基于3DVIA Composer 的制藥外包裝線后端智能化生產三維仿真動畫制作

馬慶恒， 萬永麗， 姜貴中， 王立松， 劉子春， 徐源東

（云南省機械研究設計院， 云南省機電一體化應用技術重點實驗室， 云南 昆明 650031）

0 引言

目前大部分制藥企業外包裝線在前端均已實現產品的自動化分揀、裝箱、中端檢測，在后端的產品紙箱貼標、掃碼、蓋印、打包、搬運、碼垛等環節，確還是純人工作業，這極大地影響了生產效率。 可通過在后端搭建具有自動物流、生產狀態實時監控、智能剔除和自動堆垛功能的智能化生產系統，來進行智能化提升改造，可保證產品質量的一致性，減少現場的重復體力勞動，補齊生產過程的效率短板，從而提升整條生產包裝線的綜合效率。

1 基于SOLIDWORKS 完成制藥外包裝線后端智能化生產設計和靜態干涉檢查

總體方案設計：基于藥企生產現狀，利用車間現有的資源，確定后端的產品輸送布置、設備規劃布局形式及其關鍵尺寸，進行相關的工藝流程設計：翻箱-平推-打碼-貼簽-檢測-異常條碼產品剔除-打包-機器人抓取碼垛-叉車（AGV）運至倉庫。

推進模式：采用自頂向下、逐級細化，機械、電氣協作的方式進行。 具體：首先完成總體方案的二維設計，提交客戶作技術交流， 根據客戶的意見進行修改、 完善和優化，直至客戶認可。 再進行各個零部件、運動機構詳細的選型及其三維建模設計。 三維模型完成后，逐級進行靜態干涉檢查。

2 基于3DVIA Composer 完成制藥外包裝線后端的三維動畫仿真制作

2.1 仿真軟件選用說明

市場上主流的仿真軟件很多， 有些集成在設計軟件內，如：Pro/Mechanical 集成在Pro/E 內，有些為獨立軟件，如：Adams。若采用上述軟件進行仿真，一則前處理中需要對各個運動機構（如：機器人）、動件（如：紙箱）均需設置運動副、驅動等，從而需要進行大量繁瑣的參數獲取及其合理設置，造成技術處理極其困難、效率極其低下，二則摸試后的仿真效果不夠理想。而使用3DVIA Composer，經摸試發現僅需對機器人作類同前處理， 優勢極大且效果理想，故最終選用3DVIA Composer。

2.2 模型導入方法[1]

模型導入方法共有兩種。 方法一： 為在SOLIDWORKS 界面內， 在菜單欄中單擊 【工具】/【3DVIA Composer 】/【Export to 3DVIA Composer ......】， 單擊保存按鈕后會在外部創建*.smg 文件，隨后用3DVIA Composer 直接打開該文件。 方法二：為在3DVIA Composer 界面內，在菜單欄中單擊 【建模】/【導入幾何體】/【瀏覽幾何體......】，選用SOLIDWORKS 文件格式 （*.sldprt、*.sldasm） 直接導入或選用轉換格式（如：*.igs 等）間接導入。 本項目摸試、對比這兩種方法，根據實效選用方法一完成。

2.3 模型前處理[1]

可選的操作很多，如：設置零件的顏色等，必選的操作包括：創建機器人各軸的運動副DOF、設置各級鏈接形式。

（1）機器人及其附件模型前處理[1]。 項目選用ABB公司的IRB4600 六軸垂直串聯機器人。 摸試結果：對機器人及其附件模型創建如圖1 所示的各級鏈接關系，并對第一～五（關節）軸設置“鏈接類型：樞軸”，并合理設定“鏈接軸（在父級中）：”值，方可實現各關節軸符合實際的單軸或聯動動作， 并可確保實現在整個仿真過程中， 工具及其所夾持的紙箱僅做空間平移和或繞第六（關節） 軸做與地面垂直的旋轉運動。 吸盤及其吸附的各側紙箱均以缺省“鏈接類型：自由”方式鏈接且紙箱均消隱。

圖1 在3DVIA Composer 內對機器人及其附件模型進行必要的前處理Fig.1 Necessary preprocessing of robot and its accessory model in 3DVIA Composer

（2）紙箱模型集前處理[1]。 工藝流程設計為兩條生產線后端做并行處理， 以滿足使用全自動托盤庫空間及托盤出入庫空間需要， 這兩條線生產節拍及箱型均有可能不同，故設置為每條線單獨碼垛（同一臺碼垛機器人分別完成兩條生產包裝線碼垛任務、實現雙輸入雙輸出、各五種箱型產品自由碼垛），而這些箱型在后端的工作模式大體相同。 為既仿真生產實際，又節省動畫視頻的制作量，經摸試對比并征得客戶認同，最終選用一側為大箱、另一側為小箱作為代表來制作相應的動畫視頻。 對所需的紙箱模型集處理共有兩種方法。 方法一為在SOLIDWORKS總裝模型內， 預先創建出該紙箱模型集并裝配、 調整到位，導入后直接使用。 方法二為在3DVIA Composer 界面內根據需要現時創建（注：可復制、編輯）并裝配、調整到位。方法一需要設計人員與制作人員協作，或同一技術人員熟練使用這兩種軟件完成。方法二無需上述協作，僅需制作人員會熟練使用3DVIA Composer， 同比更具有獨立性和靈活性，故最終選用方法二完成。

2.4 動畫所呈現內容的確定及相關模型相應的前處理

由于該生產線實際生產的模式和狀態允許在很大范圍內合理變動， 造成動畫可供呈現的內容豐富多彩、千變萬化且過于靈活，從而難于取舍、決擇。 經摸試對比并與客戶充分交流達成共識， 最終確定動畫呈現的內容：初態時，機器人在機械原位，其兩側均有托盤且為準滿垛，兩側生產線上合理分布有紙箱產品集，叉車上堆滿托盤準備進入空托盤庫。 開始后，并行呈現機器人碼垛運動及兩側生產線上的紙箱集相應的符合生產工藝流程的聯動運動、托盤庫系統運動、叉車運動等。 主要內容為機器人交叉碼垛直至大箱先滿垛，叉車運走該垛并等待該側放置空托盤，期間機器人單獨碼放小箱直至小箱滿垛，叉車運走該垛并等待該側放置空托盤。 機器人在兩側空托盤上依次啟動下一碼垛周期，待每側托盤底層各碼2 個紙箱產品，機器人回到機械原位，動畫結束。 典型工作態瞬間分別如圖2～5 所示。 對機器人兩側托盤及其垛品、叉車等均需配作前處理，方法同上。

2.5 動畫制作[2]

選擇動畫模式，在時間軸位置選擇自動關鍵幀，此后手動的任何操作命令，包括模型復制、平移、旋轉、文字標注及尺寸標注等一系列過程都會以自動關鍵幀的形式被記錄下來，這些關鍵幀就是生成動畫的元素，制作效果如圖2～5 所示。

（1）制作技巧及體會[1]。制作前，應根據產品的工作原理、裝配或運動過程合理規劃動作順序。 制作過程中，合理設定關鍵幀（注：包括位置關鍵幀、視圖關鍵幀和Digger 關鍵幀）的數量及其在時間軸上的位置順序、間隔等，靈活選用各種變換工具、切換工具和可視性工具，創建選擇集來快速選取目標角色， 使用過濾器來快速篩選目標幀，掌握常用命令、快捷鍵，合理設置動畫播放速度等。

圖2 制藥外包裝線后端智能化生產在第0 秒末時的工作態仿真效果Fig.2 Working state simulation effect of intelligent production of pharmaceutical packaging line at the end of 0s

圖3 制藥外包裝線后端智能化生產在第8 秒末時的工作態仿真效果Fig.3 Working state simulation effect of intelligent production of pharmaceutical packaging line at the end of 8s

圖4 制藥外包裝線后端智能化生產在第26 秒末時的工作態仿真效果Fig.4 Working state simulation effect of intelligent production of pharmaceutical packaging line at the end of 26s

圖5 制藥外包裝線后端智能化生產在第58 秒末時的工作態仿真效果Fig.5 Working state simulation effect of intelligent production of pharmaceutical packaging line at the end of 58s

（2）制作難點分析及其特殊技術處理。 比較特殊的操作為如何仿真機器人及其附件的空間運動，根據路徑規劃，全程僅用到關節運動（MoveJ）和線性運動（MoveL）。 摸試中發現，采用常規方法操設時，機器人常會呈現隨意的空間自由運動及混亂的空間自由形態，尤其是末端常掀頭。 經反復摸試、對比，最終解決方法：制作全程，均須選中菜單欄中的【變換】/【模式】，依次按軸一～三、五～六順序逐輪次進行單軸旋轉操設，遵循轉角盡量由大到小、調整由粗到細原則，經過一系列繁瑣操作，最終目測達標即可。 對正被碼垛的紙箱處理技巧：拾取瞬間，將正被拾取的紙箱隱藏，同時將機器人所吸附的相同紙箱顯示。 放置瞬間，將機器人所吸附的該紙箱隱藏，同時將放置處的預先裝調到位并隱藏的紙箱顯示。

2.6 動畫后處理[1]

在3DVIA Composer 內，將文件另存為avi 格式，通過設置壓縮比，即可生成對應清晰度的視頻文件。還可通過其他視頻合成軟件，增加聲音、特效處理等，從而獲得帶圖、文、聲等功能的仿真視頻。還可生成高分辨率圖像，配合軟件自帶的材質庫， 圖像效果非常逼真。 應用發布功能，可以將生成的關鍵幀和視圖，打包成網頁文件HTML和交互式pdf 等格式文檔。 發布后的文件，可以通過編程的形式，完成角色定制，實現虛擬環境仿真到3D 互動操作地完整體驗。

3 結束語

利用Solidworks 完成項目總體方案的設計、自頂向下逐級完成零部件的三維設計、 靜態干涉檢查， 最后導入3DVIA Composer 完成三維動畫仿真的制作， 三維動畫能生動而形象地呈現制藥外包裝線后端經過智能化提升改造后的各項工作態流程效果， 大幅提高了與客戶技術交流的質量、效率和認可度，為后續施工改造提供了可靠的技術保障。 并在客戶企業中宣傳、推廣了先進的設計、仿真一體化的理論和技術， 上述將在后續的施工改造中進行驗正和進一步的優化、完善。