理工科工业设计专业Pro/E教学问题及对策

■田朋飞

随着3D技术的应用和推广，计算机辅助设计在很多行业都大显身手。对于工业设计专业的学生，软件的使用是帮助学生展示创意，进行交流的有效工具。本文结合在3D软件Pro/E教学过程中经验，探讨了教学过程中遇到的问题及对策，为3D应用软件教学提供思路。

国际工业设计协会联合会（ICSID）在1980年第11次年会上对工业设计的定义为：“就批量生产的产品而言，凭借训练、技术知识、经验及视觉感受而赋予材料、结构、形态、色彩、表面加工以及装饰以新的品质和资格，叫做工业设计。”可将其分为三个领域，即视觉传达设计、产品设计和环境设计。对于理工类工业设计而言，主要涉及的内容为产品设计，也称之为工业产品造型设计。

一、理工科工业设计专业学生特点及软件课程开设

理工科工业设计专业学生都是参加全国统一高考的理工类考生，并且在入学时没有多少美术基础，就整体而言，学生对设计对象的造型、色彩、光影等特征的观察和感知能力与高考艺术类学生相比有较大的差距，对专业课的理解需要一个漫长的过程。纵观高校工业设计专业学生现状，大一涉及的专业课有限，且很多理工科院校人才培养方案偏向于基础课程的学习，导致学生专业基础不扎实，在设计表达方面存在严重的障碍，有部分学生到了大三或者大四仍然不能画出符合自己设计意图的产品手绘草图，或者草图细节不能顺畅的表达。对于这种现状，可以加强对学生专业知识的教育，也可以通过三维软件课程学习进行一定的弥补。

工业设计专业学生在毕业时至少应该熟练掌握4门设计软件，其中平面的2个，Photoshop和Coreldraw为代表；三维设计软件也有两种，以3ds Max和Pro/Engineer为代表，但由于学校开设课程学时的限制，平面软件的学习基本可以保证质量的完成相应的教学任务，但是作为三维软件，其系统比较庞大，要深入学习的东西很多，以Pro/Engineer为例，学生在学习此软件时，没有任何参数化建模的概念和经验，涉及的知识都是从零开始，一步步熟悉软件界面、基本命令及相关设置等等。在正常的教学学时内学生只能完成一些基本的三维建模，而且涉及到的建模都是一些常见的机械建模，曲面知识涉及少之又少，即便是学生有好的创意和构思，通过三维设计软件也无法完成设计建模，阻碍了其设计交流。所以为了更好的让学生表现其设计构思，进行设计交流，本文以Pro/Engineer软件为平台，以电吹风曲面为例，详细的介绍如何构建高质量的曲面，满足设计的需要，为其他三维设计软件教学提供一定的参考。

二、理工科学生应具备的3D软件设计和分析能力

在国际工业设计协会关于工业设计的定义论述中，就批量生产的产品而言，是工业设计的前提，说明了工业设计的对象应该是机器化条件下大批量生产的产品；凭借训练、技术知识、经验及视觉感受，则是工业设计专业学生应该具备的知识构架和体系；而赋予材料、结构、形态、色彩、表面加工以及装饰以新的品质和资格，是工业设计的核心。针对理工科工业设计专业学生特点及软件教学要求，本文将以Pro/Engineer软件中的ISDX模块为基础,以电吹风曲面建模为实例来详细说明理工类工业设计专业学生如何有效的进行工业产品造型设计，并对产品建模曲面做相应的分析，以保证曲面形态能够有设计制造的可行性。

（一）曲线连续性及四边构面

在进行曲面设计之前，首先要对曲线的连续性进行了解和掌握，因为高质量的曲面设计离不开高质量的曲线，关于曲线的连续性一般分为三种；G0连接，两条曲线的端点重合（如图1所示）；G1连接，两条曲线端点重合且端点处曲线的切线方向一致（如图2所示）；G2连接，在G1连接的基础上，曲率连续（如图3所示）。在一般的工业产品造型设计中，曲线间连续质量达到G1连续即可满足设计要求。

在曲面设计过程中，一般采用不相切的四边构建曲面，在实际的设计过程中经常会碰到一些三边面，这种方法构建的曲面会产生收敛点，在这个收敛的位置经常会产生设计失败，为了提高设计成功的几率，通常在设计实践中都是破三为四，通过曲面的剪裁，使之成为四边面，在通过四边构建高质量的曲面。

（二）电吹风曲面的构建

ISDX模块是Pro/Engineer软件中的自由曲面模块，即交互式曲面设计模块。它有着自由形状曲线和曲面建模功能，是一种一体化的建模方法。将参数式设计与自由曲线曲面造型完美结合，可以自由创建和修改曲线（曲线包括自由曲线、平面曲线及COS曲线）、曲面，具有高度的互用性和灵活性，并能实时检查曲面质量，通过编辑曲线来调节曲面。这种基于特征参数化建模设想和建立任意形状曲面模型的能力，为曲面设计提供了一种有效的方法，大大缩短了产品设计的周期。

（1）在ISDX中构建电吹风造型轮廓

如图4所示，由6条平面曲线构建的电吹风造型轮廓，其中相连接的位置都为G1连接，因为只有G1连接的曲线才能构建G1连接的光顺曲面。

（2）通过使用Var Sect Sweep命令扫出吹风机主体曲面，如图6示。

（3）对曲面进行剪裁，最终效果如图7所示，其目的是为了构建四边面，为提高曲面设计质量。

（4）通过Boundary Blend命令实现四边面的构建，同时设置新构建曲面的边界条件，与父曲面相切，同时为了保证最终镜像曲面相切，其他的边界条件设置与对称平面垂直或法向。效果如图8所示。

（5）用同样的方法构建吹风机把手曲面造型如图9所示。

（6）对主体和把手曲面进行裁剪，最终效果如图10所示

（7）在本设计中最为重要的就是中间连接曲面的构建，首先需要构建造型ISDX曲线，且设置曲线对应的边界条件，如图11中所示的红色曲线边界分别设置曲面相切和曲线相切，其他两条同样的设置条件。

（8）通过Boundary Blend命令实现四边面的构建，同时设置新构建曲面的边界条件，与把手和主体曲面设置曲面相切，同时为了保证最终镜像曲面相切，其他两条边界条件设置与对称平面垂直或法向。最终完成过渡曲面的构建。如图12所示。

（9）通过曲面合并、镜像等最终完成的电吹风造型如图13所示。

（10）为了后续的产品设计，需要对曲面进行检测，如果曲面不光顺，可能无法加厚成实体，所以曲面的光顺度的检测是产品设计中常用到的曲面质量检测方法，通常都是斑马线检测，如果检测得到的不同连接曲面中斑马线条纹精确对齐，则表示曲面在连接处相切，曲面质量比较高，可以进行加厚等实体操作，为后续产品设计的成功奠定一定的基础，最终检测结果如图14所示，斑马线完全对齐，曲面质量较高。

三、结语

由于很多院校课程设置和培养计划中关于软件设计课程学时的限制，导致很多学生在软件学习结束后，利用所学的软件技能、建模水平无法充分的对自己的设计创意和构思进行表达和交流。本文特别介绍了三维设计软件Pro/Engineer中ISDX自由曲面造型模块和曲面、曲线构建的基本数学理论和数学知识，以电吹风造型为实例，讲解了构建高质量的曲面的详细过程和设计思路，特别是过渡曲面的构建过程和思路。希望能对高校软件教学和学生自学起到抛砖引玉的作用。

[1]张琳,张峻霞.工科类工业设计教学的再思考[J].中国校外教育,2009（5）.

[3]米宝山,赵秀芳,徐建.基于ISDX的产品曲面形态的塑造[J].机械工程与自动化,2009（1）.