基于Pro/E的三維動態仿真在工業設計中的應用

張高美

（廣東理工學院，廣東 肇慶 526114）

一、前言

計算機技術的發展對設計領域的影響越來越大，尤其是工業設計行業，計算機輔助工業設計已經成為現代產品開發的必要手段。國內外的計算機輔助工業設計（簡稱CAID）的研究主要集中在計算機輔助造型技術、CAID中的人機交互技術、智能技術以及新興技術的應用研究等方面。

嚴謹、理性、精確是工業設計中最重要的原則。傳統的工業設計手法無法直觀、真實地展現產品各模塊之間的相對狀態，無法在工業設計過程中判斷產品是否存在干涉或其運動軌跡是否合理。該問題一直以來都在結構設計過程中予以解決，由結構工程師判斷干涉等問題，再跟工業設計師進行溝通，或者自行修改產品。產品尺寸數據經過結構設計師、模具設計師的改動后，產品的外觀必然會發生變化，此時產品已無法很好地表達工業設計師設計的初衷，導致工業設計質量下降。若再返回與工業設計師溝通修改造型，無疑增加了產品設計開發的周期與設計成本，降低了工作效率。

本次研究的主要意義在于：基于Pro/ENGINEER軟件的參數化設計、基于特征建模以及單一數據庫（全相關性）的特性，將Pro/ENGINEER軟件中的三維動態仿真應用到工業設計過程中，以最全面的狀態展示產品，并檢測出所設計的產品是否存在干涉現象，以便設計師在工業設計過程中就能及時發現問題并進行修改，提高設計師的設計效率，降低設計成本。且該軟件參數化設計的特征，使工業設計師與結構設計師、模具設計師交接工作更為便利，縮短產品設計開發的周期、減少開發費用和成本，提高產品性能，從而獲得最優化和創新的產品設計。

二、研究現狀及意義

> 圖1 史都華平臺的基本結構

> 圖2 Pro／E裝配好的史都華平臺模型

> 圖3 機構仿真設計流程圖

與發達國家相比，我國的工業設計仍然處于初級階段。目前我國還是世界上的制造業大國。將工業設計看成是外觀造型設計，這是以前我國很多企業的誤區，因此他們還是使用模仿的手段，沒有創新能力。中國制造到中國創造的進程中，工業設計是一個非常好的方法，它能讓產品具有較強的核心競爭力。在“中國創造”這個概念中關鍵在于創新，這就要求企業自主研發新產品，要求企業自主設計新產品，而不是以往的照搬照抄、按圖紙加工產品。企業生存發展的關鍵在于在進行產品創新的進程中怎樣去提高企業的設計效率和產品的競爭力。

在工業設計過程中，傳統的三維動態仿真都建立在3ds Max或者FLASH等圖形設計軟件或造型軟件基礎之上。3ds Max是一種三維動畫渲染和制作的軟件，在影視、室內設計、建筑、游戲領域有廣泛的應用。它的主要優點就是其可視性，表現起來非常直觀和真實。FLASH是一種矢量類的動畫制作軟件，該軟件中可以插入很豐富的圖形、動畫、聲音、視頻等。這種軟件在網頁上的動畫中使用很廣泛。

以上軟件都有一個不可避免的問題就是：使用這些軟件建模仿真設計出的產品數據無法導出或方便修改，同時也無法查看產品各部件之間是否存在干涉或者運動軌跡是否合理。一些相關數據也無法直接用于機器生產，必須經過其他軟件的轉化。在轉化過程中容易產生數據丟失或者產品破面等情況，這時設計人員必須花時間進行修補等。圖形設計軟件與工程設計軟件之間的轉換也增加了產品設計周期，產品設計的誤差也無法縮小，無法滿足市場日益提高的要求。

三維動態仿真作為設計過程中的重要手段之一，不應僅僅重視其可視性，而更應重視其轉化為實際生產時的一系列相關問題，否則設計只能停留在外觀裝飾的初級階段。

仿真的最終目的就是盡可能地反映現實的環境和狀況，其中就包括了產品在實際情況下會遇到的一系列問題，例如干涉和運動軌跡等等。為了適應市場和行業的發展。三維動態仿真技術將朝著集成化、智能化、可視化和并行化的方向發展。

（1）集成化。集成化可以從多個方面進行考慮，它也可以指產品設計的整個生命周期，如從產品前期的計劃、構思，再到設計、組裝、仿真，最后到測試和文檔的生成等。而Pro/E的這種采用特征建模的技術便于產品數據在計算機內的傳遞和表達，使得集成化成為可能。

（2）智能化。智能化其實就是專家系統，它結合人工智能，讓仿真軟件成為具有專家系統的軟件。它能進行推理、優化、選擇，從而做出最終決策。

（3）可視化。由于仿真技術最重要的目的之一就是盡可能地反映現實環境和狀況，因此圖形界面越直觀，用戶越易于接受。隨著計算機輔助設計在仿真分析功能上的加強，可視化技術也將越來越受到重視。

（4）并行化。并行化要求在設計產品開始的時候就把產品的質量、產品的生產成本、制作周期等所有后期需要考慮的因素都考慮進去。這樣可以提高產品的研發效率。并行化的趨勢要求建立跨學科的、以人際關系合作為基礎的合作開發新產品的模式。

Pro/E在解決特征相關性的問題時是采用單一數據庫的手段，而且它也是第一個使用參數化設計的工程方面的軟件。Pro/E的這種基于特征的方式，能夠將設計至生產的全過程形成一體化的數據而進行流程管理，還可以保持數據的安全性及可追溯性。這就是三維仿真技術發展中的集成化的體現，也就是本文的研究重點。

例如在各大游樂園中的仿真飛行器，我們就可以利用Pro/E進行建模、裝配進而仿真，從而解決其他動態仿真軟件如3ds Max等難以精確計算平面位置變化的缺陷，諸如這類仿真飛行器都是史都華平臺。1965年，Stewart先生提出一種平行式六軸機構，其中平臺被建議用來作為飛行仿真器，因此又常被稱為“史都華平臺”。如圖1是史都華平臺的基本結構，圖2是Pro/E裝配好的模型，將該模型進行機構仿真后就可以精確計算平面位置的變化。

三、基于Pro/E實現工業設計中三維動態仿真的過程

（一）實體建模

進行三維動態仿真的第一步就是對產品各個模塊進行實體建模，確定每個簡單實體的形狀特征以及它們之間的相對位置和表面連接方式，再根據每個簡單實體特征的主次關系按照先主后次的順序進行建模。每個簡單實體特征建模的順序和它的表面造型都直接影響到整個產品模型的可修改性、穩定性、可理解性等。因此在建模的時候應該用最少最簡單的特征去表現每個部分。

由于Pro/E中的參數化設計能夠較好地保持工作的一致性，同時能增加工作中的靈活度，避免人為修改數據時產生的疏漏，因此在Pro/E中的實體建模階段我們可以采用參數化設計。參數化設計（也叫尺寸驅動，Dimension-Driven）是采用預定義的辦法建立圖形的集合約束集，指定一組尺寸作為參數與集合約束集相聯系，因此改變尺寸值就能改變圖形。Pro/E系統最典型的特點是參數化，體現參數化除使用尺寸參數控制模型外，還在于根據尺寸建立數學關系式，使其保持始終相對的大小、位置或約束條件。

（二）零件裝配

要想成功制作出三維動態仿真，在進行實體建模后就需要進行零件的裝配過程。零件的裝配需要在產品的零件之間建立一定的約束，這樣每個零件在產品中的相對位置就確定了。在進行零件裝配時，需要選取一組或者一組以上的約束來限制零件，確定其相對位置。

裝配零部件的過程中，第一個零部件的選擇非常重要，它應該是整個模型中最關鍵的基礎零件，后裝配的零件都要直接或者間接地參照該零件；同時在以后的工作中不會刪除該零件。因為零件的裝配也存在父子關系，先導入的零件叫做父零件，后裝配的零件稱為子零件。子零件可以單獨刪除，但是父零件一旦刪除與之相關聯的子零件也會被一并刪除。因此第一個零件在以后的工作中不能被刪除。

（三）Pro/E機構運動仿真

在進行實體建模，并選擇合適的裝配方法進行組裝之后就可以將零件進行機械仿真，以便設計者能夠了解零件在真實狀況下的運動情況，并進行驗證分析，免去機械設計中模型制作的費用，縮短了產品開發的時間。

在進行機構仿真之前，我們需要找出將來固定不動的零件，并用約束條件將其裝配起來；再使用合適的接頭連接的方式將其余的零件裝配進來；接著進入“應用程序—機構”模塊；接下來是手動測試元件是否能按預定的方式運動，以測試元件裝配是否正確，如果元件不能按預定方式運動則回到組裝環境下重新組裝，如果測試無誤則開始進行下一步；接著如果機構中含有齒輪副或者凸輪從動機構則開始設置齒輪副、凸輪從動機構，從而建立各零件間的關系，便于驅動；接著開始添加伺服電動機作為機構動力的源泉；再繼續可以添加其他一些設置，例如彈簧、力等；最后進行分析與仿真，例如位置、運動學、動態等分析，并根據分析得到結果報告。簡單來說，機構仿真設計的大致流程如圖3所示。

四、總結

工業設計過程中不僅僅要考慮產品造型的美觀性，更要考慮產品在批量生產及實際使用過程中可能會出現的一系列問題，如產品各模塊之間的干涉情況、運動軌跡檢測等。因此本文探索以Pro/E這種工程類建模軟件為工具，將機構仿真設計引入工業設計過程，改變傳統的機構仿真僅僅用于結構、模具設計過程，以便提高工業設計質量與設計師的工作效率，加強工業設計師與結構、模具設計師之間的溝通與交流。■