博物馆之夜》中的多种恐龙, 《加菲猫》中的加菲和欧迪, 《飞屋环游记》中的狗卫队。观众在观看影片的时候, 会感受到角色动作的真实性, 更加感受到角色形象的真实性。卡通风格角色装配主要是服务于具有高度动作夸张的卡通风格动画。由于卡通风格角色并不追求真实的动作效果, 是一种高度假定性艺术, 主要是为了满足剧情。例如《海绵宝宝之泡泡店》, 为了突出海绵宝宝的创造能力与幽默感, 动画制作师设计海绵宝宝吹出的泡泡有大象、鸭子、蝴蝶、轮船等多种形象, 而且动物形状的泡泡破灭的时候还可以发出与之相对应的声音。海绵宝宝总是可以做出多种夸张动作。这些夸张情节都表达了故事的趣味性, 成功吸引到大大小小的观众观看。
1.3 角色装配的意义
角色装配是承前启后的重要阶段。做好角色装配工作, 相当于建立完善的角色动画控制系统。角色装配是提高动画质量的基础, 其使角色有血有肉有感情, 可以说赋予了角色生命。增加角色的真实感与饱满的形象。
2 三维动画制作中角色动作规划
三维动画中角色动作基本都是通过三维软件进行手动调节的。运用的物体要充分考虑其运动规律, 角色动作可以反映角色情感变化。我们再进行角色动作规划时, 要充分考虑角色的性格特点。合理性、顺畅性的动作才能使动画角色真正的“活”起来, 才能彰显角色的“生命力”。例如《马达加斯加》里的狮子、斑马等角色, 具有各自不同个性的动作。
做好角色动作规划前, 我们要仔细观察生活, 体验生活, 从生活中获取更多的动作灵感, 了解基本动作的基本运动规律。俗话说“万变不离其宗”。我们在基本规律基础上, 加以变动, 生动地展现角色性格。
3 结语
优秀的动画角色应该有饱满的形象与充满感情的动作, 既具有普遍意义上的共性, 又拥有角色与动作的个性。三维动画制作中的角色装配与角色动作规划是一项很复杂的工程, 需要动画师们的配合, 需要所有参与影片制作的人员的配合。笔者在本文只是简单讨论了三维动画中角色装配技术与角色动作规划。角色装配与角色动作规划是影片角色生动形象的基础, 具有非常重要的作用。我们要深入学习各种角色装配技术与研究角色动作规划, 争取为观众创造更生动且具有鲜明个性、深入人心的三维动画角色。
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