基于SolidWorks Composer 的火車輪轂智能鍛造生產線可視化設計研究

常瀟源，董學武，趙仁杰，師文濤，牛璽輝

（蘭州蘭石集團能源裝備研究院，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

輪轂作為火車最重要的結構之一，對火車平穩運行至關重要，其性能、重量和使用壽命都有較高要求。目前國內輪轂生產主要分為鑄造法和鍛造法，后者有助于提高火車輪轂物理性能，且鍛造質量較好，鍛后強度是普通鑄造的3 倍，市場前景較為廣闊。火車輪轂智能鍛造生產線以工業機器人為基礎，通過運動智能控制系統極大地縮短工序銜接時間，提高生產效率，其智能化需求日益明顯。

SolidWorks Composer 是獨立新穎的可視化設計仿真平臺，有效地將SolidWorks 三維功能與動畫仿真功能進行結合，其輸出制作的生產線動畫對用戶了解生產線布局、掌握設備工作節拍和產品推廣具有重要意義。本文以火車輪轂智能鍛造生產線為例，講述產線從機械建模到仿真動畫設計的交互設計過程，為機械領域相關產線研究提供理論基礎。

1 SolidWorks Composer 平臺

SolidWorks Composer 是將SolidWorks 強大的三維建模功能和可視化演示功能相結合的一個獨立的應用軟件，極大地改變了用戶交付產品的單一方式，由傳統的三維建模爆炸視圖功能轉變為更為復雜和人性化的可視化設計輸出。可以根據3D CAD 數據發布2D 和3D 的文檔輸出，其中軟件的主要數據來源可以是多種3D CAD 系統，具有良好的交互設計功能。高質量的演示視覺設計對于提升機械產品質量和推廣生產線工藝具有積極作用，配合少量的文字和智能化的視圖便可以直觀的表達復雜的產品，可以更好地豐富機械領域三維建模的可視化體驗，直觀地表達產品結構和演示產品功能。

2 智能鍛造生產線三維模型建立

2.1 模型建立

火車輪轂智能鍛造生產線三維模型建立主要依托SolidWorks 三維建模軟件，該軟件采用智能化的參數變量式設計理念，將零件的尺寸的設計采用參數化進行描述修改[1]，生產線主要模型包括環形加熱爐、工業機械手、液壓站、預成形壓機、成形壓機、沖孔壓機、下料臺、操作室等設備。

2.2 工業機械手三維建模

工業機械手可滿足棒料、盤件等大型模鍛件的熱態轉運需求，機械結構主要包括底座、機架、大臂、折臂等組成，采用折臂式結構，具有小體積、大負載、運行穩定和高精度等特點，與快鍛造機通過智能控制系統可以完成棒料夾取、模鍛、轉運、設備復位等動作。機械手建模主要包括對于換料夾鉗、連桿、底座、銷軸、油缸等部分，通過SolidWorks 的草圖繪制完成二維設計，后結合軟件拉伸旋轉凸臺/基體特征、掃描、放樣特征和筋孔特征等，完成實體建模工作[2]，后通過添加三維零部件、添加約束等步驟，實現機械手整體裝配，如圖1 所示。

圖1 工業機械手三維模型示意圖

2.3 壓機三維建模

模鍛造機在生產線中分為預成形壓機和成形壓機兩種，機械結構大致相同，主要是壓機上下橫砧結構不同，壓機可以實現火車輪轂鑄件的中心定位和模鍛鍛造，通過預成形和最終成形兩個工序完成火車輪轂外形的最終鍛造，通過多頻次鍛造最終使零件達到設計要求，主要配合工業機械手完成相應的工序，根據機械手的工作節拍完成鍛造，機械三維建模也由草圖外形輪廓設計、三維機構建模和裝配設計等步驟進行，如圖2 所示。

圖2 快速模鍛造機三維模型示意圖

2.4 其他模型建立

生產線其他模型如熱處理加熱爐、下料臺、控制操作室、廠房立柱、液壓站等基本為靜置設備，運動較為簡單，主要可以通過二維草圖繪制編輯、拉伸旋轉切除、實體特征編輯修改、整體裝配約束等步驟進行，生產線所有模型建立完畢后，根據生產線實際工況和廠房位置進行布置，通過整體裝配完成生產線初期設計。

3 生產線可視化仿真設計

3.1 模型前期處理

三維機械模型建立完成后，需要對模型進行進一步處理優化，由于3D 模型導入到SolidWorks Composer 以單個實體的形式進行，在裝配整體中添加的幾何約束不能被識別，比如原有的同軸、重合等特性不能被識別，這就造成在進行可視化設計時，運動部件中包含的零部件較多而導致選取工作量巨大，需要對活動部件以零件形式進行重新裝配，如工業機械手需要根據實際產線工況進行運動分析，確定活動部件和聯動部件，并將底座、活動連桿、油缸、夾鉗依次連接并擺放至所需工序位置，如需要可將裝配部件重命名，再重新導入到Composer中，模型前期處理結束就可以完成可視化動畫的動畫視口、時間關鍵幀和位置關鍵幀等的設置，通過子父級逐層嵌套設計，實現活動部件的動作協同與聯動[3]。

3.2 生產線工藝流程

火車輪轂智能鍛造生產線主要依托上下料機械手、轉運機械手、預成形壓機、成形壓機、熱處理爐等設備，按實際生產工序完成熱處理棒料預壓成形、模鍛成形和轉運零件等相關工序動作銜接，工業機械手和快速鍛造壓機在各自動作結束后自動復位，等待下一個棒料成形工序。

產線工藝流程包括上料機械手將棒料送至環形加熱爐—環形加熱爐加熱棒料—環形加熱爐出料—轉運機械手1 鉗桿上升、對中找平—轉運機械手1夾取棒料、后鉗架縮回—轉運機械手1 車體回轉至預成形壓機—轉運機械手1 放料、縮回復位—預成形壓機對中、預成形墩粗棒料—轉運機械手2 夾取棒料，轉運至成形壓機—轉運機械手2 放置棒料，后復位—成形壓機對中，壓制火車輪轂外形—下料機械手夾取鍛后成品并放至下料臺—下料機械手復位這些工序，該流程對于可視化設計至關重要，是演示推廣的核心，依據工藝流程可以對產線動作部件、運動動作、工作節拍、設備活動范圍進行羅列梳理，可以依據工藝流程完成機械結構交互設計，提高仿真效果和質量，對于三維機械結構如何在Composer 中進行子父級連接、樞軸屬性設置進行梳理，使動畫過程簡單明了[4]，如圖3 所示。

圖3 火車輪轂鍛造產線工藝流程圖

3.3 演示動畫制作

演示動畫制作之前根據工藝流程圖進行機械結構優化，在SolidWorks Composer 中將活動部件的屬性進行設置，比如將連桿等活動部件，根據實際工況的旋轉情況，在屬性設置中將其運動機構鏈接窗口中，將其鏈接類型改為樞軸，并點擊設置樞軸功能，將其樞軸設置在相對固定旋轉的中心，其他運動部件依次進行操作即可，后用軟件中運動機構的鏈接功能，選擇子集到父級選項，對于運動部件鏈接[5]。動畫在輸入軟件之后需對需要隱藏的部件、設備顏色和模型正確性進行核對，此外，生產線可視化設計要考慮視口因素，將生產線視角放置在合適的位置，可以通過“作者—工具—網格—在幾何圖形上創建網格”和“動畫—路徑—創建相機關鍵幀”等設計合適的視角，提高動畫交互舒適感[6]。

3.3.1 生產線標簽設置

標簽是軟件中指向幾何角色的帶有文本框的裝配標注，標簽設置可以將生產線各個設備名稱進行直觀的反映，少量的文字更有助于提高宣傳推廣效果[7]，將火車輪轂智能鍛造生產線三維模型導入后，將熱處理爐、轉運機械手、壓機等設備通過屬性窗口設置視口關鍵幀，后通過“作者—標注—標簽”步驟進行設置，對各個設備進行逐個添加，可以設置標簽顏色、文字內容、字體大小和透明度等屬性，后可以通過在時間軸上復制移動標簽關鍵幀達到控制標簽出現時長的設定，如此可實現標簽明暗顯示和持續時間長短的設置，如圖4 所示。

圖4 動畫標簽設置界面示意圖

3.3.2 簡單運動設備設計

上文對于工業機械手這種復雜的運動關系進行設計，產線中如熱處理反應爐、火車輪轂鑄件、預成形壓機、成形壓機這些設備的動作較為單一，一般為直線運動和旋轉運動，如熱處理爐門開閉、輪轂加工件運動、壓機啟停等簡單運動，可以通過“變換—平移/自由拖動”、“變換—旋轉”或“對齊樞軸”等操作實現設備直線運動和旋轉運動，其中，對于火車輪轂鑄件來說，其運動形式是變化的，即鑄件根據不同轉運工具所進行的運動的不同，需要多個運動的連續轉換，該運動需要在單個工序運動中進行屬性設置，設置鍛件屬性和樞軸的變換，如鍛件在上料機械手和轉運機械手的交接運動中，前工序完成后需要在時間軸上記錄屬性關鍵幀和位置關鍵幀，并隔0.1s處記錄新的樞軸變化，從而完成動作銜接[8]。

3.3.3 工業機械手部件樞軸關聯及聯動設置

生產線中轉運機械手的運動動作主要包括機架180°旋轉、連桿升降、連桿伸縮、夾頭開閉和運動部件從動等動作，需要單臂回轉和設備旋轉聯動實現，運動屬性復雜，實現難度較大，需要從底座開始進行子父級鏈接，將屬性改為繞固定軸旋轉來實現，并逐個進行運動樞軸設置，通過逐級嵌套實現工業機械手聯動動作。各個運動部件通過“變換—運動機構—鏈接—從子級到父級”的步驟進行，設計要根據產線工藝設定子父級鏈接，并在設計樹中查看鏈接形式進行檢查，鏈接設置完成后，在連桿中設置運動機構鏈接形式，并在時間軸上固定相應關鍵幀進行記錄，可以通過簡單運動方式檢驗鏈接形式是否合理可行，如圖5 所示。

圖5 機械手樞軸聯動設置界面示意圖

3.3.4 設備周期循環動作設置

對于火車輪轂加工件的生產，設備在完成單個動作中需要進行自動復位，如快鍛造機每次鍛造之后需要將上砧復位，以待下次沖壓；機械手完成單次轉運后需要自動旋轉復位，連桿需要升降收縮復位，這些循環往復的動作符合火車輪轂智能鍛造生產線的工藝要求，這就需要在軟件時間軸上對周期循環動作進行設置，首先需要完成對于設備初始狀態的屬性設置，包括顏色、運動連接類型、透明度、樞軸狀態進行設置，并在時間軸窗口中記錄屬性、位置關鍵幀，后通過旋轉、平移等操作完成設備工藝動作并在時間軸上記錄，后框選單個動作的屬性幀，通過單擊鼠標右鍵，選擇對稱選項，從而實現設備的自動復位，操作簡潔高效。也可以通過全部框選時間軸上關鍵幀，按住Ctrl 鍵在時間軸上拖動復制功能，實現動作的一致性和完成性，如圖6 所示。

圖6 動作周期循環設置界面示意圖

3.3.5 生產線聯動動畫導出

將火車輪轂智能鍛造生產線動畫中設備屬性、動作設計、生產周期模擬等進行完畢后，可以進行動畫輸出，首先在狀態工具欄清除“顯示/隱藏紙張”選項，選擇“工作間—發布—視頻”用戶可以更改分辨率、時間范圍或應用抗鋸齒效果，通過“文件—另存為—AVI”步驟進行導出，可以實現視頻壓縮與畫質調整，在視頻壓縮對話框中，選擇一種壓縮格式或“全幀/非壓縮格式”，從而完成火車輪轂智能鍛造生產線可視化演示[9]。

還可通過其他視頻合成軟件的形式，進行添加聲音、特效處理等操作，使得火車輪轂智能鍛造生產線動畫可視化演示更具備立體效果，從而獲得帶圖像、文字、聲音等功能的仿真視頻，其次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，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。

4 結束語

通過采用SolidWorks 三維建模進行火車輪轂智能鍛造生產線所需機械結構設計，以及SolidWorks Composer 軟件對該生產線可視化仿真，實現了輪轂鍛造生產線的動畫演示，生動形象地呈現了智能化生產過程，并配合相關視頻軟件完成優化設計，實現機械三維建模和動畫交互設計結合。本文進行的SolidWorks Composer 的火車輪轂智能鍛造生產線可視化設計研究有助于生動呈現傳統輪轂鍛造生產線自動化提升改造后的效果，更加直觀地向用戶表達生產線工藝流程和工序節拍，使得傳統機械結構設計賦予更加立體的展示，創造性地完成核心設備，即工業機械手的動作耦合聯動設計，實現鏈接部件的動作主運動和從運動的有效結合，對于火車輪轂智能鍛造生產線產品推廣具有積極的意義，本文研究方法也適用于其他機械產線設備的智能化升級和可視化推廣應用，尤其對于多運動協同動作設計提供指導，對產線升級完善提供新思路、新方法[8]。