《金屬切削的基礎(chǔ)知識》CAI軟件主要闡述切削加工的基礎(chǔ)知識，而切削加工中用得最多的是車床，也就是車削加工。為此我們研制了車外圓、車臺階、切槽、倒角、特別是車螺紋等車削加工仿真動畫。如圖1(已完成了車外圓、車臺階、切槽、倒角，正在車螺紋的一幅畫面)。
下面以車螺紋仿真動畫的制作為重點，闡述車螺紋動畫的運動原理、制作方法和技巧，簡述車外圓、車臺階等仿真動畫的制作。
圖1已完成了車外圓、車臺階、切槽、倒角，正在車螺紋的仿真動畫
一、車螺紋動畫的運動原理
車床切削加工通常有兩種運動：1、主運動：是利用卡盤或前后頂尖、撥盤及雞心夾裝夾工件并作旋轉(zhuǎn)運動。它是由電動機通過變速機構(gòu)把運動及動力傳遞到主軸并經(jīng)卡盤或撥盤、雞心夾再傳遞到工件。2、進(jìn)給運動：其運動是從主軸傳出，經(jīng)過掛輪機構(gòu)、進(jìn)給機構(gòu)、光桿(車螺紋時用絲桿)傳到溜板箱及溜板，使其上面刀架及被刀架夾緊的車刀作進(jìn)給運動。通過主運動及進(jìn)給運動的合成，從而加工出相應(yīng)的工件表面。螺紋加工也是利用這個原理，當(dāng)工件每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時，車刀沿著形成螺紋的方向移動一個導(dǎo)程，從而車刀切削出相應(yīng)的螺紋。
二、車螺紋仿真動畫的制作方法和技巧
1. 制作構(gòu)件
根據(jù)上述車螺紋動畫的運動原理可知所需構(gòu)件有床頭箱、撥盤、前頂尖、雞心夾、工件、后頂尖、車刀等。
下面在選取3DS MAX作為制作動畫軟件的基礎(chǔ)上以制作流程的方式介紹構(gòu)件的制作方法(注：箭頭表示從一個面板跳轉(zhuǎn)到另一面板或選取的先后順序)。
床頭箱及工件的制作流程：Create→Geometry→(下拉框)Standard Primitive→Box(直接制作床頭箱)、Cylinder(直接制作工件)
撥盤的制作流程：1.Create→Geometry→Standard Primitive→Cylinder(制作大、中、小三個尺寸適宜的圓柱)、Box(制作一個尺寸適宜的長方體)；2.Create→Geometry→(下拉框)Compound objects→選取大圓柱→Boolean→(復(fù)選)Move和Subtraction(A-B)→Pick operand B→分別選取中、小圓柱、長方體與大圓柱進(jìn)行“差”布爾運算得布爾物體即撥盤。
前頂尖和后頂尖的制作流程：Create→Geometry→Standard Primitive→Cylinder(制作一個尺寸適宜的圓柱)→Modify→Height segments(3)(即將圓柱分成三段)→Edit Mesh→Sub-object→Face→在Front視圖中選圓柱的三分之一部分→Collapse 即可制作出頂尖。
雞心夾的制作流程：1.Create→Geometry→Standard Primitive→Cylinder(制作5個大小不一的圓柱)、Box(制作一個尺寸適宜的長方體)、Torus(制作一個圓環(huán))→菜單中選Select and Scale→Squash圖標(biāo)(將圓環(huán)縮放成所需物體)。2.將流程1制作的部件調(diào)到合適的位置后按撥盤的制作流程2(把“差”改為“并”)或選取菜單的Group均可制作出雞心夾。
作者制作的車削加工動畫總共用了5把刀，分別用于車外圓、車臺階、切槽、倒角、車螺紋，因為每把刀的大、小、形狀不一，所以這里只介紹用于車螺紋的刀的制作方法。
車刀的制作流程：Create→Shapes→line→Creation Method→(復(fù)選)Corner(制作刀的二維形體)→選取二維形體→Modify→Extrude→(打開)Parameters→在Amount上選取或輸入適當(dāng)?shù)臄?shù)值即可制作出所需要的刀。
2. 螺紋的制作方法與技巧
螺紋的制作思路是：圓柱與螺旋體的“差”布爾運算。
圓柱的制作方法前面已經(jīng)介紹過，這里詳細(xì)介紹適合與圓柱進(jìn)行“差”布爾運算的螺旋體的制作方法與技巧：
在Create面板中,使用Shapes下的Ngon制作一個適宜的小正三角形, 使用Shapes面板中的Helix創(chuàng)建一條螺旋線,然后打開Parameters,在Radius1和Radius2上輸入相同的數(shù)值,此數(shù)值與圓柱半徑相等或略大于圓柱半徑,在Height上輸入適宜的高度,在Turns上輸入適宜的圈數(shù),在Bias上輸入零值,在同一面板上復(fù)選CCW(逆時針螺旋)。
按制作流程(選取小正三角形→Geometry→(下拉框)Loft object→Loft→Get path→選取螺旋線)可制作出圖2左邊螺旋體，顯然不符合制作動畫的要求，因為此造型沿著螺旋線彎曲和上下自動傾斜。
圖2 左右螺旋體
進(jìn)一步調(diào)整圖2左邊螺旋體,具體做法是:選取Modify面板，打開“Skin parameters”，關(guān)掉“ Banking”，即可得圖2右邊螺旋體(制作動畫用的螺旋體的螺距較小)。若用3D studio軟件制作此螺旋體，則把“Loft-Banking = ON”改為“Loft-Banking = OFF”即可。將圓柱與螺旋體進(jìn)行“差”布爾運算(參照撥盤的制作流程2)，即可制作出螺紋。
3. 制作切屑
車螺紋時會流出相應(yīng)的切屑，所以也要模仿流出切屑的過程，必需制作切屑。使用調(diào)整器，將圖2左邊螺旋體的半徑縮小，其它參數(shù)作相應(yīng)改變后，可作為切屑用。
4. 選擇材質(zhì)
構(gòu)件制作完畢后，即可進(jìn)行材質(zhì)選定，為讓此動畫真實生動，作者將加工過的工件特選金屬材質(zhì)，其它構(gòu)件也要考慮深、淺顏色搭配，色彩協(xié)調(diào)。
5. 設(shè)置燈光
車削加工動畫對燈光的設(shè)置要求較高，燈光要跟著車刀移動或沿著進(jìn)給方向照射的同時，又要保證其它構(gòu)件明亮度適中，既不能暗淡又不能反光。針對燈光要求，作者首先在廻轉(zhuǎn)軸線上設(shè)置一盞聚光燈，其它燈要看具體情況設(shè)置與調(diào)整。
6. 設(shè)計與制作車螺紋動畫
根據(jù)上述的的車螺紋動畫的運動原理可知，此動畫是主運動與進(jìn)給運動的合成，而且是仿真動畫，即模仿車螺紋的過程。作者按以下步驟設(shè)計與制作：
主運動：前、后頂尖、撥盤、雞心夾及工件在同一軸線上同時同速度作逆時針旋轉(zhuǎn)運動，而雞心夾等構(gòu)件的形狀、重心不一，所以把所有構(gòu)件調(diào)到同一軸線上后，如何用層次樹結(jié)構(gòu)把所有構(gòu)件連接在一起很關(guān)鍵。作者是這樣處理的：在選取正向運動的前提下，選擇工件作為“父物體”，其它構(gòu)件作為“子物體”，而且所有子物體都是“兄弟”關(guān)系。然后選擇局部坐標(biāo)系“Local”，選取工件作逆時針旋轉(zhuǎn)運動，其它構(gòu)件也就在同一軸線上與工件同時同速度作逆時針旋轉(zhuǎn)運動。
進(jìn)給運動與相應(yīng)螺紋、切屑的設(shè)計與制作
上面介紹過螺紋的形成，在實際動畫制作中，當(dāng)工件每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時，車刀沿著形成螺紋的方向移動一個導(dǎo)程，從而車刀切削出一圈螺紋，而且有相應(yīng)的切屑流出。根據(jù)實際，作者的設(shè)計思路是：將車螺紋過程等分為若干過程，每個過程只車一圈螺紋，然后再將若干過程合成，制作出逼真的車螺紋動畫。制作步驟如下：
a. 選取Front視圖，復(fù)制以上做的所有工作，另存為多個文件，為了便于操作,另存文件數(shù)要多于螺紋圈數(shù)(復(fù)制的目的是保證合成動畫平穩(wěn)、逼真)。
b. 對于每個復(fù)制品,使用調(diào)整器調(diào)整螺旋體和切屑的參數(shù),得到適合的螺旋體和切屑。對于第一個復(fù)制品，螺旋體調(diào)整為一圈后，將圓柱與此螺旋體進(jìn)行“差”布爾運算，在工件表面形成一圈螺紋。將調(diào)整好的切屑放置在車刀刃上，再選取局部坐標(biāo)系后，將車刀和切屑一起沿著形成螺紋的方向移動一個導(dǎo)程。對于第二個復(fù)制品，螺旋體調(diào)整為二圈,……以此類推。
動畫效果渲染與輸出
選取Rendering/Video post,以顯示Video post對畫框,如圖3,選擇Add Image Input Event,并單擊Files,從Image或maps目錄下選取背景文件,作者選擇了CONCWHIT.JPG；選擇Add Scene Event,在View列表中選取Front；同時選擇CONCWHIT.JPG和Front后，單擊Add Image Layer Event，在Layer Plug-In列表中選取Alpha compositor(α通道排序)；選擇Add Image Output Event，并單擊Files，輸入一個文件名后選擇壓縮程序。在此動畫中把所有事件的Video post parameters從第0幀設(shè)置到第6幀。最后的對列表如圖3所示。
圖3 對列表
將“車一圈螺紋”動畫、“車二圈螺紋”動畫、“車三圈螺紋”動畫……，用Premiere軟件進(jìn)行合成，合成為一個完整的車螺紋仿真動畫。
三、 簡述車外圓、車臺階、切槽、倒角仿真動畫的制作
車外圓、車臺階、切槽、倒角仿真動畫的制作方法很類似，也很類似于車螺紋動畫的制作，比如：主運動和進(jìn)給運動是相同的，不同于車螺紋動畫的是，都不必用合成的辦法，只要充分利用調(diào)整器(Modify)。例如車外圓動畫，當(dāng)動畫的總幀數(shù)設(shè)置合適后，打開“Animate”功能，在每隔幾幀或每1幀處利用調(diào)整器(Modify)調(diào)整工件、被切削過的工件、切屑等的參數(shù)，使得在切削過程中，未被切削的工件逐漸縮短，被切削過的工件逐漸加長，切屑也相應(yīng)加長,同時把加工面沿著旋轉(zhuǎn)軸線移到相應(yīng)位置。用這種辦法制作的仿真動畫非常逼真。
我們把車外圓、車臺階、切槽、倒角、車螺紋5個仿真動畫再合成一個動畫，并放在《金屬切削的基礎(chǔ)知識》CAI軟件的首頁。致使學(xué)生一打開此軟件，車削加工主要的加工范圍都能顯示出來，而且能讓學(xué)生聯(lián)系起實習(xí)時的情景，創(chuàng)造了一個良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，然后老師在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深入的講授，使學(xué)生對車削加工的感性認(rèn)識上升到理性階段，實現(xiàn)知識意義的建構(gòu)。
