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缝纫机原理仿真动画对缝纫机主要功能零件模型的几何尺寸准确度要求较高，利用Pro/ENGINEER对缝纫机零部件进行精确建模和装配，将三维模型导入3ds Max中进行材质渲染和动画制作，完成缝纫机原理仿真动画。充分发挥了Pro/ENGINEER和3ds Max软件各自的优势，解决了单独使用3ds Max软件在机构动画制作中零件的尺寸和装配不准确的问题，为机构仿真动画制作提供了新思路。
一、引言
缝纫机的核心是线圈缝合系统，由针杆机构、挑线机构和勾线机构组成。各机构精密配合协调，按照一定的顺序运动来完成工作。缝纫机缝制原理仿真动画对于缝纫机各零部件的模型形状和尺寸准确度要求较高，否则在制作动画过程中会出现各零部件无法配合或运动轨迹不符合实际情况的现象。
Pro/ENGINEER广泛应用于现代机械工业领域，适用于零部件的精确建模、装配和分析，但其仿真动画步骤繁琐，不利于在非机械专业人士中推广和掌握；3ds Max软件具有强大的动画表达能力和材质场景渲染效果，但在零部件的建模和组装定位上却有其致命的缺陷：建模不够准确和无法精准定位装配。本文以缝纫机的缝制原理仿真动画为例，使用Pro/ENGINEER完成缝纫机线圈缝合系统的建模和装配，并用3ds Max对模型完成材质渲染和动画制作。将两种软件在机构仿真动画制作中联合应用，充分发挥两种软件的优势。
二、Pro/ENGINEER和3ds Max的结合
Pro/ENGINEER的功能非常广泛，包括产品三维设计、工程图制作、模具开发、CAM和动态仿真等。其参数化建模过程，便于机构仿真动画制作过程中的精准建模和装配定位。动态设计和特征管理模式便于修改。但Pro/ENGINEER没有3dsMax中丰富的建模工具，建模自由度不如3dsMax，对于不规则自由曲面的建模无法像3ds Max那样自由灵活。且它不具备3ds Max所具有的渲染能力和动画制作能力，应用Pro/ENGINEER进行动态仿真过程繁琐，不利于非机械专业人士理解和掌握。
3ds Max是一款基于Windows操作平台的优秀三维制作软件，它广泛地应用于建筑装潢、工业造型和影视动画等设计领域。3ds Max可以创建出各种各样的虚拟显示效果和生动逼真的动画场景。其具有高超的原始创建能力和大量的修改功能，在角色动画制作方面有着非常强大的能力。3ds Max虽然建模自由度高，但仅仅凭借网格捕捉，或直接描摹背景图片形状是无法准确建立零部件的几何特征，并实现精确建模的，对于工业机械类建模3dsMax存在一定的不足。
鉴于两种软件在机构仿真动画中的优缺点，先在Pro/ENGINEER中对零部件进行精确建模和装配，然后另存为STL文件导入3ds Max中进行动画制作，可以充分发挥两种软件各自的优点。
三、缝纫机的缝制原理
缝纫机平缝线迹被称为锁式线迹，线迹是底线和面线在缝料内铰和而成的机结。要使底线和面线拧和，必须把面线穿过机针 b和挑线杆 a绕在线团 d上，底线绕在缝料下面的旋梭 c上。缝制时面线由机针 b引入缝料下部，机针由最低点向上运动时，面线在机针和布料之间形成一个梨形线环。旋梭c带着线环旋转使其与底线交织，挑线杆带着面线向上收紧，在两层缝料间和底线形成一个绞合点。重复循环上述动作，即可生成一条锁式线迹。在此过程中，挑线杆担任的主要工作是输送和收紧面线，从而完成对用线量的调整，如图1所示。
四、应用Pro/ENGINEER进行实体建模
实体建模主要包括缝纫机的针杆机构、挑线机构、勾线机构以及上轴竖轴部件中主要功能零件实体模型的建立，如图2所示。
建立零部件实体模型主要在Pro/ENGINEER中的“零件”模块中进行。其造型快速，几何尺寸能够精确控制。Pro/ENGINEER中三维实体的建构方式主要草绘性特征，包括拉伸、旋转、扫描和混合等。除此之外，Pro/ENGINEER还可对模型进行倒角、倒圆角、拔模及抽壳等。
下面以缝纫机针杆挑线部件中针杆曲柄为例，介绍利用Pro/ENGINEER建立三维模型的方法：（1）启动Pro/ENGINEER软件，设置工作目录，选择“零件”模块，设置名称，取消“使用缺省模板”，勾选“mmns_part_solid”选项。（2）选择“top”平面，草绘针杆曲柄截面主要外形几何形状。使用拉伸特征完成针杆曲柄主要外形几何特征的创建。（3）选取草绘工具，在“top”平面上绘制针杆曲柄上下孔截面形状。点击拉伸工具，选择“去除材料”，完成针杆曲柄大小孔的创建。（4）以针杆曲柄上表面为草绘平面，绘制针杆曲柄大小搭子截面形状，使用拉伸工具完成针杆曲柄大小搭子实体的构建。（5）使用倒圆角工具，对零件进行倒圆角，完成铁杆曲柄实体模型的构建，如图3所示。
缝纫机各零部件实体模型创建完毕之后，使用Pro/ENGINEER组建模块逐个导入零件进行装配。通过设置元件的约束条件，利用匹配、对齐、插入、相切、线上点、固定及缺省等约束条件，确定零件的位置关系，从而完成缝纫机零部件的整机装配。
整机装配完毕后，点击“保存副本”，保存为STL格式，以便导入3dsMax中进行动画制作。
五、应用3ds Max进行缝纫机缝制原理动画的制作
3dsMax中动画创建可以通过设置关键帧和修改轨迹视图来实现。关键帧是物体运动过程的一个框架，是物体运动或形变过程中的枢纽。曲线编辑器是用来修整动画运动轨迹的工具，使用其可以直接创建动作，对动作的发生时间、持续时间、运动状态轻松自如地进行调节，很多无法直接完成的动作设置都可以借助轨迹视图完成。
1.模型的场景和材质制作
在3dsMax中点击“导入”选项，将装配好的缝纫机三维模型导入到3ds Max中，为模型添加灯光、场景、材质和贴图，以获得机械零件独特的金属质感效果。 2.挑线机构动画的制作
（1）调整挑线杆、挑线连杆和挑线曲柄配件角度，使挑线杆处于水滴状运动轨迹的最高点，针杆处于往复运动的最低点。点击时间配置按钮，选择电影标准制式，设置动画时间为0～120帧。
打开自动关键点模式，选中上轴，在0帧、30帧、60帧、90帧和120帧处使上轴分别绕 x轴旋转0°、90°、180°、270°和360°，设置关键帧，使上轴在120帧动画中完成一个旋转周期，即对应缝纫机完成一个工作循环；打开曲线编辑器，将关键点切线模式修改为“线性”，将“动画参数曲线超出范围类型”选择为“循环”；将上轴伞齿轮及针杆曲柄链接到上轴上。
（2）挑线杆组件一端连接在曲柄上，另一端连接在挑线连杆上，挑线连杆固定在机架上；将挑线杆组件链接到针杆曲柄上，使其跟随针杆曲柄绕上轴旋转；打开“自动关键点”模式，拖动进度条至任意帧，分别调整挑线连杆和挑线杆组件的位置，使其在运动过程中保持连接，设置关键帧。由挑线杆组件和挑线连杆的运动状况可知其运动曲线为三角函数曲线，打开曲线编辑器，分别调整挑线杆组件和挑线连杆的运动曲线，将曲线选择为循环模式。
3.针杆机构动画的制作
（1）绘制样条线作为针杆接头滑块运动的路径，使用“对齐”功能使其位于针杆接头滑块导轨中心；选择针杆接头滑块，在“动画”面板中点击“添加路径”，选择样条线，令针杆接头滑块沿着样条线方向运动。
（2）挑线曲柄配件固定在曲柄上，与曲柄保持相对位置不变。针杆和针杆连杆下端链接到针杆接头滑块上，打开“自动关键点”模式，将进度条拖至任意帧，调整针杆接头滑块位置及针杆连杆角度，使针杆连杆连接到挑线曲柄配件上，设置关键帧，将运动曲线超出范围类型选择成循环模式。
缝纫机针杆挑线机构的动画如图4所示。
4.勾线机构动画的制作
打开自动关键点模式，制作竖轴及上下轴旋转动画，将竖轴和下轴运动曲线超出范围类型选择成循环模式；将竖轴上下伞齿轮链接到竖轴上，将下轴伞齿轮链接到下轴上；将下轴伞齿轮和旋梭组件链接到下轴上，锁芯套组件和梭心保持静止。
5.线迹动画的制作
（1）绘制样条线，将样条线顶点类型设置为“角点”；打开“自动关键点”模式，改变样条线形状使之符合线迹规律，设置关键帧。
（2）创建圆柱体，调整圆柱体参数，使圆柱体符合缝纫机线的几何形状，增加圆柱体的高度分段；在修改器面板中选择“路径变形”，点击“拾取路径”，选择样条线，单击“转到路径”，使圆柱体变形为样条线形状；打开自动关键点模式，调整路径百分比，使圆柱体模拟缝纫机线的前进状态，设置关键点，制作缝纫机线迹动画，如图5所示。
6.渲染
单击渲染设置按钮，在时间输出范围中选择0～120帧，在输出尺寸上选择分辨率为800×600；单击输出文件按钮，在文件类型的下拉菜单中选择文件格式；选择摄影机视图并渲染。
六、结语
本文利用Pro/ENGINEER与3ds Max联合制作缝纫机原理仿真动画，充分发挥了Pro/ENGINEER软件的精准建模装配优势和3ds Max软件的精美动画材质优点，使得非机械专业人士也可以高效准确地制作出精确的三维仿真动画，为机构仿真动画制作提供了新思路。
一、引言
缝纫机的核心是线圈缝合系统，由针杆机构、挑线机构和勾线机构组成。各机构精密配合协调，按照一定的顺序运动来完成工作。缝纫机缝制原理仿真动画对于缝纫机各零部件的模型形状和尺寸准确度要求较高，否则在制作动画过程中会出现各零部件无法配合或运动轨迹不符合实际情况的现象。
Pro/ENGINEER广泛应用于现代机械工业领域，适用于零部件的精确建模、装配和分析，但其仿真动画步骤繁琐，不利于在非机械专业人士中推广和掌握；3ds Max软件具有强大的动画表达能力和材质场景渲染效果，但在零部件的建模和组装定位上却有其致命的缺陷：建模不够准确和无法精准定位装配。本文以缝纫机的缝制原理仿真动画为例，使用Pro/ENGINEER完成缝纫机线圈缝合系统的建模和装配，并用3ds Max对模型完成材质渲染和动画制作。将两种软件在机构仿真动画制作中联合应用，充分发挥两种软件的优势。
二、Pro/ENGINEER和3ds Max的结合
Pro/ENGINEER的功能非常广泛，包括产品三维设计、工程图制作、模具开发、CAM和动态仿真等。其参数化建模过程，便于机构仿真动画制作过程中的精准建模和装配定位。动态设计和特征管理模式便于修改。但Pro/ENGINEER没有3dsMax中丰富的建模工具，建模自由度不如3dsMax，对于不规则自由曲面的建模无法像3ds Max那样自由灵活。且它不具备3ds Max所具有的渲染能力和动画制作能力，应用Pro/ENGINEER进行动态仿真过程繁琐，不利于非机械专业人士理解和掌握。
3ds Max是一款基于Windows操作平台的优秀三维制作软件，它广泛地应用于建筑装潢、工业造型和影视动画等设计领域。3ds Max可以创建出各种各样的虚拟显示效果和生动逼真的动画场景。其具有高超的原始创建能力和大量的修改功能，在角色动画制作方面有着非常强大的能力。3ds Max虽然建模自由度高，但仅仅凭借网格捕捉，或直接描摹背景图片形状是无法准确建立零部件的几何特征，并实现精确建模的，对于工业机械类建模3dsMax存在一定的不足。
鉴于两种软件在机构仿真动画中的优缺点，先在Pro/ENGINEER中对零部件进行精确建模和装配，然后另存为STL文件导入3ds Max中进行动画制作，可以充分发挥两种软件各自的优点。
三、缝纫机的缝制原理
缝纫机平缝线迹被称为锁式线迹，线迹是底线和面线在缝料内铰和而成的机结。要使底线和面线拧和，必须把面线穿过机针 b和挑线杆 a绕在线团 d上，底线绕在缝料下面的旋梭 c上。缝制时面线由机针 b引入缝料下部，机针由最低点向上运动时，面线在机针和布料之间形成一个梨形线环。旋梭c带着线环旋转使其与底线交织，挑线杆带着面线向上收紧，在两层缝料间和底线形成一个绞合点。重复循环上述动作，即可生成一条锁式线迹。在此过程中，挑线杆担任的主要工作是输送和收紧面线，从而完成对用线量的调整，如图1所示。
四、应用Pro/ENGINEER进行实体建模
实体建模主要包括缝纫机的针杆机构、挑线机构、勾线机构以及上轴竖轴部件中主要功能零件实体模型的建立，如图2所示。
建立零部件实体模型主要在Pro/ENGINEER中的“零件”模块中进行。其造型快速，几何尺寸能够精确控制。Pro/ENGINEER中三维实体的建构方式主要草绘性特征，包括拉伸、旋转、扫描和混合等。除此之外，Pro/ENGINEER还可对模型进行倒角、倒圆角、拔模及抽壳等。
下面以缝纫机针杆挑线部件中针杆曲柄为例，介绍利用Pro/ENGINEER建立三维模型的方法：（1）启动Pro/ENGINEER软件，设置工作目录，选择“零件”模块，设置名称，取消“使用缺省模板”，勾选“mmns_part_solid”选项。（2）选择“top”平面，草绘针杆曲柄截面主要外形几何形状。使用拉伸特征完成针杆曲柄主要外形几何特征的创建。（3）选取草绘工具，在“top”平面上绘制针杆曲柄上下孔截面形状。点击拉伸工具，选择“去除材料”，完成针杆曲柄大小孔的创建。（4）以针杆曲柄上表面为草绘平面，绘制针杆曲柄大小搭子截面形状，使用拉伸工具完成针杆曲柄大小搭子实体的构建。（5）使用倒圆角工具，对零件进行倒圆角，完成铁杆曲柄实体模型的构建，如图3所示。
缝纫机各零部件实体模型创建完毕之后，使用Pro/ENGINEER组建模块逐个导入零件进行装配。通过设置元件的约束条件，利用匹配、对齐、插入、相切、线上点、固定及缺省等约束条件，确定零件的位置关系，从而完成缝纫机零部件的整机装配。
整机装配完毕后，点击“保存副本”，保存为STL格式，以便导入3dsMax中进行动画制作。
五、应用3ds Max进行缝纫机缝制原理动画的制作
3dsMax中动画创建可以通过设置关键帧和修改轨迹视图来实现。关键帧是物体运动过程的一个框架，是物体运动或形变过程中的枢纽。曲线编辑器是用来修整动画运动轨迹的工具，使用其可以直接创建动作，对动作的发生时间、持续时间、运动状态轻松自如地进行调节，很多无法直接完成的动作设置都可以借助轨迹视图完成。
1.模型的场景和材质制作
在3dsMax中点击“导入”选项，将装配好的缝纫机三维模型导入到3ds Max中，为模型添加灯光、场景、材质和贴图，以获得机械零件独特的金属质感效果。 2.挑线机构动画的制作
（1）调整挑线杆、挑线连杆和挑线曲柄配件角度，使挑线杆处于水滴状运动轨迹的最高点，针杆处于往复运动的最低点。点击时间配置按钮，选择电影标准制式，设置动画时间为0～120帧。
打开自动关键点模式，选中上轴，在0帧、30帧、60帧、90帧和120帧处使上轴分别绕 x轴旋转0°、90°、180°、270°和360°，设置关键帧，使上轴在120帧动画中完成一个旋转周期，即对应缝纫机完成一个工作循环；打开曲线编辑器，将关键点切线模式修改为“线性”，将“动画参数曲线超出范围类型”选择为“循环”；将上轴伞齿轮及针杆曲柄链接到上轴上。
（2）挑线杆组件一端连接在曲柄上，另一端连接在挑线连杆上，挑线连杆固定在机架上；将挑线杆组件链接到针杆曲柄上，使其跟随针杆曲柄绕上轴旋转；打开“自动关键点”模式，拖动进度条至任意帧，分别调整挑线连杆和挑线杆组件的位置，使其在运动过程中保持连接，设置关键帧。由挑线杆组件和挑线连杆的运动状况可知其运动曲线为三角函数曲线，打开曲线编辑器，分别调整挑线杆组件和挑线连杆的运动曲线，将曲线选择为循环模式。
3.针杆机构动画的制作
（1）绘制样条线作为针杆接头滑块运动的路径，使用“对齐”功能使其位于针杆接头滑块导轨中心；选择针杆接头滑块，在“动画”面板中点击“添加路径”，选择样条线，令针杆接头滑块沿着样条线方向运动。
（2）挑线曲柄配件固定在曲柄上，与曲柄保持相对位置不变。针杆和针杆连杆下端链接到针杆接头滑块上，打开“自动关键点”模式，将进度条拖至任意帧，调整针杆接头滑块位置及针杆连杆角度，使针杆连杆连接到挑线曲柄配件上，设置关键帧，将运动曲线超出范围类型选择成循环模式。
缝纫机针杆挑线机构的动画如图4所示。
4.勾线机构动画的制作
打开自动关键点模式，制作竖轴及上下轴旋转动画，将竖轴和下轴运动曲线超出范围类型选择成循环模式；将竖轴上下伞齿轮链接到竖轴上，将下轴伞齿轮链接到下轴上；将下轴伞齿轮和旋梭组件链接到下轴上，锁芯套组件和梭心保持静止。
5.线迹动画的制作
（1）绘制样条线，将样条线顶点类型设置为“角点”；打开“自动关键点”模式，改变样条线形状使之符合线迹规律，设置关键帧。
（2）创建圆柱体，调整圆柱体参数，使圆柱体符合缝纫机线的几何形状，增加圆柱体的高度分段；在修改器面板中选择“路径变形”，点击“拾取路径”，选择样条线，单击“转到路径”，使圆柱体变形为样条线形状；打开自动关键点模式，调整路径百分比，使圆柱体模拟缝纫机线的前进状态，设置关键点，制作缝纫机线迹动画，如图5所示。
6.渲染
单击渲染设置按钮，在时间输出范围中选择0～120帧，在输出尺寸上选择分辨率为800×600；单击输出文件按钮，在文件类型的下拉菜单中选择文件格式；选择摄影机视图并渲染。
六、结语
本文利用Pro/ENGINEER与3ds Max联合制作缝纫机原理仿真动画，充分发挥了Pro/ENGINEER软件的精准建模装配优势和3ds Max软件的精美动画材质优点，使得非机械专业人士也可以高效准确地制作出精确的三维仿真动画，为机构仿真动画制作提供了新思路。