電動曲線鋸的動畫仿真

范紅征

（ 蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘇州 215021 ）

電動曲線鋸的動畫仿真

范紅征

（ 蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘇州 215021 ）

基于IPA（Interactive Product Animator）動畫軟件進行的電動曲線鋸動畫仿真。模擬曲線鋸以直線或曲線方式切割木材、金屬、塑料等板材的工作原理、鋸削過程以及裝配順序，意在將動畫設(shè)計拓展運用在企業(yè)產(chǎn)品維修、產(chǎn)品培訓(xùn)和產(chǎn)品廣告中。

電動曲線鋸 動畫仿真 IPA 品牌宣傳

0 引言

IPA（Interactive Product Animator）是美國Immersive Design公司發(fā)布的專業(yè)制作產(chǎn)品動畫的軟件，本文通過IPA動畫軟件進行電動曲線鋸的動畫仿真。曲線鋸的建模結(jié)果在軟件中編輯修改產(chǎn)品的坐標(biāo)、顏色、外觀、光照、紋理、注釋、自由度約束等屬性，創(chuàng)建零件動畫路徑。增加零件之間的運動關(guān)聯(lián)，制作機構(gòu)動畫。調(diào)節(jié)動畫場景中的燈光和背景，突出動畫產(chǎn)品，用以展示。

1 概述

曲線鋸是一種常見的電動工具，可以用來對木材、金屬、塑料、橡膠等板料進行直線或曲線切割。

組成曲線鋸的零部件主要有：電機、減速齒輪、偏心滾套、平衡板、往復(fù)桿及鋸條，如圖1所示。曲線鋸工作時，電機的旋轉(zhuǎn)運動通過減速齒輪減速，大齒輪上的偏心滾套帶動往復(fù)桿及鋸條作往復(fù)直線運動。根據(jù)鋸齒形狀，向上運動切割材料，向下運動排出鋸屑。

圖1 曲線鋸內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

在曲線鋸的結(jié)構(gòu)中，鋸條是作業(yè)刀具，材料一般為高速鋼。鋸條的規(guī)格較多，外形基本特點為短而窄，在機構(gòu)中滑塊的驅(qū)動下作往復(fù)直線運動。圖1中的拎攀式曲線鋸在板材中移動，鋸落木材、塑料或金屬片材。依據(jù)產(chǎn)品的工作狀況，編寫動畫腳本展示產(chǎn)品工作原理、鋸削過程及產(chǎn)品標(biāo)識。

1.1腳本內(nèi)容

從機械結(jié)構(gòu)的角度來看，電機是動力來源，將電能轉(zhuǎn)換為機械能驅(qū)動電機軸旋轉(zhuǎn)。圖1中的曲線鋸傳動部分包括減速齒輪、從動軸、偏心滾套、跟隨架等。電機軸齒輪與減速齒輪嚙合，通過從動軸將運動傳遞至偏心滾套，偏心滾套帶動跟隨架及往復(fù)桿做往復(fù)直線運動，往復(fù)桿帶動鋸條實現(xiàn)各項切割作業(yè)。

曲線鋸的切割方式一般為板材外部開放式切入或板材內(nèi)部的封閉式切割，前進方向和速度由操作者手工控制，鋸削后的廢料分離落下。

在動畫腳本中設(shè)計木材、塑料和金屬三種片材，按開放式和封閉式這兩種切割方式沿曲線、直線和斜線三個方向完成鋸削展示。在展示產(chǎn)品的工作原理和產(chǎn)品性能后，設(shè)計考慮在動畫腳本中增加該產(chǎn)品銘牌的高亮顯示。

1.2實現(xiàn)方式

曲線鋸工作原理表現(xiàn)在曲柄滑塊機構(gòu)，動畫重點表現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復(fù)運動的過程。該機構(gòu)繞自身軸線做回轉(zhuǎn)運動的零件有電機軸、減速齒輪及其轉(zhuǎn)軸、偏心輪等。IPA軟件實現(xiàn)的方式是在直角坐標(biāo)系中選擇軸線所在的坐標(biāo)軸，使得零件繞坐標(biāo)軸線連續(xù)回轉(zhuǎn)多圈。

機構(gòu)的運動轉(zhuǎn)換是在IPA軟件中建立對象間的運動聯(lián)接以及父子關(guān)系，然后制作曲柄件的回轉(zhuǎn)運動。鋸削過程是表現(xiàn)出不同材質(zhì)、不同方向和不同方式的鋸削。

圖2 鋸削的板材

圖2所示為鋸削板材。其中，金屬片材（a）最薄，塑料（b）其次，木材（c）最厚。金屬片材被內(nèi)部封閉式切割成圓形，木材被直線切割，塑料被斜線切割。鋸削中，動畫表現(xiàn)出曲線鋸沿曲線、直線、斜線前進，IPA中的實現(xiàn)方式是把曲線鋸作為一個大的組對象，制作其參數(shù)化的運動路徑。鋸削后，板材分離。

IPA的運動路徑制作過程并不復(fù)雜，選擇廢料向屏幕下方運動即可。在圖2中看到板材是完整的，沒有分離。這是因為板材的建模先在三維CAD軟件中裝配好，當(dāng)曲線鋸經(jīng)過板材，廢料與母體分離落下。如圖3所示。

圖3 運動路徑及銘牌標(biāo)識

在CAD軟件中繪制曲線鋸產(chǎn)品外殼上的銘牌標(biāo)識，IPA軟件可以選擇實體中的面制作它的屬性動畫。圖3中選擇產(chǎn)品文字的草圖繪制面，創(chuàng)建它的屬性明暗變化路徑，制作高亮突出銘牌標(biāo)識動畫。

2 制作過程

2.1工作原理動畫制作

曲線鋸產(chǎn)品中包含了曲柄滑塊機構(gòu)，IPA軟件使用聯(lián)接向?qū)罱C構(gòu)間的運動聯(lián)接。在聯(lián)接向?qū)У倪x項線性回轉(zhuǎn)活塞（Linear-Rotational Piston）及隨后的對話框中選擇滾針（Needle Roller）和線性運動方向Y軸，最后的對話框中先選擇往復(fù)桿組對象（Plunger Assembly），再按住ctrl鍵鼠標(biāo)點選偏心滾套對象cam，建立曲柄滑塊機構(gòu)。

往復(fù)桿組對象增加slide_on_green的約束，偏心滾套對象增加pointing的約束。為實現(xiàn)偏心滾套對象繞從動齒輪和從動軸的Z軸線轉(zhuǎn)動，拖動偏心滾套到從動齒輪組，轉(zhuǎn)動從動齒輪組繞Z軸轉(zhuǎn)動，沖桿和鋸條沿Y軸實現(xiàn)直線運動，如圖4所示。圖中，單相串勵電機通電旋轉(zhuǎn)，通過減速齒輪和偏心輪，帶動往復(fù)桿組（鋸條）往復(fù)運動。因此，制作電機旋轉(zhuǎn)軸和減速齒輪的轉(zhuǎn)向相反，轉(zhuǎn)速反比的動畫路徑。圖中這兩個對象從開始幀處拷貝路徑GearDrive-3，路徑間隔點0.4幀表示軸的轉(zhuǎn)速加快，使得鋸條的往復(fù)直線運動變快，動畫效果表現(xiàn)出產(chǎn)品鋸削速度比產(chǎn)品在板材中前進速度快。

圖4 曲線鋸工作原理動畫演示

2.2鋸削過程動畫制作

曲線鋸和三種板材在建模軟件中繪制裝配，在IPA軟件中選擇鋸條對象。首先，創(chuàng)建曲線鋸組對象，然后將組對象拖曳至對象管理樹中的根目錄作為整個曲線鋸產(chǎn)品的父對象。選擇曲線鋸產(chǎn)品的父對象，從對象——插入——組件，分別選擇木材、塑料和金屬片材的裝配體。三個裝配體引入后具有和曲線鋸對象相同的坐標(biāo)位置。金屬片材的位置保持不動，選擇木材對象和塑料對象，修改X、Y、Z軸平動數(shù)值和轉(zhuǎn)動角度。輸入的參數(shù)值是曲線鋸對象制作運動路徑的輸入值。

曲線鋸的鋸削過程從金屬薄板中心孔開始。選擇曲線鋸對象組，創(chuàng)建沿Z軸正向移動40 mm的路徑，然后將曲線鋸繞Y軸轉(zhuǎn)過30°的路徑。金屬片材上需切割出半徑為50 mm圓孔，圓心在金屬片材裝配體的中心，所以選擇金屬片材的裝配體對象，插入一個組global group，把它拖動成為曲線鋸組對象的父對象。制作這個組對象繞Y軸旋轉(zhuǎn)一圈的動畫，如圖5所示。曲線封閉切割完成后，選擇中心圓片，創(chuàng)建對象沿Y軸自由落下的運動路徑，先增加第一個路徑點，再拖動圓片對象到屏幕下方，增加第二個路徑點，生成運動路徑。圖6中，圓片自由落下，文字說明板材厚度。最后，從快速路徑（Quick Path）中制作兩個金屬片材淡出的路徑。在鋸削木材時，曲線鋸的運動路徑首先繞Y軸至0°運動路徑，接著是對象沿Z軸正向移動的路徑。木材鋸開后，隨X軸向兩端分開后自由落下。鋸削塑料時，制作曲線鋸繞Y軸轉(zhuǎn)動45°，再制作對象在Z軸上切割塑料的路徑。同樣，塑料的兩個零件鋸開后，零件落下并淡出。

圖5 鋸削過程動畫演示

圖6 金屬片落下動畫

2.3產(chǎn)品標(biāo)識動畫制作

IPA軟件切換選擇對象的方式到曲面，鼠標(biāo)在交互展示區(qū)或?qū)ο蠊芾順渲羞x擇標(biāo)識所在的面Face0，編輯面對象的顏色為藍色，如圖7所示的對象管理樹區(qū)域的Face0。

圖7中，F(xiàn)ace0-1是創(chuàng)建路徑幀數(shù)為1幀的路徑，在路徑點的對象屬性外觀標(biāo)簽頁中，修改發(fā)光性（Emissivity）數(shù)值為50。圖7中標(biāo)識面為亮藍色，文字為紅色。10個Face0-1的路徑是在創(chuàng)建Face0面的路徑，在下一幀反向復(fù)制這個路徑，F(xiàn)ace0面明暗變化。重復(fù)復(fù)制路徑和反向路徑操作5次，產(chǎn)生10幀范圍內(nèi)對象明暗連續(xù)變化的動畫。

3 結(jié)語

圖7 產(chǎn)品標(biāo)識的動畫演示

拎攀式電動曲線鋸產(chǎn)品動畫是直觀展示產(chǎn)品信息的方式，可以表現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)在結(jié)構(gòu)、虛擬仿真工具的工作原理和運行狀況，動畫后續(xù)可以擴展到產(chǎn)品維修、產(chǎn)品培訓(xùn)和產(chǎn)品廣告中。也可以在動畫中加入人物講解，圖文并茂的表達產(chǎn)品信息，將創(chuàng)作的動畫錄制為avi文件在單機上播放或發(fā)布到網(wǎng)上給用戶瀏覽。

[1]張品達.電動曲線鋸的結(jié)構(gòu)與使用[J].電動工具，2002.04.

[2]范紅征.機械產(chǎn)品動畫[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

The Animation Simulation of Electric Jig Saw

Fan Hongzheng
(Suzhou Industrial Park Institute of Vocational Technology，Suzhou 215021，China)

The animation of the jig saw model is created in IPA software. Simulate the working principles, the sawing process and assembly sequence when the jug saw cuts the plates as woods, metals, plastic and so on in a straight line or a curve way. Use the animation design development in the enterprise product maintenance, product training and product advertising.

Jig saw Product animation Brand advisement

TM391.9

A

1674-2796（2014）05-0011-04

2014-07-16

范紅征(1970—)，男，碩士，主要從事產(chǎn)品動畫及設(shè)計工作。