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工業產品的設計包含了工程設計與工業設計兩大方面的設計內容。目前產品的設計都普遍使用了CAD技術,利圖1工業產品的設計流程用CAD可以很好地整合工程設計與工業設計。從圖1所示的設計流程來看,形態設計占據著一個重要的位置。產品的形態對結構、功能、宜人性、美觀性及產品的生產制造等方面都有重大的影響,而且要經過多次的評價和反復修改,因此如何能夠快速、準確、真實地建立產品的三維模型是產品設計中的一個重要問題。

1復雜形態建模方法比較

產品形態的建模與機械設計的建模相比,最大的區別是機械設計中零件形態以標準解析形態(如柱面、球面、錐面等)為主,而產品形態設計中復雜的自由曲面形態占據主要的地位。標準解析形態用許多設計軟件所具有的體素造型方法就能滿足要求,而復雜曲面的建模則是一個相當復雜的問題,首先復雜的曲面不可能用幾個基本的尺寸就確定下來,也不能用幾個視圖的投影形態來確定;其次復雜曲面的建模需要使用大量的計算機輔助幾何設計知識和建模技巧。從目前的國內外研究情況來看,各種高端軟件中都不同程度地提供了自由形態建模的造型工具,最為典型的方法有以下幾種:(1)面片建模。通過把曲面分解成大量的面片(平面或曲面)來表示自由復雜形態,通過修改面片及其控制頂點的空間位置和控制矢量來改變形體的外觀。(2)網格建模。將所要建立的模型劃分為網格,在表面曲率變化越大的地方網格劃分就越細,同時根據不同的要求改變網格密度。網格形體分為形體、網格表面、網線、網格點,四個層次的子物體,用戶可根據需要在任一層次上進行修改,從而改變整體的形狀。(3)樣條建模方法。可細分為Bezier,B樣條和NURBS(Non-UniformRationalB-Spline,即非均勻有理B樣條)方法。其中NURBS方法是目前功能最強、造型能力最好,又最易于修改的自由曲面建模方法。在1991年國際標準化組織頒布的STEP標準中,NURBS被確定為工業產品造型設計的標準方法。目前的高級三維設計軟件中都不同程度地支持這種建模方法。NURBS曲線的數學方程為C(u)=∑ni=0Ni,p(u)ωiPi∑ni=0Ni,p(u)ωiaub式中:Pi是控制頂點;ωi為相應的權重;Ni,p(u)為定義在節點矢量u上的p階B樣條基函數。NURBS方法主要具有如下幾個優點:①統一表示了標準解析形狀和自由形狀;②具有B樣條、Bezier的所有優點,如局部性、凸包性、變差減少性、仿射不變性等;③權重ωi的引入,在形狀控制方面有了更大的靈活性。

2工作平臺的選擇

進行三維形態的設計的最佳硬件、軟件平面臺是使用工作站系統。工作站具備圖形設計必備的高速計算和高質量畫質的特點,工作站上的軟件擁有最強大的復雜形態造型功能,并能輕易整合CAD、CAE、NC,是產品設計的理解工作平臺。典型的工作站設計系統配置為:SGI的OC-TANE工作站加MAYA及PRO-ENGCNEER軟件。要配置一套較為完善的工作站系統,至少需要十幾萬美元,這是一般的中小企業和研究機構難以承受的。目前我國大量的CAD設計平臺還在微機上,并已有了大量的研究及應用成果。微機具有投資小,靈活多變,便于升級的特點,近年來的發展非常迅速,只要我們對市場有清楚的了解并且合理配置,是可用較少的投入取得較好的工作環境。現在如果選用雙CPU主板配以兩塊PⅢ500,512MB內存,加上ELSAGloriaSynergy顯卡、17"SONY特麗瓏顯示器,投入不足2萬元人民幣,即可獲得近似工作站級的性能。微機平臺的三維設計軟件要數3DSTUDIOMAX最為流行了,它是一個運行于NT環境下的面向對象的多線程、可充分發揮對稱多處理器和任意網絡渲染能力的強大軟件。3DSMAX中加入了NURBS模塊,且具備良好的開放性,并在3.0版后可利用世界頂級渲染器——智能圖像公司的MentalRay進行著色,使該軟件的綜合能力有了大大增強。但是3DSMAX也存在許多不足,對于產品設計而言,這些不足主要體現在:①軟件的建模精度不夠高;②其NURBS造型能力比其它優秀軟件來說還不夠強大;③在3DSMAX中用NURBS建模時,軟件的運行速度會下降許多,當你要做更為復雜的產品模型時,這種現象更為明顯。另一套完全基于NURBS的純造型軟件Rhinoceros(又稱RHINO3D)是PC機上功能強勁的建模工具,其設計團體是原來的AliasDesignStudio的程序設計師,其Be-ta測試版歷經一年半的網上自由測試,是有史以來最嚴格的自由測試軟件。Rhinoceros的界面和使用方法與Auto-CAD極為相似,且對系統要求不高,最新的2.0版售價僅為799美元。該軟件建模功能強大,支持大量的數據文件格式(如:*.igs,*.dwg,*.dxf,*.stl,*.3ds,*.obj,*.wrl,*.rib等),與其它軟件交換數據非常方便,能方便地整合3DSTUDIOMAX的建模部分,非常適合于要求精度高且復雜的產品三維造型,因此可把之作為3DSMAX建模的一個有力補充。

3典型工作流程

基于以上的討論,我們提出了一個進行工業產品復雜形態設計的典型工作流程:(1)首先在Rhinoceros中用其強大的NURBS造型工具對復雜的、主要的形態進行設計。(2)將Rhinoceros中做好的的模型以IGES或3DS格式導入到3DSTUDIOMAX中。(3)利用3DSTUDIOMAX中體素、面片、網格等方法中進行輔助形態的建模。(4)設定產品各部分的材質、定義環境等真實感計算所需參數。(5)渲染效果并進行真實感顯示。以下,我們以汽車車輪的設計為例,簡述整個過程:圖2輪轂斷面曲線圖3輪轂內部孔洞形狀曲線(1)首先在Rhinoceros中創建輪轂斷面曲線及內部孔洞形狀曲線(如圖2、3);(2)創建輪轂的NURBS曲面;(3)將內孔形狀投影到曲面上,并修剪曲面(如圖4);(4)利用Rhinoceros強大的曲面編輯工具制作內孔過渡曲面、螺釘孔及倒角曲面(如圖5);圖6完整的車輪模型(5)將所得輪轂形狀以IGES格式輸入3DSMAX中;(6)在3DSMAX中制作車胎、螺釘、碟剎等輔助部件;圖7最終渲染效果(7)設定車輪各部份的材質(如圖6)。在車輪轂部分使用了光線跟蹤材質,它能逼真地模擬金屬物體表面反射周圍環境的特性,產生很強的金屬感;在輪胎部份,使用輪胎防滑花紋作凸凹貼圖,模擬輪胎表面細膩的紋理;(8)渲染生成最終效果(可利用MENTALRAY如圖7所示)。

4結束語

工業產品的設計中,如何精確、快速地進行復雜三維形態的建模及真實感顯示一直是設計人員需解決的重要問題。我們在長期的設計及教學實踐中,使用了多種形態設計方法和途徑,經過不斷的比較和篩選,提出了上述方法。實踐證明,這是一種投資少,能很好滿足產品設計中精確建模及快速真實感顯示要求的方法,且經濟、實用、有效,有較好的應用前景和推廣價值。