杨 明 彦

(渭南师范学院 传媒工程学院，陕西 渭南 714099)

【艺术研究】

数字化制造背景下Pro/E主导产品设计探析

杨 明 彦

(渭南师范学院 传媒工程学院，陕西 渭南 714099)

利用Pro/E软件进行产品开发设计已经是行业中的主要方式之一。通过对Pro/E软件参数化特征建模技术、三维实体建模技术，以及对其在产品设计开发中的方法、过程、案例等进行分析研究，重点论述在当前数字化制造背景下，Pro/E软件作为一款产品开发设计软件在行业中使用时所能达到的设计目标，利用它进行设计开发，既能解决制造中的结构造型，也能完成产品形态外观的设计。

数字化制造；三维建模；产品开发；3D打印；计算机辅助设计

在数字化制造背景下，产品设计的主导软件Pro/E已经在行业内普及使用，对于某项设计方案而言，设计师利用该软件可以便捷地进行创意造型设计、修改、验证和优化，使设计效果更具实效性，不但可以提前直观可视，甚至可以模拟体验。[1]Pro/E软件作为一款功能强大的3D设计软件，在完成各类产品设计开发任务、设计出各类“情感”形和“意象”形来满足受众需要的设计过程中，发挥出了其重要的功用。

一、Pro/E与数字化制造

(一)操作中的“数字化”

Pro/E在产品开发设计时主要通过参数化来实现。通过几何约束和尺寸约束，把握设计对象造型模块的特征与关联，有效地控制了模型修改的一致性和造型风格的统一性。主要有两种操作类型：一是尺寸约束参数化，对形状特征进行尺寸约束；二是定位约束参数化，即对特征进行定位约束。[2]

(二)数字化设计制造

自从数字计算机在20世纪40年代诞生以来，就改变了过去图纸、模型式的制造方式，利用CAD、CAM等技术，实现了无图纸的计算机辅助设计，被称之为数字化设计。随之，信息集成的数字化设计产品与多功能数控机床、机器人化的生产制造设备等信息并联，使设计的产品能被快速加工成型，这个过程被称为数字化制造。数字化制造实际上就是在对制造过程进行数字化的描述中建立数字空间，并在其中完成产品制造的过程。[3]

2014年10月8日中国新闻网刊载了一条新闻：据《纽约每日新闻》报道，世界首款3D打印汽车终成现实……它的制作周期为44个小时，并且最高时速可以达到80公里每小时[4]，如图1所示。中国3D打印技术产业联盟执行理事长罗军在青岛第二届世界3D打印技术产业大会发布会上表示：“近期，教育部正在制订方案，让3D打印机走进学校，促进3D打印教育普及。同时，科技部、工信部也正在探讨3D打印产业化问题。”[5]诸多实例表明，3D打印技术已然进入并应用到了生产制造领域。国务院参事、科技部原副部长刘燕华对相关媒体也表示，3D打印代表了制造业的数字化。

综上所述，数字化设计已经是数字化制造中的一个设计环节，在工业制造业的大系统中被称为数字化设计制造技术。Pro/E操作中的“数字化”主导设计经过机床系统的处理后生成程序段，进入机床成型或3D打印快速成型，即完成了数字化设计制造。

二、Pro/E建模与辅助设计

Pro/E作为美国PTC公司推出的软件，目前是最普及的三维CAD/CAM/CAE应用软件之一，经历几十年的发展，现已成为一个全方位的产品开发软件，集合了众多强大的功能，如草绘设计、产品组件设计、产品造型设计等。它将设计造型的特征以全参数化的方式在其三维建模系统之中运算，形成了其特有的全参数化三维建模功能。

利用Pro/E进行设计实践时，常见模型利用软件自带的功能即可组合形成，不规则的或造型较复杂的造型则需要用二维草绘的方式来完成，具体是建曲线轮廓，再由曲线轮廓创建曲面，再根据造型旋转曲面，或切割曲面等方式来完成；结构更复杂的造型，则需要进行建模前的结构分析、特征分解等工作，将这些复杂造型解构成为单一的造型，按“零件”来进行造型建模，再分析这些零件间的位置关联关系，进行组装装配完成建模工作，最后转化为实体模型。图2所示，利用曲线轮廓特征、拉伸、拉伸加厚、实体切除等方式的油壶模型。

现代制造企业的竞争，是产品和设计的竞争。企业产品的开发越来越依靠现代化的产品设计方法和技术手段。现代产品设计方法是以电子计算机为手段，运用工程设计的新理论和新方法，使计算结果达到最优化，使设计过程实现高效化和自动化。[6]以此来看，行业发展的现状使产品设计师必须熟练掌握Pro/E等计算机辅助设计的能力，便于提高产品设计开发的周期、节约设计成本等。

（2）较大面积蜂窝：先凿去蜂窝处薄弱松散的混凝土和突出的颗粒，冲洗干净。用比原混凝土强度等级高一级的干硬性砂浆填补，避免因砂浆收缩形成裂缝与原混凝土结合不紧密。表面用水泥浆（水泥浆内掺加纯白乳胶漆和少量白水泥）抹平，确保修补材料牢固粘结，无明显痕迹与原混凝土色泽相近。

三、Pro/E设计创作与案例展示

当前设计的理念已逐步从“形式追随功能”转变为“设计追随情感”，产品意象造型设计已成为工业设计重要的研究内容。[7]Pro/E作为计算机辅助产品设计软件，它在实践中拓展了设计师的创新思维，提高了设计师对设计造型的开发能力。在产品外观、细节、特性以及功能等方面，设计师均能利用Pro/E完成外观模型以及概念设计原型的制作。

Pro/E的强大功能是需要设计师的“催生”才能发挥出其超强的设计功用。数字艺术家肖永亮说，他们团队在做《泰坦尼克号》电影特技时，所在公司的硬盘大小也只有2GB，但作品仍获得了第71届奥斯卡金像奖，这就是说，他的团队能把现有设备的潜力发挥到极致。[8]所以，设计师需要利用其独有的创作造型思维、具备一定的空间设计解构和组合能力，才能将Pro/E软件的辅助设计作用发挥到极致，达到预期的设计意图。

在进行教育部课题“3D打印与数字化制造背景下的产品设计研究”研究过程中，科研团队的一项成果参加由中国航空学会2012年主办的“‘创新杯’第五届全国未来飞行器设计大赛”中，团队成员李凤芳主创的作品《“凤之翼”未来高空长航时无人机设计》获得了“优秀奖”。[9]如图3所示的建模图，该无人机设计方案，采用大展弦比机翼，前缘呈弧线状小角度后掠，无尾翼布局。机翼中央部分弦长较大，机翼可分为中央翼和外翼两部分。在中央翼的上部，采用弧形机翼嵌入，使中央翼和弧形翼之间形成一个较大的气流通道。通过在中央翼上部安装3个直径为1.4m的电机和螺旋桨，对通道中的空气进行加速，使飞机中央翼部分的升力大大提高，以此提升全机的升力，也能改善飞机的低速飞行和失速特性。

中央翼和弧形翼的良好气动力布局设计，能保证无人机的飞行和操纵性能比常规的直机翼布局无人机大为提高，特别是在纵向的俯仰控制上更具有较大的突破。在纵向的俯仰操控性能上，中央翼和弧形翼的气流通道，配合中央翼的S型高升低阻翼型，使飞机具有纵向自稳的特征。在中央翼后缘设置控制面，对飞机进行操纵，从而不需要设计尾翼对飞机进行安定和控制，大大减小了飞机的重量，提高了无人机的结构利用率。

从气动布局设计上看，本方案相比于其他布局的高空长航无人机，其气动布局的创新是其总体性能优良的最大保证，也为其进一步的研究发展打下了良好的基础。在作品设计中，Pro/E软件作为主创软件，经过设计图、油泥造型局部模拟，最终利用其完成了设计建模等，如图4所示效果。

四、结语

产品设计从某种程度来讲，横跨工科(生产制造)和艺术(外观形态)两个领域。[10]20综合来看，Pro/E软件能将设计至生产全过程集成到一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程[11]，完成产品的数字化制造设计环节。同时，Pro/E软件也能将设计创意中的产品原创“指甲图”即手绘产品造型设计稿，利用其软件功能变成模拟造型，完成产品的艺术外观设计。

[2] 张亚双，任文涛.基于 Pro/E 的三维参数化特征建模技术研究及应用[J].农机化研究，2006,(3):151-153.

[3] 吕琳.数字化制造技术国内外发展研究现状[J].现代零部件,2009,(3):76-79.

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

[5] 盛劲松．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] 刘静香，张春梅.现代设计方法的研究现状与发展趋势[J].河南机电高等专科学校学报，2003,11(2):60-61.

[7] 苏建宁，王鹏，张书涛，等．产品意象造型设计关键技术研究进展[J]．机械设计，2013，30(1)：97-100．

[8] 罗维亮，杨岗．传媒类实验教学示范中心的示范性研究[J]．实验技术与管理，2014，31(4)：115-117．

[9] 顾振芳．“创新杯”第五届全国未来飞行器设计大赛获奖名单[EB/OL]．(2012-10-27)[2014-11-12].http://news.stuclub.cn/document/2012/10-27/181043/181043.htm．

[10] 陈晓华．工艺与设计之间[M]．重庆：重庆大学出版社，2007．

[11] 张亚双，任文涛.基于 Pro/E的三维参数化特征建模技术研究及应用[J].农机化研究，2006,(3):151-153.

【责任编辑 马 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

教育部国家教师科研“十二五”规划重点课题项目：3D打印与数字化制造背景下的产品设计研究(GSX14012543) ；渭南师范学院特色学科建设项目：西部文化创意产业发展研究(14TSXK09)

杨明彦(1975—)，男，陕西咸阳人，渭南师范学院传媒工程学院讲师，艺术学硕士，主要从事产品开发、数字化艺术设计应用研究。