數(shù)字化制造背景下Pro/E主導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)探析

楊 明 彥

(渭南師范學(xué)院 傳媒工程學(xué)院，陜西 渭南 714099)

【藝術(shù)研究】

數(shù)字化制造背景下Pro/E主導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)探析

楊 明 彥

(渭南師范學(xué)院 傳媒工程學(xué)院，陜西 渭南 714099)

利用Pro/E軟件進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)已經(jīng)是行業(yè)中的主要方式之一。通過(guò)對(duì)Pro/E軟件參數(shù)化特征建模技術(shù)、三維實(shí)體建模技術(shù)，以及對(duì)其在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的方法、過(guò)程、案例等進(jìn)行分析研究，重點(diǎn)論述在當(dāng)前數(shù)字化制造背景下，Pro/E軟件作為一款產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)軟件在行業(yè)中使用時(shí)所能達(dá)到的設(shè)計(jì)目標(biāo)，利用它進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，既能解決制造中的結(jié)構(gòu)造型，也能完成產(chǎn)品形態(tài)外觀的設(shè)計(jì)。

數(shù)字化制造；三維建模；產(chǎn)品開(kāi)發(fā)；3D打??；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

在數(shù)字化制造背景下，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主導(dǎo)軟件Pro/E已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)普及使用，對(duì)于某項(xiàng)設(shè)計(jì)方案而言，設(shè)計(jì)師利用該軟件可以便捷地進(jìn)行創(chuàng)意造型設(shè)計(jì)、修改、驗(yàn)證和優(yōu)化，使設(shè)計(jì)效果更具實(shí)效性，不但可以提前直觀可視，甚至可以模擬體驗(yàn)。[1]Pro/E軟件作為一款功能強(qiáng)大的3D設(shè)計(jì)軟件，在完成各類(lèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)任務(wù)、設(shè)計(jì)出各類(lèi)“情感”形和“意象”形來(lái)滿足受眾需要的設(shè)計(jì)過(guò)程中，發(fā)揮出了其重要的功用。

一、Pro/E與數(shù)字化制造

(一)操作中的“數(shù)字化”

Pro/E在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)主要通過(guò)參數(shù)化來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)幾何約束和尺寸約束，把握設(shè)計(jì)對(duì)象造型模塊的特征與關(guān)聯(lián)，有效地控制了模型修改的一致性和造型風(fēng)格的統(tǒng)一性。主要有兩種操作類(lèi)型：一是尺寸約束參數(shù)化，對(duì)形狀特征進(jìn)行尺寸約束；二是定位約束參數(shù)化，即對(duì)特征進(jìn)行定位約束。[2]

(二)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造

自從數(shù)字計(jì)算機(jī)在20世紀(jì)40年代誕生以來(lái)，就改變了過(guò)去圖紙、模型式的制造方式，利用CAD、CAM等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)圖紙的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，被稱(chēng)之為數(shù)字化設(shè)計(jì)。隨之，信息集成的數(shù)字化設(shè)計(jì)產(chǎn)品與多功能數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人化的生產(chǎn)制造設(shè)備等信息并聯(lián)，使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能被快速加工成型，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為數(shù)字化制造。數(shù)字化制造實(shí)際上就是在對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化的描述中建立數(shù)字空間，并在其中完成產(chǎn)品制造的過(guò)程。[3]

2014年10月8日中國(guó)新聞網(wǎng)刊載了一條新聞：據(jù)《紐約每日新聞》報(bào)道，世界首款3D打印汽車(chē)終成現(xiàn)實(shí)……它的制作周期為44個(gè)小時(shí)，并且最高時(shí)速可以達(dá)到80公里每小時(shí)[4]，如圖1所示。中國(guó)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟執(zhí)行理事長(zhǎng)羅軍在青島第二屆世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會(huì)發(fā)布會(huì)上表示：“近期，教育部正在制訂方案，讓3D打印機(jī)走進(jìn)學(xué)校，促進(jìn)3D打印教育普及。同時(shí)，科技部、工信部也正在探討3D打印產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題?！盵5]諸多實(shí)例表明，3D打印技術(shù)已然進(jìn)入并應(yīng)用到了生產(chǎn)制造領(lǐng)域。國(guó)務(wù)院參事、科技部原副部長(zhǎng)劉燕華對(duì)相關(guān)媒體也表示，3D打印代表了制造業(yè)的數(shù)字化。

綜上所述，數(shù)字化設(shè)計(jì)已經(jīng)是數(shù)字化制造中的一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，在工業(yè)制造業(yè)的大系統(tǒng)中被稱(chēng)為數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)。Pro/E操作中的“數(shù)字化”主導(dǎo)設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)機(jī)床系統(tǒng)的處理后生成程序段，進(jìn)入機(jī)床成型或3D打印快速成型，即完成了數(shù)字化設(shè)計(jì)制造。

二、Pro/E建模與輔助設(shè)計(jì)

Pro/E作為美國(guó)PTC公司推出的軟件，目前是最普及的三維CAD/CAM/CAE應(yīng)用軟件之一，經(jīng)歷幾十年的發(fā)展，現(xiàn)已成為一個(gè)全方位的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)軟件，集合了眾多強(qiáng)大的功能，如草繪設(shè)計(jì)、產(chǎn)品組件設(shè)計(jì)、產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)等。它將設(shè)計(jì)造型的特征以全參數(shù)化的方式在其三維建模系統(tǒng)之中運(yùn)算，形成了其特有的全參數(shù)化三維建模功能。

利用Pro/E進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)踐時(shí)，常見(jiàn)模型利用軟件自帶的功能即可組合形成，不規(guī)則的或造型較復(fù)雜的造型則需要用二維草繪的方式來(lái)完成，具體是建曲線輪廓，再由曲線輪廓?jiǎng)?chuàng)建曲面，再根據(jù)造型旋轉(zhuǎn)曲面，或切割曲面等方式來(lái)完成；結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的造型，則需要進(jìn)行建模前的結(jié)構(gòu)分析、特征分解等工作，將這些復(fù)雜造型解構(gòu)成為單一的造型，按“零件”來(lái)進(jìn)行造型建模，再分析這些零件間的位置關(guān)聯(lián)關(guān)系，進(jìn)行組裝裝配完成建模工作，最后轉(zhuǎn)化為實(shí)體模型。圖2所示，利用曲線輪廓特征、拉伸、拉伸加厚、實(shí)體切除等方式的油壺模型。

現(xiàn)代制造企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，是產(chǎn)品和設(shè)計(jì)的競(jìng)爭(zhēng)。企業(yè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)越來(lái)越依靠現(xiàn)代化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法和技術(shù)手段?，F(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法是以電子計(jì)算機(jī)為手段，運(yùn)用工程設(shè)計(jì)的新理論和新方法，使計(jì)算結(jié)果達(dá)到最優(yōu)化，使設(shè)計(jì)過(guò)程實(shí)現(xiàn)高效化和自動(dòng)化。[6]以此來(lái)看，行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀使產(chǎn)品設(shè)計(jì)師必須熟練掌握Pro/E等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的能力，便于提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的周期、節(jié)約設(shè)計(jì)成本等。

（2）較大面積蜂窩：先鑿去蜂窩處薄弱松散的混凝土和突出的顆粒，沖洗干凈。用比原混凝土強(qiáng)度等級(jí)高一級(jí)的干硬性砂漿填補(bǔ)，避免因砂漿收縮形成裂縫與原混凝土結(jié)合不緊密。表面用水泥漿（水泥漿內(nèi)摻加純白乳膠漆和少量白水泥）抹平，確保修補(bǔ)材料牢固粘結(jié)，無(wú)明顯痕跡與原混凝土色澤相近。

三、Pro/E設(shè)計(jì)創(chuàng)作與案例展示

當(dāng)前設(shè)計(jì)的理念已逐步從“形式追隨功能”轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸O(shè)計(jì)追隨情感”，產(chǎn)品意象造型設(shè)計(jì)已成為工業(yè)設(shè)計(jì)重要的研究?jī)?nèi)容。[7]Pro/E作為計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件，它在實(shí)踐中拓展了設(shè)計(jì)師的創(chuàng)新思維，提高了設(shè)計(jì)師對(duì)設(shè)計(jì)造型的開(kāi)發(fā)能力。在產(chǎn)品外觀、細(xì)節(jié)、特性以及功能等方面，設(shè)計(jì)師均能利用Pro/E完成外觀模型以及概念設(shè)計(jì)原型的制作。

Pro/E的強(qiáng)大功能是需要設(shè)計(jì)師的“催生”才能發(fā)揮出其超強(qiáng)的設(shè)計(jì)功用。數(shù)字藝術(shù)家肖永亮說(shuō)，他們團(tuán)隊(duì)在做《泰坦尼克號(hào)》電影特技時(shí)，所在公司的硬盤(pán)大小也只有2GB，但作品仍獲得了第71屆奧斯卡金像獎(jiǎng)，這就是說(shuō)，他的團(tuán)隊(duì)能把現(xiàn)有設(shè)備的潛力發(fā)揮到極致。[8]所以，設(shè)計(jì)師需要利用其獨(dú)有的創(chuàng)作造型思維、具備一定的空間設(shè)計(jì)解構(gòu)和組合能力，才能將Pro/E軟件的輔助設(shè)計(jì)作用發(fā)揮到極致，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)意圖。

在進(jìn)行教育部課題“3D打印與數(shù)字化制造背景下的產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究”研究過(guò)程中，科研團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)成果參加由中國(guó)航空學(xué)會(huì)2012年主辦的“‘創(chuàng)新杯’第五屆全國(guó)未來(lái)飛行器設(shè)計(jì)大賽”中，團(tuán)隊(duì)成員李鳳芳主創(chuàng)的作品《“鳳之翼”未來(lái)高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)》獲得了“優(yōu)秀獎(jiǎng)”。[9]如圖3所示的建模圖，該無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)方案，采用大展弦比機(jī)翼，前緣呈弧線狀小角度后掠，無(wú)尾翼布局。機(jī)翼中央部分弦長(zhǎng)較大，機(jī)翼可分為中央翼和外翼兩部分。在中央翼的上部，采用弧形機(jī)翼嵌入，使中央翼和弧形翼之間形成一個(gè)較大的氣流通道。通過(guò)在中央翼上部安裝3個(gè)直徑為1.4m的電機(jī)和螺旋槳，對(duì)通道中的空氣進(jìn)行加速，使飛機(jī)中央翼部分的升力大大提高，以此提升全機(jī)的升力，也能改善飛機(jī)的低速飛行和失速特性。

中央翼和弧形翼的良好氣動(dòng)力布局設(shè)計(jì)，能保證無(wú)人機(jī)的飛行和操縱性能比常規(guī)的直機(jī)翼布局無(wú)人機(jī)大為提高，特別是在縱向的俯仰控制上更具有較大的突破。在縱向的俯仰操控性能上，中央翼和弧形翼的氣流通道，配合中央翼的S型高升低阻翼型，使飛機(jī)具有縱向自穩(wěn)的特征。在中央翼后緣設(shè)置控制面，對(duì)飛機(jī)進(jìn)行操縱，從而不需要設(shè)計(jì)尾翼對(duì)飛機(jī)進(jìn)行安定和控制，大大減小了飛機(jī)的重量，提高了無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)利用率。

從氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)上看，本方案相比于其他布局的高空長(zhǎng)航無(wú)人機(jī)，其氣動(dòng)布局的創(chuàng)新是其總體性能優(yōu)良的最大保證，也為其進(jìn)一步的研究發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。在作品設(shè)計(jì)中，Pro/E軟件作為主創(chuàng)軟件，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)圖、油泥造型局部模擬，最終利用其完成了設(shè)計(jì)建模等，如圖4所示效果。

四、結(jié)語(yǔ)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)從某種程度來(lái)講，橫跨工科(生產(chǎn)制造)和藝術(shù)(外觀形態(tài))兩個(gè)領(lǐng)域。[10]20綜合來(lái)看，Pro/E軟件能將設(shè)計(jì)至生產(chǎn)全過(guò)程集成到一起，讓所有的用戶(hù)能夠同時(shí)進(jìn)行同一產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造工作，即實(shí)現(xiàn)所謂的并行工程[11]，完成產(chǎn)品的數(shù)字化制造設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。同時(shí)，Pro/E軟件也能將設(shè)計(jì)創(chuàng)意中的產(chǎn)品原創(chuàng)“指甲圖”即手繪產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)稿，利用其軟件功能變成模擬造型，完成產(chǎn)品的藝術(shù)外觀設(shè)計(jì)。

[2] 張亞雙，任文濤.基于 Pro/E 的三維參數(shù)化特征建模技術(shù)研究及應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2006,(3):151-153.

[3] 呂琳.數(shù)字化制造技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代零部件,2009,(3):76-79.

[4] 查云帆．首款3D打印汽車(chē)走上街頭[EB/OL].(2014-10-08)[2014-11-12]．http://www.chinanews.com/gj/2014/10-08/6655021.shtml.

[5] 盛勁松．3D打印扶持新政呼之欲出[EB/OL]．(2014-05-07)[2014-11-12].http://stock.eastmoney.com/news/1406,20140507382313953.html.

[6] 劉靜香，張春梅.現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2003,11(2):60-61.

[7] 蘇建寧，王鵬，張書(shū)濤，等．產(chǎn)品意象造型設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)，2013，30(1)：97-100．

[8] 羅維亮，楊崗．傳媒類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的示范性研究[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31(4)：115-117．

[9] 顧振芳．“創(chuàng)新杯”第五屆全國(guó)未來(lái)飛行器設(shè)計(jì)大賽獲獎(jiǎng)名單[EB/OL]．(2012-10-27)[2014-11-12].http://news.stuclub.cn/document/2012/10-27/181043/181043.htm．

[10] 陳曉華．工藝與設(shè)計(jì)之間[M]．重慶：重慶大學(xué)出版社，2007．

[11] 張亞雙，任文濤.基于 Pro/E的三維參數(shù)化特征建模技術(shù)研究及應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2006,(3):151-153.

【責(zé)任編輯 馬 俊】

Pro/E Design Research Based on the Digital Manufacture

YANG Ming-yan

(School of Media and Engineering, Weinan Normal University, Weinan 714099, China)

The product development and design using Pro/E software is one of the main ways of industry. Based on Pro/E software parametric feature modeling technology, 3D entity modeling technology, and the method in the process of product design and development including the methods, the process and case analysis. Under the background of the current digital manufacture, the paper elaborates Pro/E software as a product development design software used in the industry to reach design goal. Making good use of it to carry on the design and development can not only solve the manufacturing structure modelling, also can complete the design of the product form appearance.

digital manufacturing; 3D modeling; product development; 3D printing; computer aided design

TB472

A

1009-5128(2015)05-0090-03

2014-12-10

教育部國(guó)家教師科研“十二五”規(guī)劃重點(diǎn)課題項(xiàng)目：3D打印與數(shù)字化制造背景下的產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究(GSX14012543) ；渭南師范學(xué)院特色學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目：西部文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究(14TSXK09)

楊明彥(1975—)，男，陜西咸陽(yáng)人，渭南師范學(xué)院傳媒工程學(xué)院講師，藝術(shù)學(xué)碩士，主要從事產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、數(shù)字化藝術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用研究。