理工科工業(yè)設(shè)計專業(yè)Pro/E教學(xué)問題及對策

■田朋飛

隨著3D技術(shù)的應(yīng)用和推廣，計算機輔助設(shè)計在很多行業(yè)都大顯身手。對于工業(yè)設(shè)計專業(yè)的學(xué)生，軟件的使用是幫助學(xué)生展示創(chuàng)意，進行交流的有效工具。本文結(jié)合在3D軟件Pro/E教學(xué)過程中經(jīng)驗，探討了教學(xué)過程中遇到的問題及對策，為3D應(yīng)用軟件教學(xué)提供思路。

國際工業(yè)設(shè)計協(xié)會聯(lián)合會（ICSID）在1980年第11次年會上對工業(yè)設(shè)計的定義為：“就批量生產(chǎn)的產(chǎn)品而言，憑借訓(xùn)練、技術(shù)知識、經(jīng)驗及視覺感受而賦予材料、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、色彩、表面加工以及裝飾以新的品質(zhì)和資格，叫做工業(yè)設(shè)計。”可將其分為三個領(lǐng)域，即視覺傳達設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計和環(huán)境設(shè)計。對于理工類工業(yè)設(shè)計而言，主要涉及的內(nèi)容為產(chǎn)品設(shè)計，也稱之為工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計。

一、理工科工業(yè)設(shè)計專業(yè)學(xué)生特點及軟件課程開設(shè)

理工科工業(yè)設(shè)計專業(yè)學(xué)生都是參加全國統(tǒng)一高考的理工類考生，并且在入學(xué)時沒有多少美術(shù)基礎(chǔ)，就整體而言，學(xué)生對設(shè)計對象的造型、色彩、光影等特征的觀察和感知能力與高考藝術(shù)類學(xué)生相比有較大的差距，對專業(yè)課的理解需要一個漫長的過程。縱觀高校工業(yè)設(shè)計專業(yè)學(xué)生現(xiàn)狀，大一涉及的專業(yè)課有限，且很多理工科院校人才培養(yǎng)方案偏向于基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，導(dǎo)致學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)不扎實，在設(shè)計表達方面存在嚴(yán)重的障礙，有部分學(xué)生到了大三或者大四仍然不能畫出符合自己設(shè)計意圖的產(chǎn)品手繪草圖，或者草圖細(xì)節(jié)不能順暢的表達。對于這種現(xiàn)狀，可以加強對學(xué)生專業(yè)知識的教育，也可以通過三維軟件課程學(xué)習(xí)進行一定的彌補。

工業(yè)設(shè)計專業(yè)學(xué)生在畢業(yè)時至少應(yīng)該熟練掌握4門設(shè)計軟件，其中平面的2個，Photoshop和Coreldraw為代表；三維設(shè)計軟件也有兩種，以3ds Max和Pro/Engineer為代表，但由于學(xué)校開設(shè)課程學(xué)時的限制，平面軟件的學(xué)習(xí)基本可以保證質(zhì)量的完成相應(yīng)的教學(xué)任務(wù)，但是作為三維軟件，其系統(tǒng)比較龐大，要深入學(xué)習(xí)的東西很多，以Pro/Engineer為例，學(xué)生在學(xué)習(xí)此軟件時，沒有任何參數(shù)化建模的概念和經(jīng)驗，涉及的知識都是從零開始，一步步熟悉軟件界面、基本命令及相關(guān)設(shè)置等等。在正常的教學(xué)學(xué)時內(nèi)學(xué)生只能完成一些基本的三維建模，而且涉及到的建模都是一些常見的機械建模，曲面知識涉及少之又少，即便是學(xué)生有好的創(chuàng)意和構(gòu)思，通過三維設(shè)計軟件也無法完成設(shè)計建模，阻礙了其設(shè)計交流。所以為了更好的讓學(xué)生表現(xiàn)其設(shè)計構(gòu)思，進行設(shè)計交流，本文以Pro/Engineer軟件為平臺，以電吹風(fēng)曲面為例，詳細(xì)的介紹如何構(gòu)建高質(zhì)量的曲面，滿足設(shè)計的需要，為其他三維設(shè)計軟件教學(xué)提供一定的參考。

二、理工科學(xué)生應(yīng)具備的3D軟件設(shè)計和分析能力

在國際工業(yè)設(shè)計協(xié)會關(guān)于工業(yè)設(shè)計的定義論述中，就批量生產(chǎn)的產(chǎn)品而言，是工業(yè)設(shè)計的前提，說明了工業(yè)設(shè)計的對象應(yīng)該是機器化條件下大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品；憑借訓(xùn)練、技術(shù)知識、經(jīng)驗及視覺感受，則是工業(yè)設(shè)計專業(yè)學(xué)生應(yīng)該具備的知識構(gòu)架和體系；而賦予材料、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、色彩、表面加工以及裝飾以新的品質(zhì)和資格，是工業(yè)設(shè)計的核心。針對理工科工業(yè)設(shè)計專業(yè)學(xué)生特點及軟件教學(xué)要求，本文將以Pro/Engineer軟件中的ISDX模塊為基礎(chǔ),以電吹風(fēng)曲面建模為實例來詳細(xì)說明理工類工業(yè)設(shè)計專業(yè)學(xué)生如何有效的進行工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計，并對產(chǎn)品建模曲面做相應(yīng)的分析，以保證曲面形態(tài)能夠有設(shè)計制造的可行性。

（一）曲線連續(xù)性及四邊構(gòu)面

在進行曲面設(shè)計之前，首先要對曲線的連續(xù)性進行了解和掌握，因為高質(zhì)量的曲面設(shè)計離不開高質(zhì)量的曲線，關(guān)于曲線的連續(xù)性一般分為三種；G0連接，兩條曲線的端點重合（如圖1所示）；G1連接，兩條曲線端點重合且端點處曲線的切線方向一致（如圖2所示）；G2連接，在G1連接的基礎(chǔ)上，曲率連續(xù)（如圖3所示）。在一般的工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計中，曲線間連續(xù)質(zhì)量達到G1連續(xù)即可滿足設(shè)計要求。

在曲面設(shè)計過程中，一般采用不相切的四邊構(gòu)建曲面，在實際的設(shè)計過程中經(jīng)常會碰到一些三邊面，這種方法構(gòu)建的曲面會產(chǎn)生收斂點，在這個收斂的位置經(jīng)常會產(chǎn)生設(shè)計失敗，為了提高設(shè)計成功的幾率，通常在設(shè)計實踐中都是破三為四，通過曲面的剪裁，使之成為四邊面，在通過四邊構(gòu)建高質(zhì)量的曲面。

（二）電吹風(fēng)曲面的構(gòu)建

ISDX模塊是Pro/Engineer軟件中的自由曲面模塊，即交互式曲面設(shè)計模塊。它有著自由形狀曲線和曲面建模功能，是一種一體化的建模方法。將參數(shù)式設(shè)計與自由曲線曲面造型完美結(jié)合，可以自由創(chuàng)建和修改曲線（曲線包括自由曲線、平面曲線及COS曲線）、曲面，具有高度的互用性和靈活性，并能實時檢查曲面質(zhì)量，通過編輯曲線來調(diào)節(jié)曲面。這種基于特征參數(shù)化建模設(shè)想和建立任意形狀曲面模型的能力，為曲面設(shè)計提供了一種有效的方法，大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計的周期。

（1）在ISDX中構(gòu)建電吹風(fēng)造型輪廓

如圖4所示，由6條平面曲線構(gòu)建的電吹風(fēng)造型輪廓，其中相連接的位置都為G1連接，因為只有G1連接的曲線才能構(gòu)建G1連接的光順曲面。

（2）通過使用Var Sect Sweep命令掃出吹風(fēng)機主體曲面，如圖6示。

（3）對曲面進行剪裁，最終效果如圖7所示，其目的是為了構(gòu)建四邊面，為提高曲面設(shè)計質(zhì)量。

（4）通過Boundary Blend命令實現(xiàn)四邊面的構(gòu)建，同時設(shè)置新構(gòu)建曲面的邊界條件，與父曲面相切，同時為了保證最終鏡像曲面相切，其他的邊界條件設(shè)置與對稱平面垂直或法向。效果如圖8所示。

（5）用同樣的方法構(gòu)建吹風(fēng)機把手曲面造型如圖9所示。

（6）對主體和把手曲面進行裁剪，最終效果如圖10所示

（7）在本設(shè)計中最為重要的就是中間連接曲面的構(gòu)建，首先需要構(gòu)建造型ISDX曲線，且設(shè)置曲線對應(yīng)的邊界條件，如圖11中所示的紅色曲線邊界分別設(shè)置曲面相切和曲線相切，其他兩條同樣的設(shè)置條件。

（8）通過Boundary Blend命令實現(xiàn)四邊面的構(gòu)建，同時設(shè)置新構(gòu)建曲面的邊界條件，與把手和主體曲面設(shè)置曲面相切，同時為了保證最終鏡像曲面相切，其他兩條邊界條件設(shè)置與對稱平面垂直或法向。最終完成過渡曲面的構(gòu)建。如圖12所示。

（9）通過曲面合并、鏡像等最終完成的電吹風(fēng)造型如圖13所示。

（10）為了后續(xù)的產(chǎn)品設(shè)計，需要對曲面進行檢測，如果曲面不光順，可能無法加厚成實體，所以曲面的光順度的檢測是產(chǎn)品設(shè)計中常用到的曲面質(zhì)量檢測方法，通常都是斑馬線檢測，如果檢測得到的不同連接曲面中斑馬線條紋精確對齊，則表示曲面在連接處相切，曲面質(zhì)量比較高，可以進行加厚等實體操作，為后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計的成功奠定一定的基礎(chǔ)，最終檢測結(jié)果如圖14所示，斑馬線完全對齊，曲面質(zhì)量較高。

三、結(jié)語

由于很多院校課程設(shè)置和培養(yǎng)計劃中關(guān)于軟件設(shè)計課程學(xué)時的限制，導(dǎo)致很多學(xué)生在軟件學(xué)習(xí)結(jié)束后，利用所學(xué)的軟件技能、建模水平無法充分的對自己的設(shè)計創(chuàng)意和構(gòu)思進行表達和交流。本文特別介紹了三維設(shè)計軟件Pro/Engineer中ISDX自由曲面造型模塊和曲面、曲線構(gòu)建的基本數(shù)學(xué)理論和數(shù)學(xué)知識，以電吹風(fēng)造型為實例，講解了構(gòu)建高質(zhì)量的曲面的詳細(xì)過程和設(shè)計思路，特別是過渡曲面的構(gòu)建過程和思路。希望能對高校軟件教學(xué)和學(xué)生自學(xué)起到拋磚引玉的作用。

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