理工科工業設計專業Pro/E教學問題及對策

■田朋飛

隨著3D技術的應用和推廣，計算機輔助設計在很多行業都大顯身手。對于工業設計專業的學生，軟件的使用是幫助學生展示創意，進行交流的有效工具。本文結合在3D軟件Pro/E教學過程中經驗，探討了教學過程中遇到的問題及對策，為3D應用軟件教學提供思路。

國際工業設計協會聯合會（ICSID）在1980年第11次年會上對工業設計的定義為：“就批量生產的產品而言，憑借訓練、技術知識、經驗及視覺感受而賦予材料、結構、形態、色彩、表面加工以及裝飾以新的品質和資格，叫做工業設計。”可將其分為三個領域，即視覺傳達設計、產品設計和環境設計。對于理工類工業設計而言，主要涉及的內容為產品設計，也稱之為工業產品造型設計。

一、理工科工業設計專業學生特點及軟件課程開設

理工科工業設計專業學生都是參加全國統一高考的理工類考生，并且在入學時沒有多少美術基礎，就整體而言，學生對設計對象的造型、色彩、光影等特征的觀察和感知能力與高考藝術類學生相比有較大的差距，對專業課的理解需要一個漫長的過程。縱觀高校工業設計專業學生現狀，大一涉及的專業課有限，且很多理工科院校人才培養方案偏向于基礎課程的學習，導致學生專業基礎不扎實，在設計表達方面存在嚴重的障礙，有部分學生到了大三或者大四仍然不能畫出符合自己設計意圖的產品手繪草圖，或者草圖細節不能順暢的表達。對于這種現狀，可以加強對學生專業知識的教育，也可以通過三維軟件課程學習進行一定的彌補。

工業設計專業學生在畢業時至少應該熟練掌握4門設計軟件，其中平面的2個，Photoshop和Coreldraw為代表；三維設計軟件也有兩種，以3ds Max和Pro/Engineer為代表，但由于學校開設課程學時的限制，平面軟件的學習基本可以保證質量的完成相應的教學任務，但是作為三維軟件，其系統比較龐大，要深入學習的東西很多，以Pro/Engineer為例，學生在學習此軟件時，沒有任何參數化建模的概念和經驗，涉及的知識都是從零開始，一步步熟悉軟件界面、基本命令及相關設置等等。在正常的教學學時內學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的機械建模，曲面知識涉及少之又少，即便是學生有好的創意和構思，通過三維設計軟件也無法完成設計建模，阻礙了其設計交流。所以為了更好的讓學生表現其設計構思，進行設計交流，本文以Pro/Engineer軟件為平臺，以電吹風曲面為例，詳細的介紹如何構建高質量的曲面，滿足設計的需要，為其他三維設計軟件教學提供一定的參考。

二、理工科學生應具備的3D軟件設計和分析能力

在國際工業設計協會關于工業設計的定義論述中，就批量生產的產品而言，是工業設計的前提，說明了工業設計的對象應該是機器化條件下大批量生產的產品；憑借訓練、技術知識、經驗及視覺感受，則是工業設計專業學生應該具備的知識構架和體系；而賦予材料、結構、形態、色彩、表面加工以及裝飾以新的品質和資格，是工業設計的核心。針對理工科工業設計專業學生特點及軟件教學要求，本文將以Pro/Engineer軟件中的ISDX模塊為基礎,以電吹風曲面建模為實例來詳細說明理工類工業設計專業學生如何有效的進行工業產品造型設計，并對產品建模曲面做相應的分析，以保證曲面形態能夠有設計制造的可行性。

（一）曲線連續性及四邊構面

在進行曲面設計之前，首先要對曲線的連續性進行了解和掌握，因為高質量的曲面設計離不開高質量的曲線，關于曲線的連續性一般分為三種；G0連接，兩條曲線的端點重合（如圖1所示）；G1連接，兩條曲線端點重合且端點處曲線的切線方向一致（如圖2所示）；G2連接，在G1連接的基礎上，曲率連續（如圖3所示）。在一般的工業產品造型設計中，曲線間連續質量達到G1連續即可滿足設計要求。

在曲面設計過程中，一般采用不相切的四邊構建曲面，在實際的設計過程中經常會碰到一些三邊面，這種方法構建的曲面會產生收斂點，在這個收斂的位置經常會產生設計失敗，為了提高設計成功的幾率，通常在設計實踐中都是破三為四，通過曲面的剪裁，使之成為四邊面，在通過四邊構建高質量的曲面。

（二）電吹風曲面的構建

ISDX模塊是Pro/Engineer軟件中的自由曲面模塊，即交互式曲面設計模塊。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。將參數式設計與自由曲線曲面造型完美結合，可以自由創建和修改曲線（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，并能實時檢查曲面質量，通過編輯曲線來調節曲面。這種基于特征參數化建模設想和建立任意形狀曲面模型的能力，為曲面設計提供了一種有效的方法，大大縮短了產品設計的周期。

（1）在ISDX中構建電吹風造型輪廓

如圖4所示，由6條平面曲線構建的電吹風造型輪廓，其中相連接的位置都為G1連接，因為只有G1連接的曲線才能構建G1連接的光順曲面。

（2）通過使用Var Sect Sweep命令掃出吹風機主體曲面，如圖6示。

（3）對曲面進行剪裁，最終效果如圖7所示，其目的是為了構建四邊面，為提高曲面設計質量。

（4）通過Boundary Blend命令實現四邊面的構建，同時設置新構建曲面的邊界條件，與父曲面相切，同時為了保證最終鏡像曲面相切，其他的邊界條件設置與對稱平面垂直或法向。效果如圖8所示。

（5）用同樣的方法構建吹風機把手曲面造型如圖9所示。

（6）對主體和把手曲面進行裁剪，最終效果如圖10所示

（7）在本設計中最為重要的就是中間連接曲面的構建，首先需要構建造型ISDX曲線，且設置曲線對應的邊界條件，如圖11中所示的紅色曲線邊界分別設置曲面相切和曲線相切，其他兩條同樣的設置條件。

（8）通過Boundary Blend命令實現四邊面的構建，同時設置新構建曲面的邊界條件，與把手和主體曲面設置曲面相切，同時為了保證最終鏡像曲面相切，其他兩條邊界條件設置與對稱平面垂直或法向。最終完成過渡曲面的構建。如圖12所示。

（9）通過曲面合并、鏡像等最終完成的電吹風造型如圖13所示。

（10）為了后續的產品設計，需要對曲面進行檢測，如果曲面不光順，可能無法加厚成實體，所以曲面的光順度的檢測是產品設計中常用到的曲面質量檢測方法，通常都是斑馬線檢測，如果檢測得到的不同連接曲面中斑馬線條紋精確對齊，則表示曲面在連接處相切，曲面質量比較高，可以進行加厚等實體操作，為后續產品設計的成功奠定一定的基礎，最終檢測結果如圖14所示，斑馬線完全對齊，曲面質量較高。

三、結語

由于很多院校課程設置和培養計劃中關于軟件設計課程學時的限制，導致很多學生在軟件學習結束后，利用所學的軟件技能、建模水平無法充分的對自己的設計創意和構思進行表達和交流。本文特別介紹了三維設計軟件Pro/Engineer中ISDX自由曲面造型模塊和曲面、曲線構建的基本數學理論和數學知識，以電吹風造型為實例，講解了構建高質量的曲面的詳細過程和設計思路，特別是過渡曲面的構建過程和思路。希望能對高校軟件教學和學生自學起到拋磚引玉的作用。

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