基于PROE的单人漫步机造型设计

1、摘 要本文以健身器材中的单人漫步机为研究对象，从健身器材的研究现状与发展趋势出发，阐明对健身器材的研究意义。接着介绍pro/e建模的基础知识包括建模方法及建模思路，为实体建模打下基础。实体建模中从零件建模出发，绘制出单人漫步机的相关零件图及整体装配图。最后进行造型设计分析，其中包括结构分析，尺寸和比例分析，线形组织分析，材质分析，人机协调性分析，接着阐述结论并做出未来展望。关键词：pro/e,单人漫步机，造型设计分析abstractin this article take fitness equipments single strolls machine as the object of st

2、udy, embarks from the fitness equipments research present situation and the trend of development, expounds to the fitness equipments research significance. then introduced that the pro/e modelling the elementary knowledge including the modelling method and the modelling mentality, builds the foundat

3、ion for the entity modelling. in the entity modelling embarks from the components modelling, draws up the single strolls machine the related detail drawing and the overall assembly drawing. finally carries on the modelling project analysis, including the structure analysis, the size and the proporti

4、on analysis, the linear organization analysis, the material quality analysis, the man-machine coordination analysis, then elaborated that the conclusion and will make forecasts in the future.keywords: pro/e, the single strolls machine, modelling project analysis1绪论1.1研究背景随着我国人民生活水平的日益提高和居家条件的逐步改善，人们

5、对体育健身的需求越来越强烈。近年来出现的高科技新材料用于健身器材的制造中,显示出的巨大优越性主要是质轻、坚硬、耐磨损、耐腐蚀、弹性好。新材料主要有碳纤维复合材料、工程陶瓷及稀有金属复合材料。健身器材中的跑步机、划船器、健身车、按摩椅、太空漫步机、登山训练器、各种球棒、水上和冰上运动器材的新材料比例都在逐渐增加。新技术的应用，使健身器材发生了革命性的变化。例如，美国市场最近出现了一种新型健身器械。这种器械带有音响的闪烁指示灯，能在人锻炼的不同阶段发出声光提示，并显示出锻炼者设定的程序和图像，屏幕还具有先进的画中画功能。在新工艺方面创新结构创新工艺的健身器材更具有生命力。健身运动的发展，运动训练水

6、平与人类身体素质的不断提高，促进了健身器材广泛的适用性与功能的针对性更有机的结合。我国的健身器材起步较晚，发展较快，取得了很大的成绩。在新的世纪里，我国正在由体育大国向体育强国的目标前进，作为服务于大众的健身器材必须有更大的发展。目前，我国的健身器材与世界先进国家相比，还有较大的差距。要加强学科研究，要采用高新技术来加快我国健身器材的发展速度，争取在不长的时间内，使我国的健身器材立于世界强国之林。1.2研究现状与发展趋势健身器材经历了由简单到复杂，由单一到多样，科技含量不断增加的发展过程。现代健身器材已不再是机械零件的简单组合，而是集电子、机械、光电、传感技术、计算机技术及自动控制技术等多学科

7、知识于一体的新型运动器材。近年来，世界上出现了先进的健身器材迅速发展和激烈竞争的趋势。这种趋势体现在以下三个方面：(1) 多学科知识更紧密的应用于健身器材的设计与研制；(2) 新材料，新技术，新工艺应用于健身器材的速度加快；(3) 健身器材广泛的适用性与功能的针对性更有机地结合。同时还出现了高科技新材料用于健身器材的制造，显示出的巨大优越性，主要是质轻、坚硬、耐磨损、耐腐蚀、弹性好。1.3研究意义全民健身计划是一项利国利民，功在当代，福荫子孙的宏伟工程。健身器材是全民健身的重要基础环节，加速完善健身器材市场，对于推动全民健身的实施有非常重要的意义。全民健身在一些发达国家开展较早，关于健身器材的

8、研究已形成多层次、多档次、 全方位的市场体系，借鉴国外先进经验，结合我国国情， 建立和完善中国特色的健身器材市场体系是贯彻全民健身的重要课题。随着科学技术的进步、工作节奏的加快以及人们生活水平的提高，人们越来越感到了健康的重要性。健身器这一新兴行业逐渐兴荣起来，同时也面临着十分激烈的市场竞争。由于健身器材的自身特点(除具备健身的物质功能以外，还应具备装饰生活环境，体现生活品位的精神功能)，所以国内外市场对其造型设计提出了较高的要求。纯功能性的健身器材已满足不了人们的消费需求，艺术的形态、人性化的设计已成为大众首选的时尚。21 世纪是设计的世纪，健身器材的生产企业已清楚的认识到良好的产品造型设计

9、可以提高企业的市场竞争能力，因为它可以创造产品的个性，提升品牌的价值，同时也可以激发使用者的锻炼热情和美化生活空间，因此，企业努力美化和改善自己产品的造型，提高产品的艺术美感。1.4研究对象与内容1.4.1研究对象名 称：单人漫步器使用方法：站在脚板上，双手握紧横杆，双腿呈行走姿势前后摆动。功能说明：增强心肺功能及下肢，腰部肌肉力量；改善下肢柔润性和协调能力。提高下肢各关节的稳定性，对腰肌劳损、髋关节酸痛，下肢活动障碍，肌肉萎缩等有康复作用。图1为单人漫步器的实体模型。图1单人漫步机1.4.2研究内容本文以健身器材中的单人漫步机为例，依据造型设计理论及现代cad软件pro/engineer的强

10、大功能，进行3d建模，模型分析，实现单人漫步机的造型优化设计，功能测试，使得单人漫步机的功能从细节上得到细化，在未批量生产前就达到预期功能的效果。2 pro/engineer的功能介绍2.1引言pro/e是全方位的3d产品开发软件包，和相关软件pro/desinger（造型设计），pro/mechanica（功能仿真），集合了零件设计、产品装配、模具开发、加工制造、钣金件设计、铸造件设计、工业设计、逆向工程、自动测量、机构分析、有限元分析、产品数据库管理等功能，从而使用户缩短了产品开发的时间并简化了开发的流程；国际上有27000多企业采用了pro/engineer软件系统，作为企业的标准软件进

11、行产品设计。2.2建模初步作为一个功能强大的设计软件，与其他的设计软件相比，pro/engineer有自己的建模方式和自己的一些定义，因此，有必要了解和掌握该软件的建模原理和基本概念。也只有理解了其建模原理与基本概念，才能利用它去实现模型的设计意图。本节将就这些内容展开全面的讨论，目的是掌握pro/engineer的建模原理和基本概念，以便于更好、更快地创建和处理模型。2.3建模方法及基本概念从目前大多数的计算机辅助绘图软件的工作方式来看，建模方法主要有3中形式：线框形式、三位曲面形式和实体模型形式。(1)线框形式：这种形式用线条搭建三维几何模型，但不包含任何的表面积、体积等信息。例如auto

12、cad中的三维线框模型。(2)三维曲面形式：这种形式能够建立具有一定轮廓的几何外形，但是只相当于物体表面的表皮，不具备质量信息。例如3ds max中的三维曲面。(3)实体模型形式：这种形式是真正意义上的几何形体，不仅有“表”（即外形），而具有“里”（即质量），“表”“里”如一，能完整地定义三维实体。pro/engineer就是采用这样的形式。pro/engineer是一个实体建模器，它将模型建立成实体，并允许在三维的环境中进行设计。用pro/engineer建立的模型具有表面积和体积，因此可直接由创建的几何模型计算出质量特征。在介绍pro/engineer的强大功能之前，先介绍3个基本概念：特

13、征、关联和参数化。2.3.1特征特征在pro/engineer中是一个非常重要的概念，因为所有的操作都是围绕着特征来完成的。特征是指所有的实体、嵌片和对象等，是构成零件的最基本部分。pro/engineer是一个基于特征的实体模型。改变与特征相关的形状或位置定义，就可以改变与模型相关的形位关系。2.3.2关联pro/engineer采用单一数据库管理，不论零件还是装配件，都共享同一数据库，并且使用数据库关联方法。所谓关联就是在任意层面上更改设计，系统会自动在所有层面上作相应的改动。比如，将某个零件进行修改（修改操作包括修改尺寸参数、添加特征和删除特征等），并且保存，那么所有包括此零件的模型也会

14、相应地进行变化。所有的这些关联变化都是自动进行的，其实质就是使用单一数据库管理机制。2.3.3参数化pro/engineer是一个参数化系统。所谓参数化是将模型的所有尺寸定义为参数形式。系统默认的参数名字是d#，其中“#”是尺寸标注的流水号。系统默认的参数名字是可以进行修改的。当修改参数的值时，在保持模型的拓扑关系不变的情况下，模型的几何大小和相对比例将随着参数的改变而变化。可以定义参数之间的相互关系，这样就会使得特征之间存在相依关系。当修改某一单独特征的数值时，会牵动其他与之存在相依关系的特征进行变更，这样就能保证整体的设计意图。当某一特征参考到其他特征时，特征之间便产生关系，即所谓的父/子

15、关系。通过加入关系式，可以增加特征之间的参数关系。2.3.4建模思路在建模过程中，要养成好的建模习惯，行程明确的建模思路，不能看到什么特征，就建立什么特征。不好的建模习惯不仅影响设计效率，而且使特征之间缺乏关联性，不利于后续的分析操作。这里所说的建模思路并不是唯一的，可根据实际情况在建模过程中灵活掌握。建模的设计准则如下。(1)确定特征的顺序：在模型中，特征的顺序对模型的实现意图影响相当大，同一个模型，由不同的特征顺序生成，产生的结果可能会截然不同。基础特征是考虑的重点，应选择适当的特征作为设计中心。(2)简化特征模型：组成模型的特征要尽量简单化，这样能使修改更为容易。另外，还要充分考虑尺寸参

16、数的控制。(3)建立特征的父/子关系，注重解决特征的关联问题。(4)灵活使用特征复制操作：复制操作会产生一个特征阵列，如果改变其中任意一个特征的参数，系统会自动地反映在其他阵列特征上。具体的建模过程如下。（1）对于要建立模型的零件来说，首先要分析其特征，确定特征的创建 顺序。（2）进入零件设计阶段。（3）创建草绘特征。它是其他特征的父特征。（4）确定参考平面。（5）绘制其他特征。（6）进行必要的标注和尺寸修改。（7）保存。2.4基准平面要创建一个零件模型，必须先创建一个实体特征，用来在模型上定位后续的实体特征。基本特征是定义零件模型需要创建的第1个实体模型。基本特征包括基准轴、基准平面和基准坐

17、标等。本节将介绍基准平面。2.4.1基准平面及其使用如果模型中没有任何特征，选择工具栏中的创建基准平面按钮，系统会自动创建3个相互垂直的基准平面，如图2所示。基准平面是模型中其余部分的基础，后续增加到模型上的特征中的很多或全部参照都依照于基本特征。因此，在创建任何模型时基本特征的选择是非常重要的。一般选择默认基准平面作为基本特征。基准平面是一个无限的、二维的平面参照，它没有任何质量和体积。在pro/engineer中，一个基准平面有俩个侧边：黄色侧边和红色侧边。图2所示为基准平面的一个侧边（红色侧边或黄色侧边，取决于平面被观看的方向）和文字名称（right、top、front）。图2默认基准平

18、面及基准平面的两个侧边选取一个基准平面的方法有以下几种。（1）选取基准的边界。（2）选取基准平面的文字。（3）选择【编辑】|【设置】命令，从弹出的菜单管理器中选择【名称】|【特征】命令，利用弹出的【选取】对话框和智能过滤器选取基准平面的文字名称。（4）从【模型树】窗口中选择基准平面。在将任何实体特征增加到模型前，可以创建3个正交的基准平面，即默认基准平面，作为基本特征，而且必须将它们创建为模型的第一个实体特征。默认基准平面是非常重要的，建议在工作中以默认基准平面作为所有模型的开始。2.4.2创建附加的基准平面可以创建附加的基准平面，以把它作为没有参照特征。模型中已存在特征时，单击工具栏 中的的

19、创建基准平面按钮，弹出如图3所示的【基准平面】对话框，在【参照】中选取基准平面参考的对象。一般需选取多个约束条件进行组合才能创建基准平面。单击【偏移】下拉列表框，将显示可选择的下拉列表，如图（）所示，从中可选取约束条件。基准平面的约束条件分别如下。（1）【穿过】：基准平面穿过所选取的基准点、模型顶点、轴线、实体边、二维曲线、平面或圆柱面。（2）【法向】：基准平面垂直于所选取的轴线、实体边、曲线或曲面。（3）【平行】：基准平面平行于所选取的平面。（4）【偏移】：基准平面相对参照对象偏移一定距离。选择此选项并选取参照时，在【平移】下拉列表框中输入定位尺寸，在参照平面上会出现表示偏移方向的标示箭头。

20、如果输入的值为正，将沿箭头标示的方向偏移：如果输入的值为负，则沿箭头标示的反方向偏移。3实体建模通过第三章的pro/e建模基础介绍，我们对三维实体建模有了一定的认识，本章将通过单人漫步机这一具体实例，对其进行实体建模。其主要依托界面如图4所示：图4设计界面3.1零件建模本文不再一一复述所有零件的建模过程，在下文中简单介绍一个有代表性的实体的建模过程，其中软件环境为pro/engineer wilder教育版。下面以托杆的建模为例讲解建模过程，托杆效果图如图5所示。图5托杆建模过程如下：1）零件分析。模型包括六个特征：基准面right、tip、front、基准坐标系prt_csys_def、拉伸

21、特征、孔特征。2）进入零件设计模式，将文件命名为prt1。具体过程：启动软件点击菜单上【文件】 【新建文件】 文件类型设定为“零件” 子类型设定为“实体” 输入文件名 点击“使用缺省模板” 选取mmns_part_solid 单击“确定” 进入零件设计界面，如图6，7。3）创建与修改零件特征a点击界面右部工具栏中拉伸工具按钮，进入拉伸特征操作板，输入拉伸参数，拉伸深度为40。然后点击草绘工具按钮，系统弹出图8所示的草绘平面选择对话框，选择front面为草绘平面，草绘视图方向为right面，单击“草绘”，进入参照选择对话框9，参照为系统默认状态，单击“关闭”，进入草绘模式。再在草绘模式下绘制图1

22、0所示的截面图，然后退出草绘模式，最后确定图11中拉伸参数，完成基本特征的绘制，如图12所示。图6新建零件图7新文件选项对话框 图8草绘截面图9参照选择对话框图10截面图图11拉伸图12选择平面b创建带有孔特征的突起块具体过程如下：单击按钮 选取front平面为基准平面 进入草绘界面 绘制截面，如图13, 单击确认 鼠标中键。图13孔特征图图14着色后的效果图c生成底板孔选择基体上表面，草绘从拉伸工具中选择通孔按钮，生成效果图，再点击草绘，使用先前的平面，通过边创建图元，弹出类型选项卡，然后退出草图，在拉伸工具中选择草绘，生成两个圆孔，然后在视图中点击颜色和外观，进行着色。效果如图14.3.2

23、绘制其他零件图通过上一节讲述，给出单人漫步机的其他零件结构图。图15螺钉图16踏板图17支架3.3生成装配图pro/engineer是基于特征的参数化实体造型软件，与其他的设计软件相比，该软件除了具有很强的零件设计功能外，还具有较强的零件装配功能。本节将介绍如何将零件图生成装配图。3.3.1装配约束零件之间的设计关系是零件装配的关键，该设计关系将影响整个装配体的结构和功能。在pro/engineer中，零件之间的装配约束关系是实际环境中零件之间的设计关系在虚拟环境中的映射。在pro/engineer中，对应于现实环境的装配情况定义了许多装配约束关系，如匹配、插入等。因此，在pro/engine

24、er中进行零件装配事先必须定义零件之间的装配约束关系。定义装配约束后，系统根据定义的约束关系自动进行零件装配。也就是说，在pro/engineer中的零件装配时通过定义零件模型之间的装配约束关系来实现的。3.3.2装配类型根据零件装配过程中的装配约束的不同可以得到不同的装配类型。在pro/engineer的【元件放置】对话框中可设置零件的装配约束。在【元件放置】对话框的【约束】下拉列表中共列出了9种装配类型，分别是匹配、对齐插入坐标系相切线上点曲面上的点曲面上的边以及自动等。3.3.3 装配图在pro/engineer中生成装配图，如图18所示：图18单人漫步机装配图至此，单人漫步机的设计过程

25、全部完成。接下来就是结合单人漫步机的造型进行分析了。4造型设计分析4.1产品的造型设计理论产品的造型设计是工业设计的一个重要部分，它由形状、色彩、材料、质感等构成，强调整合后整体造型的形象意义，产品既能体现形态、色彩、肌理等视觉和触觉的享受，同时又包容了生产技术、成本经济、结构功能、人体工程和消费心理等很多层面的因素。本文所讨论的产品造型设计是以健身器材中的单人漫步机为对象，从美学、自然科学、经济学等方面出发进行的产品三维空间的造型设计。健身器材与其它工业产品一样也包含着物质功能、技术条件和造型三个基本要素。其物质功能是为满足健身需求而锻炼身体某一器官的功能；技术条件是为实现该物质功能而选用的

26、材料、采用的制造技术和工艺以及智能化机电控制技术。健身器材的造型是综合产品的物质功能和技术条件而体现的精神功能，美化环境、给使用者带来时代的美感。在健身器材产品中，该三要素之间有着相互依存、相互制约和相互渗透的关系。因此,，健身器材的造型设计既要满足物质功能的要求，又要体现精神功能的作用。健身器材的造型设计同其它产品的造型设计一样要遵循四个基本原则：创新、实用、美观、经济。创新是产品设计的灵魂；创新设计为产品增添新的光彩。实用是产品设计的基础；要求设计的健身器材应具有先进和完善的物质功能从而满足广大使用者的实际需要。完成不同物质功能的健身器材具有不同的造型形态。美观是产品设计的艺术体现，健身器

27、材的造型包括形式美、结构美、材质美、工艺美和智能美等。经济是产品设计赖以生存的保障；在造型设计中，要做到物尽其用，工艺合理，避免浪费就是符合了经济原则。4.2健身器材(单人漫步机)造型设计分析单人漫步机是健身器材中档次较高的机械产品。该产品是一种有氧运动器材, 它依靠人体双脚前后蹬踏运转，主要锻炼心肺和下肢功能。单人漫步机物质功能设计上已经比较成熟，很难有较大的改进和提高。在竞争日趋激烈的国内外健身器材市场中，要想使该产品占有较大的市场份额，就必须从产品的造型设计入手，提高产品的精神功能，满足广大消费者的需求。4.2.1结构分析单人漫步机的主要构成部件，包括：螺钉、踏板、托杆、支架等。其中对单

28、人漫步机的外观造型设计影响较大的部件是螺钉、托杆、支架，应作为重点分析研究的对象。4.2.2外观结构上的尺寸和比例分析产品的外观造型设计首先应根据产品的物质功能要求和人、机、环境的协调关系确定产品的外观结构尺寸；然后根据美学要求和技术条件确定各部分的比例关系。为满足漫步机功能的需要，（尺寸）前视整机，宽高之比为0.58，给人稳健俊俏之感；左右结构对称，端庄大方；侧视整机，高长之比为0.7，虽左右结构不对称，但上下结构体量均衡。4.2.3线型组织线型在造型设计中，是最富有情感和表现力的基本要素。单人漫步机是一种通过跑步而获得锻炼的健身器材，因此在单人漫步机造型设计时，必须充分考虑其造型的动感特性

29、。在产品造型设计中通常利用组织线型或体现方向性等手段来达到造型所需动感之美。对于单人漫步机也可以通过以上方法来增加造型上的动感特性。首先，运用了活泼流畅的流线型；立架钢管通过现代弯管工艺加工出优美的流线型造型，其轮廓线为活泼、生动的曲线型。流线型的应用改变了产品呆板、坚硬、冷漠的造型效果，产生生动的、活泼的、富有运动趋势的美感。这种设计使产品造型和产品功能得到了很好的统一。其次，强调机身的水平装饰线；该单人漫步机的下部侧面利用水平装饰线。该装饰线与运动方向一致，体现了速度感、满足了人们的视觉与心理需要。4.2.4材质分析在造型设计中，一定要体现出材质所特有的质地美因素，充分发挥材料本身的艺术表

30、现力。质地美不取决于材质本身的高级和贵重，而在于恰如其分的运用材料。“能唤醒材料自身中处于休眠状态的自然美，把它从潜在形态引向显现形态”，这样不仅增加了产品外观的艺术效果，而且产品内部结构的功能语义，其蕴涵的内容也被体验出来。单人漫步机各主要部件采用的主要材质为：机身和立架的主框架采用普通碳钢管及钢板；扶手套用发泡塑料；主框架采用钢材使整个结构展现出朴素、坚固、挺拔的材质特性，使用者在使用产品时有很强的安全感。 主框架的钢材表面做了烤漆工艺处理，使其表现肌理光滑而不明亮，给人高雅之感。工程塑料的使用，可利用注塑技术使马达盖和显示面板的复杂造型得以实现，并表现出光滑、细腻的材质特性。发泡塑料质感

31、柔软、温暖，给使用者带来亲切感；并且摩擦力大，方便使用。4.2.5人机协调性分析产品造型设计是处理人与物、人与环境之间的关系，追求的是人、产品、环境之间的和谐。只有从“人”的因素出发，了解现代人的切实需要，研究功能的合理性及与环境的谐调性、审美观念上的时代性，才是一个好设计的开端。运用人机工程学原理来分析人机系统的协调性，它可有效的指导产品造型的人性化设计。在造型设计中，用户操作界面力求具有亲和力，强调产品的语意表达，操作更方便，人机系统的协调性分析主要从对显示装置和操作装置的分析入手。4.3分析小结总之，该产品的造型设计在充分实现其物质功能的基础上，全面体现出人性化造型设计内涵。通过流线型和

32、先进加工工艺的运用，使产品外观造型表现出强烈的时尚美。先进的数字信息技术的应用，提高了产品智能美的技术特点，进一步完善了该产品的时代美感。5结束语任何一件产品设计，都须借助物质材料、加工工艺来实现。将设计方案转变为有一定结构、尺寸和表面特征的具有使用和审美价值的物质形态，这是人们有意识地运用科学文化发展的优秀成果，用现代工业化生产工艺将材料转为实用、经济、美观的工业产品的创造性活动。本文以健身器材中较有代表性的单人漫步机为例，运用了现代造型设计理论，从结构的比例尺度、线型组织、材质和人机工程学的角度，较为全面地分析和研究了该产品的造型特点，并提出和应用了智能美的概念，丰富和完善了工业产品造型设计技术美的内容。可以看到，现代健身器已与人们各种生活需求相互渗透，成为未来生活方式系统中的一部分。作为生活方式的创造者，产品造型设计体现了人们对物质和精神的双