车螺纹等车削加工仿真动画的研制 - 文章

车螺纹等车削加工仿真动画的研制

作者：广东工业大学黄雪梅韩腾蛟

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《金属切削的基础知识》CAI软件主要阐述切削加工的基础知识，而切削加工中用得最多的是车床，也就是车削加工。为此我们研制了车外圆、车台阶、切槽、倒角、特别是车螺纹等车削加工仿真动画。如图1(已完成了车外圆、车台阶、切槽、倒角，正在车螺纹的一幅画面)。

下面以车螺纹仿真动画的制作为重点，阐述车螺纹动画的运动原理、制作方法和技巧，简述车外圆、车台阶等仿真动画的制作。

图1已完成了车外圆、车台阶、切槽、倒角，正在车螺纹的仿真动画

一、车螺纹动画的运动原理

车床切削加工通常有两种运动：1、主运动：是利用卡盘或前后顶尖、拨盘及鸡心夹装夹工件并作旋转运动。它是由电动机通过变速机构把运动及动力传递到主轴并经卡盘或拨盘、鸡心夹再传递到工件。2、进给运动：其运动是从主轴传出，经过挂轮机构、进给机构、光杆(车螺纹时用丝杆)传到溜板箱及溜板，使其上面刀架及被刀架夹紧的车刀作进给运动。通过主运动及进给运动的合成，从而加工出相应的工件表面。螺纹加工也是利用这个原理，当工件每转一转时，车刀沿着形成螺纹的方向移动一个导程，从而车刀切削出相应的螺纹。

二、车螺纹仿真动画的制作方法和技巧

1. 制作构件

根据上述车螺纹动画的运动原理可知所需构件有床头箱、拨盘、前顶尖、鸡心夹、工件、后顶尖、车刀等。

下面在选取3DS MAX作为制作动画软件的基础上以制作流程的方式介绍构件的制作方法(注：箭头表示从一个面板跳转到另一面板或选取的先后顺序)。

床头箱及工件的制作流程：Create→Geometry→(下拉框)Standard Primitive→Box(直接制作床头箱)、Cylinder(直接制作工件)

拨盘的制作流程：1.Create→Geometry→Standard Primitive→Cylinder(制作大、中、小三个尺寸适宜的圆柱)、Box(制作一个尺寸适宜的长方体)；2.Create→Geometry→(下拉框)Compound objects→选取大圆柱→Boolean→(复选)Move和Subtraction(A-B)→Pick operand B→分别选取中、小圆柱、长方体与大圆柱进行“差”布尔运算得布尔物体即拨盘。

前顶尖和后顶尖的制作流程：Create→Geometry→Standard Primitive→Cylinder(制作一个尺寸适宜的圆柱)→Modify→Height segments(3)(即将圆柱分成三段)→Edit Mesh→Sub-object→Face→在Front视图中选圆柱的三分之一部分→Collapse 即可制作出顶尖。

鸡心夹的制作流程：1.Create→Geometry→Standard Primitive→Cylinder(制作5个大小不一的圆柱)、Box(制作一个尺寸适宜的长方体)、Torus(制作一个圆环)→菜单中选Select and Scale→Squash图标(将圆环缩放成所需物体)。2.将流程1制作的部件调到合适的位置后按拨盘的制作流程2(把“差”改为“并”)或选取菜单的Group均可制作出鸡心夹。

作者制作的车削加工动画总共用了5把刀，分别用于车外圆、车台阶、切槽、倒角、车螺纹，因为每把刀的大、小、形状不一，所以这里只介绍用于车螺纹的刀的制作方法。

车刀的制作流程：Create→Shapes→line→Creation Method→(复选)Corner(制作刀的二维形体)→选取二维形体→Modify→Extrude→(打开)Parameters→在Amount上选取或输入适当的数值即可制作出所需要的刀。

2. 螺纹的制作方法与技巧

螺纹的制作思路是：圆柱与螺旋体的“差”布尔运算。

圆柱的制作方法前面已经介绍过，这里详细介绍适合与圆柱进行“差”布尔运算的螺旋体的制作方法与技巧：

在Create面板中,使用Shapes下的Ngon制作一个适宜的小正三角形, 使用Shapes面板中的Helix创建一条螺旋线,然后打开Parameters,在Radius1和Radius2上输入相同的数值,此数值与圆柱半径相等或略大于圆柱半径,在Height上输入适宜的高度,在Turns上输入适宜的圈数,在Bias上输入零值,在同一面板上复选CCW(逆时针螺旋)。

按制作流程(选取小正三角形→Geometry→(下拉框)Loft object→Loft→Get path→选取螺旋线)可制作出图2左边螺旋体，显然不符合制作动画的要求，因为此造型沿着螺旋线弯曲和上下自动倾斜。

图2 左右螺旋体

进一步调整图2左边螺旋体,具体做法是:选取Modify面板，打开“Skin parameters”，关掉“ Banking”，即可得图2右边螺旋体(制作动画用的螺旋体的螺距较小)。若用3D studio软件制作此螺旋体，则把“Loft-Banking = ON”改为“Loft-Banking = OFF”即可。将圆柱与螺旋体进行“差”布尔运算(参照拨盘的制作流程2)，即可制作出螺纹。

3. 制作切屑

车螺纹时会流出相应的切屑，所以也要模仿流出切屑的过程，必需制作切屑。使用调整器，将图2左边螺旋体的半径缩小，其它参数作相应改变后，可作为切屑用。

4. 选择材质

构件制作完毕后，即可进行材质选定，为让此动画真实生动，作者将加工过的工件特选金属材质，其它构件也要考虑深、浅颜色搭配，色彩协调。

5. 设置灯光

车削加工动画对灯光的设置要求较高，灯光要跟着车刀移动或沿着进给方向照射的同时，又要保证其它构件明亮度适中，既不能暗淡又不能反光。针对灯光要求，作者首先在廻转轴线上设置一盏聚光灯，其它灯要看具体情况设置与调整。

6. 设计与制作车螺纹动画

根据上述的的车螺纹动画的运动原理可知，此动画是主运动与进给运动的合成，而且是仿真动画，即模仿车螺纹的过程。作者按以下步骤设计与制作：

主运动：前、后顶尖、拨盘、鸡心夹及工件在同一轴线上同时同速度作逆时针旋转运动，而鸡心夹等构件的形状、重心不一，所以把所有构件调到同一轴线上后，如何用层次树结构把所有构件连接在一起很关键。作者是这样处理的：在选取正向运动的前提下，选择工件作为“父物体”，其它构件作为“子物体”，而且所有子物体都是“兄弟”关系。然后选择局部坐标系“Local”，选取工件作逆时针旋转运动，其它构件也就在同一轴线上与工件同时同速度作逆时针旋转运动。

进给运动与相应螺纹、切屑的设计与制作

上面介绍过螺纹的形成，在实际动画制作中，当工件每转一转时，车刀沿着形成螺纹的方向移动一个导程，从而车刀切削出一圈螺纹，而且有相应的切屑流出。根据实际，作者的设计思路是：将车螺纹过程等分为若干过程，每个过程只车一圈螺纹，然后再将若干过程合成，制作出逼真的车螺纹动画。制作步骤如下：

a. 选取Front视图，复制以上做的所有工作，另存为多个文件，为了便于操作,另存文件数要多于螺纹圈数(复制的目的是保证合成动画平稳、逼真)。

b. 对于每个复制品,使用调整器调整螺旋体和切屑的参数,得到适合的螺旋体和切屑。对于第一个复制品，螺旋体调整为一圈后，将圆柱与此螺旋体进行“差”布尔运算，在工件表面形成一圈螺纹。将调整好的切屑放置在车刀刃上，再选取局部坐标系后，将车刀和切屑一起沿着形成螺纹的方向移动一个导程。对于第二个复制品，螺旋体调整为二圈,……以此类推。

动画效果渲染与输出

选取Rendering/Video post,以显示Video post对画框,如图3,选择Add Image Input Event,并单击Files,从Image或maps目录下选取背景文件,作者选择了CONCWHIT.JPG；选择Add Scene Event,在View列表中选取Front；同时选择CONCWHIT.JPG和Front后，单击Add Image Layer Event，在Layer Plug-In列表中选取Alpha compositor(α通道排序)；选择Add Image Output Event，并单击Files，输入一个文件名后选择压缩程序。在此动画中把所有事件的Video post parameters从第0帧设置到第6帧。最后的对列表如图3所示。

图3 对列表

将“车一圈螺纹”动画、“车二圈螺纹”动画、“车三圈螺纹”动画……，用Premiere软件进行合成，合成为一个完整的车螺纹仿真动画。

三、简述车外圆、车台阶、切槽、倒角仿真动画的制作

车外圆、车台阶、切槽、倒角仿真动画的制作方法很类似，也很类似于车螺纹动画的制作，比如：主运动和进给运动是相同的，不同于车螺纹动画的是，都不必用合成的办法，只要充分利用调整器(Modify)。例如车外圆动画，当动画的总帧数设置合适后，打开“Animate”功能，在每隔几帧或每1帧处利用调整器(Modify)调整工件、被切削过的工件、切屑等的参数，使得在切削过程中，未被切削的工件逐渐缩短，被切削过的工件逐渐加长，切屑也相应加长,同时把加工面沿着旋转轴线移到相应位置。用这种办法制作的仿真动画非常逼真。

我们把车外圆、车台阶、切槽、倒角、车螺纹5个仿真动画再合成一个动画，并放在《金属切削的基础知识》CAI软件的首页。致使学生一打开此软件，车削加工主要的加工范围都能显示出来，而且能让学生联系起实习时的情景，创造了一个良好的学习环境，然后老师在此基础上进行深入的讲授，使学生对车削加工的感性认识上升到理性阶段，实现知识意义的建构。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (12/18/2006)


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