機械產品外觀設計的模型轉換方法研究

馬 磊 ，干 靜 ，朱啟豪 ，劉 偉

1 引言

復雜機械產品指外形龐大，結構復雜，零部件眾多，涉及到大量專用件，因而設計周期長，成本較高的機械產品。其中例行試驗離心機[1]，作為穩態加速度模擬試驗設備離心機的一種[2]，有著特大型，結構復雜，高技術復合功能的特點，因此以其作為復雜機械產品的代表，探討對其進行外觀設計時涉及的模型轉換問題。

對這類以功能需求為主、結構復雜的大型機械進行工業設計時，需著協同結構設計和外觀設計兩部分，充分考慮其內部結構對外觀造型的影響。其中工業設計軟件專注于產品外觀件的造型，材質，色彩等因素。而工程設計軟件更多關注機械的結構和裝配等要素。兩種軟件的針對點不同，所包含的模型信息也有較大差異，無法直接共享全部模型信息。因此需要研究模型在兩種軟件中的轉換方式，使得模型信息能在工程設計軟件和工業設計軟件之間順利地轉化與傳遞。

2 復雜機械產品外觀形象設計流程

對復雜機械產品進行外觀形象設計時，由于其功能導向性，往往采取由內而外的設計思路。在產品功能結構模塊的基礎上，進行初步的外觀工業設計，配合進行內部結構的優化設計及組件的選擇和確定，內部結構設計與外觀形象設計協同進行，反復迭代和優化以得到最終的結構和外觀設計方案。

如圖1所示，首先將產品的前結構模型導出到工業設計軟件中，作為外觀設計建模的參照，經過一系列人機、美學和企業形象等的創作過程，完成機械產品的前外觀模型方案。經前外觀模型和細化后的結構模型多次迭代、調整，確定定型結構模型與定型外觀模型。分別用于功能驗證、確定涂裝方案、制作產品效果圖和展示動畫等后續工作，這兩者共同構成了包含全部模型信息的完整模型。在這套流程中需要多次將結構模型和外觀設計模型在兩種軟件間導入和導出，實現模型信息的交換和傳遞[3]。

其中，常用的工程軟件包括：Autodesk Inventor，Solid Edge，Pro/Engineer，CATIA，UG等[4]，這類工程軟件可進行參數化建模設計[5]，注重模型的特征信息裝配工藝信息等，例行離心機的功能結構模型由Pro/Engineer建模軟件建立。

常用的工業設計建模軟件包括3ds Max，Rhino，Alias等。選用3ds Max軟件建立例行離心機外觀模型，因其具備多邊形建模工具，可快速方便地創建和修改三維模型，適合工業設計后期渲染及動畫制作表現。

Pro/E這種工程設計軟件軟件，除了基本的三維模型信息，還有嚴謹的裝配信息，工藝信息等，而3ds Max這類工業設計軟件則包含模型的質感和紋理信息，光效信息和環境信息等。兩者的差異性使得模型在進行轉化時中不能直接導入導出，會降低轉化效率，給后續工作帶來困難。因此要根據需求對不同的模型部件進行有差異的模型轉化工作。

3 結構模型的導出

對機械產品進行外觀形象設計時，需將工程軟件中的前結構模型轉化為中間格式文件，導出到外觀設計軟件中作為設計建模時的參照，如圖1步驟①所示。在實際操作中，不同中間格式之間有較大的差異，如果轉化方法選擇不當，效果不理想，會影響設計軟件運行的流暢度，并給設計人員增加額外的修補破面，優化模型的工作，降低整體的設計效率。

圖1 復雜機械產品外觀形象設計流程Fig.1 Process of Exterior Design for Complex Mechanical Products

3.1 幾種結構模型數據轉換格式

將Pro/E中的結構模型導出到外觀建模軟件3ds Max中，可以選擇以下幾種中間格式：

（1）Stp格式文件：模型文件大，轉化速度慢，對原模型還原度高，不易出現破面，能準確還原棱面和曲面，曲面光滑度較高；可方便的分離和提取，面線元素等；渲染效果良好。

圖2 Stp格式文件導出效果Fig.2 Stp Format File Export Effect

（2）Stl格式文件：模型文件小，但還原性較差，曲面和圓弧會出現棱面化的現象，易產生破面。以網格模型形式存在，難以提取關鍵線面元素。

（3）Obj格式：導出時需要選定相應的UV基準和坐標系才能正確導出模型，導出效果和.stl格式方式相近。

（4）Iges格式文件[6]：轉化速度較慢，文件大，導入3ds Max軟件時需要變換APF，導入速度較慢。轉化效果和stp格式相近，但能提取到更多的曲線信息。

圖3 利用不同中間格式導出工程模型的結果對比Fig.3 Comparison of the Results of Different Intermediate Formats

stp和iges格式對包含弧面部件的模型還原度更高，但缺點是轉換效率低，模型文件大，因此常用于對外觀設計貢獻度高，包含弧面的零件模型的轉化。對于轉化要求較低以棱面結構為主的模型零件，一般選用obj或stl文件格式進行轉化，有效地提高轉化效率，壓縮模型文件的大小。在實際的工作過程中，需要根據模型轉化的不同需求選擇不同的轉化方式，從而得到更好的轉化效率和效果

3.2 結構模型轉化方式選擇

工程結構模型一般尺寸精度很高，結構細節豐富，往往不必將結構模型的全部信息導入到工業設計軟件中，否則會影響模型的轉化效率，增加設備的負擔，給后續設計帶來困難。需要將模型進行優化導出，先對模型進行輕量化處理[7]。去掉不必要的零部件，簡化零件的工藝特征等，之后根據不同零部件的特點及其對外觀設計影響的貢獻度，有差異性的選擇中間格式進行導出，使模型能夠在不影響應用效果的前提下更高效的轉化。

圖4 五種結構模型部件類別Fig.4 Five Types of Structural Model

如圖4所示結構模型包含五種類型，其轉化方式如下：

（1）重要的外觀部件:導出模型時應盡量選擇還原度高的轉化方式，在進行外觀設計建模時，方便提取此類模型中的線面元素。

（2）復雜結構模塊：工程模型中結構復雜的模塊，如齒輪系、軸承系、電機等，模型文件很大，在導入導出時都有困難，影響轉化效率和軟件運行的流暢性。在進行外觀設計時只需要體現出該模塊的尺寸及體量即可，忽略其結構細節。

（3）存在弧面的部件:若弧面結構對外觀設計重要，選擇stp或igs中間格式導出，以保證圓弧的圓滑度，方便在外觀設計建模時提取相關圓弧線面信息。若弧面結構對外觀設計影響不大，不需要提取線面信息，可以考慮選擇stl或obj格式以提高模型轉化的效率。

（4）內部不可見結構模塊:工程模型中，已被一些外觀件、殼體覆蓋的零件，對外觀模型的創建沒有影響，在模型的轉化過程中可直接忽略，特殊情況下，可以低精確度導出，以減少模型體量。如例行離心機中的一些監測系統部件、、內部支承結構等不可見模塊對外觀基本不產生影響，可以不用導出到外觀設計軟件中。

（5）對外觀影響小的零件：螺栓，螺母，擋油環等零件，雖然尺寸小，但工程模型細節較多，且數量眾多。在轉化時將其細節特征隱藏作為簡單形體導出即可。可考慮只導出其中的一部分作為外觀形狀及尺寸的參照。

4 外觀模型導入Pro/E工程建模軟件的幾種方法

在復雜機械產品的設計過程中要對外觀模型和結構模型進行多次的迭代調整，才能確定最終設計方案，如圖1步驟②所示，需要將外觀模型從3ds Max軟件導入Pro/E軟件中，以進行外觀部件和內部結構的匹配驗證，進行相應的修改調整等。外觀模型導入時一般有兩種方式：

（1）直接導入：導出stl或iges格式文件，直接在pro/E中打開，進行相應的修改及定位裝配。導入前需要在3ds Max中進行網格平滑等操作，否則弧面部分導入pro/E中會有較嚴重的棱面問題。相較于stl格式iges.中間格式文件在pro/E中打開，有更完整的面線信息，方便裝配。但是一般.iges格式只支持通過nurbs建模方式導出的零件，無法導出通過多邊形建模方式建立的部件。

（2）間接導入：將外觀模型轉化為實體模型再導入到pro/E工程軟件中：導出外觀模型時需采用.stp中間格式，但3ds Max軟件無法直接導出.stp格式的模型文件，需要借助另一個工業設計建模軟件Rhino進行轉換，具體，如圖5所示。

圖5 外觀模型間接導入Pro/E軟件方法Fig.5 Indirectly Import the Exterior Model into Pro/E Software

這幾種轉換方式中，通過stl中間格式導出最為快捷，效率高。缺點是轉化效果差，無法提取有效面線信息，僅適用于低精度的粗模型導出。

而通過iges.中間格式導出，和利用犀牛中的“轉換網格為多重曲面”功能導出stp格式這兩種方式。導出效果好，但導出步驟復雜，效率較低。適用于對模型轉化要求較高的情況，可以有效地提取模型特征面線信息，進行后續的模型重建和裝配工作。

5 結構模型導出方式實例驗證

為了對前文所述的模型轉換方法進行驗證，以離心機的整體模型作為模型轉換試驗模型分別采用三種不同的導出方法進行對比試驗。結果，如表1所示。

表1 利用不同方法導出試驗模型（整機）的結果對比Tab.1 Comparison of the Results of Different Transformation Methods

第一種直接用iges格式導出，導出效果良好但模型文件過大，用時長達34分鐘，軟件運行有明顯卡頓，甚至卡死的現象，難以操作。第二種用obj格式導出速度很快，但模型導出效果差，有弧面棱化和破面現象。第三種應用上文提出的結構模型優化導出方式，導出效果良好用時縮短到18min，模型體量也大幅減少，可以順暢的在工業設計軟件中對模型文件進行后續操作。

6 結束語

通過分析對比幾種模型轉換中間格式的優缺點，總結出了模型轉化的幾種方法，提出模型優化導出的方式，并通過實例驗證此方法能較大程度提高模型轉化的效果和效率，進而提高對復雜機械進行外觀形象設計流程的效率。但只應用了例行離心機作為復雜機械的代表進行了轉化試驗，試驗樣本數量和類別較少，有一定的局限性。定型外觀模型導入工程軟件之后的外觀模型重建和裝配問題還有待進一步探討。