三维动画技术在机构运动模型构建中的应用

一、引言

机构运动模型的建立在实际生产与学习中越来越显示出它的重要性。传统的机构设计要历经很多环节，如明确设计任务、方案构思、初步设计、技术设计、样机试制试验以及评价及提供设计方案等。整个过程时间长、效率低，尤其是样机的试制试验，更是一个消耗材料、加工设备、人力和时间等资源的过程。而利用计算机技术建立数字化模型则可以摆脱对物理样机的依赖，在不需要考虑成本与时间的条件下达到与使用物理样机相同的目的。在学校的教学实践中也同样如此，为了对机构的构成及工作原理有一个感性的认识，学生可能会参观一些实际的设备或教学用的模型，但从成本方面考虑，这些东西总不能满足学生的要求。同时，由于实际的机构及零件的外形比较复杂，了解机构的工作原理就存在着一定的难度。而使用数字化模型就不同了，不仅成本低，而且由于在设计过程中只考虑了与运动和动力有关的外形尺寸及主要参数，使运动模型简洁明了，易于理解。

在三维建模、动画制作方面，3ds max是目前世界上应用最广泛的软件，与AutoCAD和 SolidWork相比，唯一的缺点是不容易构建尺寸精确的模型，但由于它可以导入AutoCAD和 SolidWork文件，使这个缺点得以弥补，因而它完全能够用于工程模拟并满足制作高质量机构运动模型的需要。在3ds max中，物体的运动情况可以分为两种：一是物体独立的运动，二是物体牵连或被牵连运动。这里所指的独立运动与机构中构件的独立运动是不同的两个概念，构件的独立运动是指它能沿某个方向移动或绕某个轴转动，而物体独立的运动则是指可以针对物体的移动、转动等设置动画，使它不受其他物体运动影响同时也不影响其他物体的运动。

二、机构运动模型的构建

1.对每个构件设置独立运动动画，从而构建机构运动模型

在3ds max中，使物体独立运动的方法就是在不建立任何层级关系的情况下，打开Auto Key按钮，创建关键桢，在非第0桢改变物体可变参数（如移动、转动），关键桢之间的其他桢 3ds max会用插值的方法自动生成。插值是通过控制器进行的，它最终能够确定物体以时间为横轴的位移曲线。

在设计机构运动模型时，单个物体独立运动主要用于机构中每个构件的位移曲线比较简单的情况，如匀速移动或转动的情况，像各类齿轮机构、蜗轮蜗杆机构等。由于它们都是定比传动，相互啮合的两个构件随时间变化转过的角度很容易确定，因此可以将它们的转动分别设置成动画，并使两个构件在初始状态正确啮合，那么，动画打开后，俨然是一个构件带动另一个构件转动了。

现以圆柱人字齿轮为例，如图1所示。

图1 圆柱人字齿轮

大小两个齿轮没有层级关系，根据传动比分别设计它们的动画，运动曲线如图2、图3所示。