基于SolidWorks Composer 的火车轮毂智能锻造生产线可视化设计研究

常潇源，董学武，赵仁杰，师文涛，牛玺辉

（兰州兰石集团能源装备研究院，甘肃 兰州 730000）

0 引言

轮毂作为火车最重要的结构之一，对火车平稳运行至关重要，其性能、重量和使用寿命都有较高要求。目前国内轮毂生产主要分为铸造法和锻造法，后者有助于提高火车轮毂物理性能，且锻造质量较好，锻后强度是普通铸造的3 倍，市场前景较为广阔。火车轮毂智能锻造生产线以工业机器人为基础，通过运动智能控制系统极大地缩短工序衔接时间，提高生产效率，其智能化需求日益明显。

SolidWorks Composer 是独立新颖的可视化设计仿真平台，有效地将SolidWorks 三维功能与动画仿真功能进行结合，其输出制作的生产线动画对用户了解生产线布局、掌握设备工作节拍和产品推广具有重要意义。本文以火车轮毂智能锻造生产线为例，讲述产线从机械建模到仿真动画设计的交互设计过程，为机械领域相关产线研究提供理论基础。

1 SolidWorks Composer 平台

SolidWorks Composer 是将SolidWorks 强大的三维建模功能和可视化演示功能相结合的一个独立的应用软件，极大地改变了用户交付产品的单一方式，由传统的三维建模爆炸视图功能转变为更为复杂和人性化的可视化设计输出。可以根据3D CAD 数据发布2D 和3D 的文档输出，其中软件的主要数据来源可以是多种3D CAD 系统，具有良好的交互设计功能。高质量的演示视觉设计对于提升机械产品质量和推广生产线工艺具有积极作用，配合少量的文字和智能化的视图便可以直观的表达复杂的产品，可以更好地丰富机械领域三维建模的可视化体验，直观地表达产品结构和演示产品功能。

2 智能锻造生产线三维模型建立

2.1 模型建立

火车轮毂智能锻造生产线三维模型建立主要依托SolidWorks 三维建模软件，该软件采用智能化的参数变量式设计理念，将零件的尺寸的设计采用参数化进行描述修改[1]，生产线主要模型包括环形加热炉、工业机械手、液压站、预成形压机、成形压机、冲孔压机、下料台、操作室等设备。

2.2 工业机械手三维建模

工业机械手可满足棒料、盘件等大型模锻件的热态转运需求，机械结构主要包括底座、机架、大臂、折臂等组成，采用折臂式结构，具有小体积、大负载、运行稳定和高精度等特点，与快锻造机通过智能控制系统可以完成棒料夹取、模锻、转运、设备复位等动作。机械手建模主要包括对于换料夹钳、连杆、底座、销轴、油缸等部分，通过SolidWorks 的草图绘制完成二维设计，后结合软件拉伸旋转凸台/基体特征、扫描、放样特征和筋孔特征等，完成实体建模工作[2]，后通过添加三维零部件、添加约束等步骤，实现机械手整体装配，如图1 所示。

图1 工业机械手三维模型示意图

2.3 压机三维建模

模锻造机在生产线中分为预成形压机和成形压机两种，机械结构大致相同，主要是压机上下横砧结构不同，压机可以实现火车轮毂铸件的中心定位和模锻锻造，通过预成形和最终成形两个工序完成火车轮毂外形的最终锻造，通过多频次锻造最终使零件达到设计要求，主要配合工业机械手完成相应的工序，根据机械手的工作节拍完成锻造，机械三维建模也由草图外形轮廓设计、三维机构建模和装配设计等步骤进行，如图2 所示。

图2 快速模锻造机三维模型示意图

2.4 其他模型建立

生产线其他模型如热处理加热炉、下料台、控制操作室、厂房立柱、液压站等基本为静置设备，运动较为简单，主要可以通过二维草图绘制编辑、拉伸旋转切除、实体特征编辑修改、整体装配约束等步骤进行，生产线所有模型建立完毕后，根据生产线实际工况和厂房位置进行布置，通过整体装配完成生产线初期设计。

3 生产线可视化仿真设计

3.1 模型前期处理

三维机械模型建立完成后，需要对模型进行进一步处理优化，由于3D 模型导入到SolidWorks Composer 以单个实体的形式进行，在装配整体中添加的几何约束不能被识别，比如原有的同轴、重合等特性不能被识别，这就造成在进行可视化设计时，运动部件中包含的零部件较多而导致选取工作量巨大，需要对活动部件以零件形式进行重新装配，如工业机械手需要根据实际产线工况进行运动分析，确定活动部件和联动部件，并将底座、活动连杆、油缸、夹钳依次连接并摆放至所需工序位置，如需要可将装配部件重命名，再重新导入到Composer中，模型前期处理结束就可以完成可视化动画的动画视口、时间关键帧和位置关键帧等的设置，通过子父级逐层嵌套设计，实现活动部件的动作协同与联动[3]。

3.2 生产线工艺流程

火车轮毂智能锻造生产线主要依托上下料机械手、转运机械手、预成形压机、成形压机、热处理炉等设备，按实际生产工序完成热处理棒料预压成形、模锻成形和转运零件等相关工序动作衔接，工业机械手和快速锻造压机在各自动作结束后自动复位，等待下一个棒料成形工序。

产线工艺流程包括上料机械手将棒料送至环形加热炉—环形加热炉加热棒料—环形加热炉出料—转运机械手1 钳杆上升、对中找平—转运机械手1夹取棒料、后钳架缩回—转运机械手1 车体回转至预成形压机—转运机械手1 放料、缩回复位—预成形压机对中、预成形墩粗棒料—转运机械手2 夹取棒料，转运至成形压机—转运机械手2 放置棒料，后复位—成形压机对中，压制火车轮毂外形—下料机械手夹取锻后成品并放至下料台—下料机械手复位这些工序，该流程对于可视化设计至关重要，是演示推广的核心，依据工艺流程可以对产线动作部件、运动动作、工作节拍、设备活动范围进行罗列梳理，可以依据工艺流程完成机械结构交互设计，提高仿真效果和质量，对于三维机械结构如何在Composer 中进行子父级连接、枢轴属性设置进行梳理，使动画过程简单明了[4]，如图3 所示。

图3 火车轮毂锻造产线工艺流程图

3.3 演示动画制作

演示动画制作之前根据工艺流程图进行机械结构优化，在SolidWorks Composer 中将活动部件的属性进行设置，比如将连杆等活动部件，根据实际工况的旋转情况，在属性设置中将其运动机构链接窗口中，将其链接类型改为枢轴，并点击设置枢轴功能，将其枢轴设置在相对固定旋转的中心，其他运动部件依次进行操作即可，后用软件中运动机构的链接功能，选择子集到父级选项，对于运动部件链接[5]。动画在输入软件之后需对需要隐藏的部件、设备颜色和模型正确性进行核对，此外，生产线可视化设计要考虑视口因素，将生产线视角放置在合适的位置，可以通过“作者—工具—网格—在几何图形上创建网格”和“动画—路径—创建相机关键帧”等设计合适的视角，提高动画交互舒适感[6]。

3.3.1 生产线标签设置

标签是软件中指向几何角色的带有文本框的装配标注，标签设置可以将生产线各个设备名称进行直观的反映，少量的文字更有助于提高宣传推广效果[7]，将火车轮毂智能锻造生产线三维模型导入后，将热处理炉、转运机械手、压机等设备通过属性窗口设置视口关键帧，后通过“作者—标注—标签”步骤进行设置，对各个设备进行逐个添加，可以设置标签颜色、文字内容、字体大小和透明度等属性，后可以通过在时间轴上复制移动标签关键帧达到控制标签出现时长的设定，如此可实现标签明暗显示和持续时间长短的设置，如图4 所示。

图4 动画标签设置界面示意图

3.3.2 简单运动设备设计

上文对于工业机械手这种复杂的运动关系进行设计，产线中如热处理反应炉、火车轮毂铸件、预成形压机、成形压机这些设备的动作较为单一，一般为直线运动和旋转运动，如热处理炉门开闭、轮毂加工件运动、压机启停等简单运动，可以通过“变换—平移/自由拖动”、“变换—旋转”或“对齐枢轴”等操作实现设备直线运动和旋转运动，其中，对于火车轮毂铸件来说，其运动形式是变化的，即铸件根据不同转运工具所进行的运动的不同，需要多个运动的连续转换，该运动需要在单个工序运动中进行属性设置，设置锻件属性和枢轴的变换，如锻件在上料机械手和转运机械手的交接运动中，前工序完成后需要在时间轴上记录属性关键帧和位置关键帧，并隔0.1s处记录新的枢轴变化，从而完成动作衔接[8]。

3.3.3 工业机械手部件枢轴关联及联动设置

生产线中转运机械手的运动动作主要包括机架180°旋转、连杆升降、连杆伸缩、夹头开闭和运动部件从动等动作，需要单臂回转和设备旋转联动实现，运动属性复杂，实现难度较大，需要从底座开始进行子父级链接，将属性改为绕固定轴旋转来实现，并逐个进行运动枢轴设置，通过逐级嵌套实现工业机械手联动动作。各个运动部件通过“变换—运动机构—链接—从子级到父级”的步骤进行，设计要根据产线工艺设定子父级链接，并在设计树中查看链接形式进行检查，链接设置完成后，在连杆中设置运动机构链接形式，并在时间轴上固定相应关键帧进行记录，可以通过简单运动方式检验链接形式是否合理可行，如图5 所示。

图5 机械手枢轴联动设置界面示意图

3.3.4 设备周期循环动作设置

对于火车轮毂加工件的生产，设备在完成单个动作中需要进行自动复位，如快锻造机每次锻造之后需要将上砧复位，以待下次冲压；机械手完成单次转运后需要自动旋转复位，连杆需要升降收缩复位，这些循环往复的动作符合火车轮毂智能锻造生产线的工艺要求，这就需要在软件时间轴上对周期循环动作进行设置，首先需要完成对于设备初始状态的属性设置，包括颜色、运动连接类型、透明度、枢轴状态进行设置，并在时间轴窗口中记录属性、位置关键帧，后通过旋转、平移等操作完成设备工艺动作并在时间轴上记录，后框选单个动作的属性帧，通过单击鼠标右键，选择对称选项，从而实现设备的自动复位，操作简洁高效。也可以通过全部框选时间轴上关键帧，按住Ctrl 键在时间轴上拖动复制功能，实现动作的一致性和完成性，如图6 所示。

图6 动作周期循环设置界面示意图

3.3.5 生产线联动动画导出

将火车轮毂智能锻造生产线动画中设备属性、动作设计、生产周期模拟等进行完毕后，可以进行动画输出，首先在状态工具栏清除“显示/隐藏纸张”选项，选择“工作间—发布—视频”用户可以更改分辨率、时间范围或应用抗锯齿效果，通过“文件—另存为—AVI”步骤进行导出，可以实现视频压缩与画质调整，在视频压缩对话框中，选择一种压缩格式或“全帧/非压缩格式”，从而完成火车轮毂智能锻造生产线可视化演示[9]。

还可通过其他视频合成软件的形式，进行添加声音、特效处理等操作，使得火车轮毂智能锻造生产线动画可视化演示更具备立体效果，从而获得带图像、文字、声音等功能的仿真视频，其次还可生成高分辨率图像，配合软件自带的材质库，图像效果非常逼真，发布后的文件，可以通过编程的形式，完成角色定制，实现虚拟环境仿真到3D 互动操作地完整体验。

4 结束语

通过采用SolidWorks 三维建模进行火车轮毂智能锻造生产线所需机械结构设计，以及SolidWorks Composer 软件对该生产线可视化仿真，实现了轮毂锻造生产线的动画演示，生动形象地呈现了智能化生产过程，并配合相关视频软件完成优化设计，实现机械三维建模和动画交互设计结合。本文进行的SolidWorks Composer 的火车轮毂智能锻造生产线可视化设计研究有助于生动呈现传统轮毂锻造生产线自动化提升改造后的效果，更加直观地向用户表达生产线工艺流程和工序节拍，使得传统机械结构设计赋予更加立体的展示，创造性地完成核心设备，即工业机械手的动作耦合联动设计，实现链接部件的动作主运动和从运动的有效结合，对于火车轮毂智能锻造生产线产品推广具有积极的意义，本文研究方法也适用于其他机械产线设备的智能化升级和可视化推广应用，尤其对于多运动协同动作设计提供指导，对产线升级完善提供新思路、新方法[8]。