工业设计的新产品三维模型开发研究

【摘要】阐述从产品工业设计到产品三维实体模型的开发过程。以三维设计软件PRO/E为工具，以电视机遥控器为例，采用“自顶向下”的建模策略，先总体后细节，在考虑实际加工的情况下，对外观设计、结构设计、结构分析等各方面进行研究，该方法可为手机、鼠标、玩具等新产品开发提供很好的借鉴和参考价值。

【关键字】三维建模；自顶向下；产品开发

【中图分类号】TP391【文献识别码】A【文章编号】2095-3518（2016）02-94-03

【作者简介】张振扬（1975－），男，广西平南人，硕士，讲师，工程师，研究方向：产品逆向设计与制造，模具设计与制造

根据产品正向设计的基本流程，新产品的开发一般先由工业设计师根据产品设计要求绘制整体外形效果图，再由结构设计师进行三维CAD模型的创建，最后进行工程图绘制及加工出模试制。产品的CAD模型的创建，是新产品开发的重点及难点，它不仅需要最大程度的获取设计师意图，并要结合实际加工情况，对各结构细节进行设计完善、以便能使后续的制造生产顺利进行。由于一般的工业设计产品存在装配关系，故采用“自顶向下”的建模策略可以更方便地管理设计信息，使各配合件的结构关系统一流动，以防止装配中出现结构冲突。文中对如何进行整体外观设计、结构设计、结构分析等几方面进行了论述，并就各环节出现的设计关键要点进行分析总结，这将对很多工业设计产品的新产品开发起到很好的借鉴作用。

1产品整体外观设计

1.1创建草图

产品整体外观建模通常依赖于工业设计效果图，需先在软件中导入产品三个方向的视图图片。值得注意的是，由于三视图存在对应的投影关系，因此图片导入后必须保证对应的位置关系。可以利用坐标系的旋转和移动来调整图片的准确方位。否则，后续的线条绘制将会出现偏差，导致建模难度增加。图片导入完成后。即可创建草图，对图片进行描线，俗称“抄图”。描线是获取工业设计师设计意图的重要途径，需要尽量精准。先对主要视图进行描线，从俯视图可看出，该遥控器为对称体，为保证对称，通常只需描绘最大轮廓线条的一半即可，另一半直接使用“镜像”命令创建。同时观察发现，某些圆弧可用两条线之间倒圆角绘制，这样得到的圆弧是最准确的。在抄图过程中，一般应先把线条的位置和形状约束设置好，再进行尺寸标注。由于图片造型是没有尺寸参数的，很多时候是需要手动将线条拖动到精准位置处。由于形状相同的结构，利用“阵列”命令复制即可。对于侧视图的抄图，要注意考虑的是，一般为方便产品出模，侧面线条一般都有拔模斜度，但是这样设计会导致产品侧面会有尖锐的棱线，此时用圆弧来代替侧面斜线，通过调整圆弧形状，既可保证有拔模倾斜度，又避免了直棱线的带来的尖利效果。创建左视图草图时，由于两端截面一大一小，需要创建两个截面，因此截面的位置选择很重要。截面位置最好设置在引导线条节点处，这样绘制后续曲面不容易发生变形。同时注意在绘制线条时，为保证各视图线条相交，在画线前，最好先把交点提取出来。

1.2创建整体外观曲面

从侧视图看出，顶部是有弧度的曲面，在上节抄图时，绘制了一根引导线和截面线，故此处考虑用“扫掠”命令构建顶部曲面，顶部部分曲面可以直接用“面倒圆”的命令进行创建效率更高，圆角半径可通过测量草图中的圆弧尺寸来获得，之后利用“缝合”、“抽壳”等命令创建出上盖实体。由于上下盖之间有严格的配合关系，在装配设计中，需建立装配组件之间的产品关联性。为保证装配关系，对于遥控器下盖的创建采用“自顶向下”的建模策略，也就是在装配关系中进行产品构建，使各装配组件尺寸和位置相关，防止尺寸配合不对，装配位置干涉等情况发生[1]，具体做法是：在装配关系中新建新组件“下盖”，利用“几何链接器”将上下盖之间进行有配合关系的几何线条从上盖中提取出来，保持关联。下盖的外形曲面相对复杂，需要分区创建，可用“网格曲面”命令创建曲面。值得注意的是，在构建前后部分的曲面时，只有三条线段，这样构建的网格面一般称为“三角面”，这样的面会在某尖点处产生收敛，曲面质量差。所以通常需要对三角面进行处理。具体做法为：对原三角面在点收敛的那部分曲面进行裁剪，再构建四边网格面进行修补。这样可保证整个曲面质量好，光顺流畅。最后将曲面转化为实体，至此，遥控器整体外观形状实体建模完成。

2结构设计

外形设计完成后进入到复杂的结构设计环节，作为塑胶产品的遥控器结构设计包含了凹凸止口、扣位、按键、电池箱盖、骨位、贴纸位等结构。篇幅有限，仅做部分论述。

2.1扣位设计

遥控器上下盖配合一般可以通过拧螺丝或扣位来实现固定。扣位是塑料件常见的装配固定方式，是通过外力使塑胶材料发生塑性变形后强行把扣位扣进装配位置，来实现两个零件的固定[2]。在创建扣位前要先设计凹凸止口，在止口上创建扣位，止口的作用就是限位，而扣位的作用是锁紧。一般情况，上盖做凸止口，下盖做凹止口，方便装配。因为止口形状与盖体轮廓相同，所以可以直接选取上盖轮廓线进行偏置并拉伸可创建上盖凸止口，止口宽度一般要比盖体壁厚小，高度要根据产品特点来设置，因为止口高度决定了装配的流畅度。为保证配合关联性，下盖的凹止口还是继续使用“几何链接器”提取出上盖的止口轮廓线，再拉伸求差成型。止口的设计要点在于，凹凸止口配合不会直接面贴面，配合面之间应余留一个0.1或0.2的间隙空间。这时利用“偏置面”命令可以很方便的将面进行移动修改，再拉伸求差创建出下盖的凹止口。同时上下盖的止口都应有个0.5的微小拔模角度，方便装配和模具脱模。遥控器上下盖的扣位为内部倒扣，这种内扣位的塑胶件一般无法从模具中直接取出，要用斜顶，也就是“斜销”，斜着向前推进来使产品卡扣的位置脱离塑胶的内部接触，使产品能顺利取出。扣位的尺寸公差在设计时要特别注意，设置不当容易发生装配过松或过紧的现象。应留有合适的变形空间让扣位有变形能力以保证装配过程中不会损坏，所以在设计扣位时，扣位的侧面必须保留一定的配合间隙，以保证能顺利压入。同时对扣位导入边要进行圆角处理，以方便拆卸。对于上下配合的塑胶产品一般都会做个假止口，也叫“美工线”。结构上看就是一种窄浅的槽缝，一般用于上下盖配合的分型面中，由于塑胶材料的特性，每一个注塑件都会有一定的变形，无法保证产品的两半壳在分型面处完全贴合，为减少变形的累积误差，添加美工线可以使配合间隙变得不明显，美化外观，同时方便喷漆，强化视觉效果等作用，根据不同壁厚，美工线的尺寸也随之不同。美工线建模方法相对简单，直接抽取壳体轮廓线拉伸求差出槽缝即可。

2.2软按键设计

软按键建模方法较为简单，利用拉伸成型即可。但是也有一些建模技巧。首先，软胶和硬胶配合要有虚位，即间隙。可直接提取按键孔的轮廓线向内偏置0.3毫米，再拉伸。对于按键的拉伸高度要值得注意，因为上盖顶面为曲面，不是平面，所以不能直接给定某个拉伸数值。可以利用拉伸选项里的“直至延伸”，选择上盖顶部曲面，使每个按键的拉伸到曲面停止，这时所有的按键高度与上盖顶面曲面平齐，再利用“偏置曲面”让按键高出顶面两毫米，这样的操作方法可以保证不同位置的按键的顶部和外壳顶部曲面形状一致。如果直接采用数值拉伸，所有按键顶部为同一水平面，效果不好。因为按键数量多，可以用“阵列”命令进行复制，为方便操作，可以把按键有关的建模特征如拉伸、偏置面、圆角利用“组”命令组合为一个特征，方便选取。

2.3骨位设计

由于软胶按键强度不足，需要添加骨位支撑，骨位即加强筋，起到连接和加强产品强度的作用。由于骨位一般是薄而高的实体特征。所以在建模技巧中，不用画整个完整轮廓，通常绘制出单根骨位轮廓线条，在拉伸中利用“双侧偏置”选项，即可快速拉伸出实体特征，提升建模效率。设计骨位时，要注意骨位位置的摆放，针对该软胶按键来说，应尽量放在每两个按键之间的中间位置，可保证受力均匀。线条位置尺寸没必要标注，直接利用经验，手动拖动线条到合适位置即可。所有骨位最好绘制放在同一个草图中，如果需要修改，直接右键点击“编辑参数”进行修改，没必要创建多个草图特征，因为骨位的线条和形状都简单，创建特征太多，不利于模型管理，特别如果是大型设计，多一个特征，都会使电脑系统反应变慢。

3产品制造可行性分析

进行产品分析，旨在对其制造可行性进行分析。该电视机遥控器材料为ABS，需要用到注塑模具出模，前期分析时应打开零件工程图查看具体的技术要求、如材料、尺寸、颜色、公差等，判断产品要开几套模，一套模里面开哪些产品，开多少个等。然后再打开零件三维图，查看具体结构，从厚度、拔模角度、分型线、斜顶、前后模面、进胶、模具排位、锁模力估算等方面进行分析讨论，发现不合理的结构要及时跟客户反馈并改善，使产品在保证功能完整的同时应具备良好的制造可行性。篇幅有限，仅对产品分析做部分论述。从结构方面看，遥控器上盖内的BOSS柱较高，周边没有设置加强筋，容易发生断裂，建议增加筋位，改善后的结构。下盖的某个扣位设计在骨位旁，不好做斜顶。建议将此处的扣位移动位置，避开骨位，方便顶出，改善后。对遥控器下盖做厚度分析，发现在几处厚度过厚，厚度过厚，容易发生缩水现象，建议减薄胶位。在做拔模分析时，图中绿色面均单边拔模0.5度，圆圈标记的结构拔模角度为0，所以不拔模。

4结论

从以上论述可看出，产品设计也是一个复杂的决策过程，在反复迭代的过程中找寻问题的优化。设计的初期由工业设计师对设计要求进行识别，决定产品的基本特征和主要框架。然后由结构设计师给出产品的详细描述，结构设计是产品设计最复杂的一个工作环节，结构设计必须基于对机械、塑胶件、钣金、和压铸等零件设计的熟识，掌握相关材料、模具表面处理等工艺知识才能实现。熟练软件操作，获取建模技巧，可以大大提高建模效率。软件的应用必须和设计工艺相结合，才是一个完整的设计。篇幅有限，文章只阐述了实体模型的创建，对于面向制造的设计，还应对产品零件进行工程制图绘制、模具2D排位、模流分析、分模设计以及数控编程刀路创建等制造环节，才构成了从概念设计到产品制造的完整流程。

参考文献

[1]刘钊,付亮,何玉玲.PRO/E自顶向下方法在复杂机械设计中的应用[J].机械设计与研究,2011,(5):87-89.

[2]丁艳茹.基于PROE的塑料模具的设计[J].价值工程,2012,(34):45-46.

作者：张振扬 李华川 陈晓云 单位：广西机电职业技术学院