理工科工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)Pro/E教學(xué)問(wèn)題及對(duì)策

■田朋飛

隨著3D技術(shù)的應(yīng)用和推廣，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在很多行業(yè)都大顯身手。對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)的學(xué)生，軟件的使用是幫助學(xué)生展示創(chuàng)意，進(jìn)行交流的有效工具。本文結(jié)合在3D軟件Pro/E教學(xué)過(guò)程中經(jīng)驗(yàn)，探討了教學(xué)過(guò)程中遇到的問(wèn)題及對(duì)策，為3D應(yīng)用軟件教學(xué)提供思路。

國(guó)際工業(yè)設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)聯(lián)合會(huì)（ICSID）在1980年第11次年會(huì)上對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)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(shí)、經(jīng)驗(yàn)及視覺(jué)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(jì)?！笨蓪⑵浞譃槿齻€(gè)領(lǐng)域，即視覺(jué)傳達(dá)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和環(huán)境設(shè)計(jì)。對(duì)于理工類工業(yè)設(shè)計(jì)而言，主要涉及的內(nèi)容為產(chǎn)品設(shè)計(jì)，也稱之為工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)。

一、理工科工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生特點(diǎn)及軟件課程開(kāi)設(shè)

理工科工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生都是參加全國(guó)統(tǒng)一高考的理工類考生，并且在入學(xué)時(shí)沒(méi)有多少美術(shù)基礎(chǔ)，就整體而言，學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)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(duì)專業(yè)課的理解需要一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程?？v觀高校工業(yè)設(shè)計(jì)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(shí)，在設(shè)計(jì)表達(dá)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(huà)出符合自己設(shè)計(jì)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(dá)。對(duì)于這種現(xiàn)狀，可以加強(qiáng)對(duì)學(xué)生專業(yè)知識(shí)的教育，也可以通過(guò)三維軟件課程學(xué)習(xí)進(jìn)行一定的彌補(bǔ)。

工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生在畢業(yè)時(shí)至少應(yīng)該熟練掌握4門(mén)設(shè)計(jì)軟件，其中平面的2個(gè)，Photoshop和Coreldraw為代表；三維設(shè)計(jì)軟件也有兩種，以3ds Max和Pro/Engineer為代表，但由于學(xué)校開(kāi)設(shè)課程學(xué)時(shí)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(shí)，沒(méi)有任何參數(shù)化建模的概念和經(jīng)驗(yàn)，涉及的知識(shí)都是從零開(kāi)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(shí)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(jiàn)的機(jī)械建模，曲面知識(shí)涉及少之又少，即便是學(xué)生有好的創(chuàng)意和構(gòu)思，通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件也無(wú)法完成設(shè)計(jì)建模，阻礙了其設(shè)計(jì)交流。所以為了更好的讓學(xué)生表現(xiàn)其設(shè)計(jì)構(gòu)思，進(jìn)行設(shè)計(jì)交流，本文以Pro/Engineer軟件為平臺(tái)，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(jì)的需要，為其他三維設(shè)計(jì)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(jì)和分析能力

在國(guó)際工業(yè)設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)關(guān)于工業(yè)設(shè)計(jì)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(jì)的前提，說(shuō)明了工業(yè)設(shè)計(jì)的對(duì)象應(yīng)該是機(jī)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(shí)、經(jīng)驗(yàn)及視覺(jué)感受，則是工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生應(yīng)該具備的知識(shí)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(jì)的核心。針對(duì)理工科工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生特點(diǎn)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(shí)例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明理工類工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生如何有效的進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)，并對(duì)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(jì)制造的可行性。

（一）曲線連續(xù)性及四邊構(gòu)面

在進(jìn)行曲面設(shè)計(jì)之前，首先要對(duì)曲線的連續(xù)性進(jìn)行了解和掌握，因?yàn)楦哔|(zhì)量的曲面設(shè)計(jì)離不開(kāi)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(diǎn)重合（如圖1所示）；G1連接，兩條曲線端點(diǎn)重合且端點(diǎn)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(jì)中，曲線間連續(xù)質(zhì)量達(dá)到G1連續(xù)即可滿足設(shè)計(jì)要求。

在曲面設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般采用不相切的四邊構(gòu)建曲面，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)碰到一些三邊面，這種方法構(gòu)建的曲面會(huì)產(chǎn)生收斂點(diǎn)，在這個(gè)收斂的位置經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生設(shè)計(jì)失敗，為了提高設(shè)計(jì)成功的幾率，通常在設(shè)計(jì)實(shí)踐中都是破三為四，通過(guò)曲面的剪裁，使之成為四邊面，在通過(guò)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(jì)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(jì)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(shí)時(shí)檢查曲面質(zhì)量，通過(guò)編輯曲線來(lái)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(jì)提供了一種有效的方法，大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)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?yàn)橹挥蠫1連接的曲線才能構(gòu)建G1連接的光順曲面。

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

（3）對(duì)曲面進(jìn)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(jì)質(zhì)量。

（4）通過(guò)Boundary Blend命令實(shí)現(xiàn)四邊面的構(gòu)建，同時(shí)設(shè)置新構(gòu)建曲面的邊界條件，與父曲面相切，同時(shí)為了保證最終鏡像曲面相切，其他的邊界條件設(shè)置與對(duì)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(jī)把手曲面造型如圖9所示。

（6）對(duì)主體和把手曲面進(jìn)行裁剪，最終效果如圖10所示

（7）在本設(shè)計(jì)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(duì)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(guò)Boundary Blend命令實(shí)現(xiàn)四邊面的構(gòu)建，同時(shí)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(shí)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(duì)稱平面垂直或法向。最終完成過(guò)渡曲面的構(gòu)建。如圖12所示。

（9）通過(guò)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(jì)，需要對(duì)曲面進(jìn)行檢測(cè)，如果曲面不光順，可能無(wú)法加厚成實(shí)體，所以曲面的光順度的檢測(cè)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中常用到的曲面質(zhì)量檢測(cè)方法，通常都是斑馬線檢測(cè)，如果檢測(cè)得到的不同連接曲面中斑馬線條紋精確對(duì)齊，則表示曲面在連接處相切，曲面質(zhì)量比較高，可以進(jìn)行加厚等實(shí)體操作，為后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成功奠定一定的基礎(chǔ)，最終檢測(cè)結(jié)果如圖14所示，斑馬線完全對(duì)齊，曲面質(zhì)量較高。

三、結(jié)語(yǔ)

由于很多院校課程設(shè)置和培養(yǎng)計(jì)劃中關(guān)于軟件設(shè)計(jì)課程學(xué)時(shí)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(wú)法充分的對(duì)自己的設(shè)計(jì)創(chuàng)意和構(gòu)思進(jìn)行表達(dá)和交流。本文特別介紹了三維設(shè)計(jì)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(shí)，以電吹風(fēng)造型為實(shí)例，講解了構(gòu)建高質(zhì)量的曲面的詳細(xì)過(guò)程和設(shè)計(jì)思路，特別是過(guò)渡曲面的構(gòu)建過(guò)程和思路。希望能對(duì)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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