工業(yè)設(shè)計(jì)中的高質(zhì)量曲面設(shè)計(jì)

蔣青谷

（桂林廣陸數(shù)字測(cè)控股份有限公司，廣西桂林 541004）

當(dāng)今社會(huì)人們的消費(fèi)水平日益提高，對(duì)消費(fèi)品的要求也越來越高，品質(zhì)好外觀時(shí)尚的商品，會(huì)更多地受到消費(fèi)者的青睞。產(chǎn)品在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，其功能與外觀同樣重要，某些產(chǎn)品其外觀可能在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中更加有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

1 曲面品質(zhì)描述

一般意義上的產(chǎn)品曲面品質(zhì)，是指曲面本身是否光順，曲面間的連接是否是光順。

物理定義曲面品質(zhì)最高為A級(jí)曲面，A級(jí)曲面是必須滿足相鄰曲面間之間隙在0.005mm以下（大品牌汽車廠甚至要求到0.001mm），切率改變(Tangency Change)在0.16°以下，曲率改變（Curvature Change）在0.005°以下，符合這樣的標(biāo)準(zhǔn)，才能確保曲面通過高光測(cè)試。

1.1 A級(jí)曲面條件描述

（1）一般A級(jí)曲面的階次與控制點(diǎn)數(shù)目都不多，UV方向大概在6～8個(gè)控制點(diǎn)；

（2）單獨(dú)一個(gè)A級(jí)曲面，在UV方向必須都保證曲率的連續(xù)性及變化趨勢(shì)的一致性；

（3）A級(jí)曲面之間的連接，至少滿足切向曲率連續(xù)；

（4）使用多種數(shù)學(xué)檢驗(yàn)方法來檢驗(yàn)A級(jí)曲面，不應(yīng)該出現(xiàn)視覺上的瑕疵。

1.2 曲面質(zhì)量等級(jí)

如圖1所示。

圖1 曲面質(zhì)量狀態(tài)和表現(xiàn)

（1）點(diǎn)連續(xù)（G0連續(xù)）在每個(gè)表面上生產(chǎn)一次獨(dú)立反射，反射線成間斷分布；

（2）切線連續(xù)（G1連續(xù)）將生產(chǎn)一次完整的表面反射，反射線連續(xù)但呈現(xiàn)折痕扭曲狀；

（3）曲率連續(xù)（G2連續(xù)）將生產(chǎn)橫過所有邊界的完整的和光滑的反射線；

由上可知，A級(jí)曲面必須是G2以上連接。

2 高質(zhì)量曲面構(gòu)建原則

產(chǎn)品曲面創(chuàng)建時(shí)，應(yīng)盡可能以整體來進(jìn)行，先不考慮具體的零部件的拆分，將整個(gè)產(chǎn)品外形曲面視為由一組互相連續(xù)的曲面片構(gòu)成的殼體，在保證各曲面片的曲面質(zhì)量及拼接曲面的曲面質(zhì)量的情況下，再詳細(xì)考慮產(chǎn)品的細(xì)節(jié)特征及表現(xiàn)形式。由曲線為基礎(chǔ)構(gòu)建曲面時(shí)，在保證曲線高質(zhì)量的同時(shí)務(wù)必要簡(jiǎn)潔。

3 曲面構(gòu)建

先構(gòu)建組成基本形體的大面，大面很難一次性準(zhǔn)確構(gòu)建到位，通常需要在后續(xù)的構(gòu)建過程中進(jìn)行調(diào)整，所以對(duì)構(gòu)建大面的要求是快速、完整和方便后續(xù)調(diào)整，如果在某個(gè)細(xì)節(jié)上扣的太細(xì)，那么很可能在發(fā)現(xiàn)整體關(guān)系要調(diào)整時(shí)全部推翻以前的工作。

現(xiàn)以手提電腦正上方曲面為實(shí)例，予以說明（如圖2）。

3.1 a側(cè)為切線連續(xù)（G1連續(xù)）曲面的構(gòu)建

（1）第一步——主體大面構(gòu)建；

（2）第二步——細(xì)節(jié)曲面之曲線構(gòu)建時(shí)，BC曲線在B點(diǎn)與AB曲線切點(diǎn)連續(xù)，C點(diǎn)為接順BC曲線曲率的自由曲率狀態(tài)；DE曲線在D點(diǎn)與平面P切點(diǎn)連續(xù)，E點(diǎn)為接順DE曲線曲率的自由曲率狀態(tài)；FG曲線在F點(diǎn)與平面P切點(diǎn)連續(xù)，G點(diǎn)為接順FG曲線曲率的自由曲率狀態(tài)。

（3）第三步——細(xì)節(jié)曲面構(gòu)建時(shí)曲面P1與平面P連接關(guān)系為切線連續(xù)；曲面P2與平面P連接關(guān)系為切線連續(xù)；曲面P3與曲面P1、曲面P2、平面P連接關(guān)系為切線連續(xù)。

圖2 曲面構(gòu)建方式對(duì)比和曲面質(zhì)量表現(xiàn)對(duì)比

3.2 b側(cè)為曲率連續(xù)（G2連續(xù)）曲面的構(gòu)建

（1）第一步——主體大面構(gòu)建；

（2）第二步——細(xì)節(jié)曲面之曲線構(gòu)建時(shí)，BC曲線在B點(diǎn)與AB曲線曲率連續(xù)，C點(diǎn)為接順BC曲線曲率的自由曲率狀態(tài)；DE曲線在D點(diǎn)與平面P曲率連續(xù)，E點(diǎn)為接順DE曲線曲率的自由曲率狀態(tài)；FG曲線在F點(diǎn)與平面P曲率連續(xù)，G點(diǎn)為接順FG曲線曲率的自由曲率狀態(tài)。

（3）第三步——細(xì)節(jié)曲面構(gòu)建時(shí)，曲面P1與平面P連接關(guān)系為曲率連續(xù)；曲面P2與平面P連接關(guān)系為曲率連續(xù)；曲面P3與曲面P1、曲面P2、平面P連接關(guān)系為曲率連續(xù)。

3.3 曲面構(gòu)建效果的目測(cè)區(qū)別

以上兩種效果的曲面構(gòu)建，步驟完全一樣，但構(gòu)建完成的曲面效果，目測(cè)可以看出有少許的區(qū)別（目測(cè)區(qū)別在于光影變化的光順程度），在高光檢測(cè)結(jié)果對(duì)比中，我們可以更清楚地看到：

（1）G1連續(xù)的斑馬紋的連接處（即曲面連接處）是扭曲或起折痕的。

（2）G2連續(xù)的斑馬紋的連接處（即曲面連接處）是光順的，間隙是均勻的。

4 曲面特征的高光表現(xiàn)

手提電腦正上方曲面如圖3。曲面特征的高光表現(xiàn)，可以直接反映出不同品質(zhì)曲面給我們帶來不同的視覺感受。

圖3 a側(cè)圖片的反光光帶緩慢過渡，層次豐富，一側(cè)在最亮的地方陡然截止，另外一側(cè)就是陰暗面，形成亮麗的分割線，給我們的感覺是漂亮。

圖3 b側(cè)圖片的反光高光帶較為聚集，過渡區(qū)域狹窄、復(fù)雜，相對(duì)而言就遠(yuǎn)不如a側(cè)圖片漂亮了。

圖3 曲面特征的高光表現(xiàn)

在我們看汽車展或消費(fèi)電子展的時(shí)候，都會(huì)有眼前一亮的感覺，特別是在看到一些大品牌的產(chǎn)品時(shí)，那是因?yàn)榍娴墓庥靶Чo視覺的美好感受。高質(zhì)量的曲面設(shè)計(jì)，其目的就是為了獲得這種給視覺美好感受的光影效果，光影效果表現(xiàn)就在于曲面。

對(duì)于同樣功能的產(chǎn)品，有時(shí)即使價(jià)格會(huì)貴些，許多消費(fèi)者也會(huì)趨向選擇外觀時(shí)尚、漂亮的產(chǎn)品，這是因?yàn)閻勖乐娜私杂兄?/p>

5 曲面質(zhì)量檢查及調(diào)整

在產(chǎn)品外觀曲面構(gòu)建的過程中，我們不可能一次性的把曲面構(gòu)建到理想的效果，所以需要不斷對(duì)曲面進(jìn)行檢查和調(diào)整，特別是在全正向設(shè)計(jì)的過程中。

設(shè)計(jì)初稿通過評(píng)審后的工作流程，一般都是把設(shè)計(jì)細(xì)化和優(yōu)化，把曲面調(diào)整到最佳的視覺效果。現(xiàn)在的3D設(shè)計(jì)軟件，一般都可以把最終的產(chǎn)品效果模擬出來。在曲面構(gòu)建的過程中，應(yīng)結(jié)合軟件的檢查分析工具，以便把曲面品質(zhì)調(diào)整到最佳視覺效果。

如圖2中的實(shí)例，如果檢查結(jié)果不理想，則需要返回到第二步或第三步對(duì)曲線或曲面進(jìn)行調(diào)整；當(dāng)然本文的實(shí)例簡(jiǎn)單了些，其目的是為了說明問題，再怎么復(fù)雜的外觀面，也是這樣由一系列互相連續(xù)的曲面片構(gòu)成的。

6 結(jié)束語

近年來，產(chǎn)品外觀越來越受到消費(fèi)者的關(guān)注，尤其以電子消費(fèi)品和交通工具方面特別突出。隨著人們消費(fèi)水平的提高，價(jià)廉物美，價(jià)廉不再是決定性的首要問題，物美越來越更為人們所青睞。

本文通過筆記本電腦外殼實(shí)例，闡述了如何通過工業(yè)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)出高品質(zhì)曲面。使工業(yè)產(chǎn)品在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中更具競(jìng)爭(zhēng)力。希望通過本文給從事工業(yè)設(shè)計(jì)人員提高對(duì)高品質(zhì)曲面的認(rèn)識(shí)帶來幫助，共同設(shè)計(jì)出更多更好的工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品。

[1]林清安.Pro/ENGINEERWildfire 2.0零件設(shè)計(jì)高級(jí)篇（上）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[2]單 巖，謝龍漢.CATIA V5自由曲面造型[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[3]王行凱，程惠琴.工業(yè)設(shè)計(jì)[M].南寧：廣西美術(shù)出版社，2006.