工业设计中的高质量曲面设计

蒋青谷

（桂林广陆数字测控股份有限公司，广西桂林 541004）

当今社会人们的消费水平日益提高，对消费品的要求也越来越高，品质好外观时尚的商品，会更多地受到消费者的青睐。产品在市场竞争中，其功能与外观同样重要，某些产品其外观可能在市场竞争中更加有竞争优势。

1 曲面品质描述

一般意义上的产品曲面品质，是指曲面本身是否光顺，曲面间的连接是否是光顺。

物理定义曲面品质最高为A级曲面，A级曲面是必须满足相邻曲面间之间隙在0.005mm以下（大品牌汽车厂甚至要求到0.001mm），切率改变(Tangency Change)在0.16°以下，曲率改变（Curvature Change）在0.005°以下，符合这样的标准，才能确保曲面通过高光测试。

1.1 A级曲面条件描述

（1）一般A级曲面的阶次与控制点数目都不多，UV方向大概在6～8个控制点；

（2）单独一个A级曲面，在UV方向必须都保证曲率的连续性及变化趋势的一致性；

（3）A级曲面之间的连接，至少满足切向曲率连续；

（4）使用多种数学检验方法来检验A级曲面，不应该出现视觉上的瑕疵。

1.2 曲面质量等级

如图1所示。

图1 曲面质量状态和表现

（1）点连续（G0连续）在每个表面上生产一次独立反射，反射线成间断分布；

（2）切线连续（G1连续）将生产一次完整的表面反射，反射线连续但呈现折痕扭曲状；

（3）曲率连续（G2连续）将生产横过所有边界的完整的和光滑的反射线；

由上可知，A级曲面必须是G2以上连接。

2 高质量曲面构建原则

产品曲面创建时，应尽可能以整体来进行，先不考虑具体的零部件的拆分，将整个产品外形曲面视为由一组互相连续的曲面片构成的壳体，在保证各曲面片的曲面质量及拼接曲面的曲面质量的情况下，再详细考虑产品的细节特征及表现形式。由曲线为基础构建曲面时，在保证曲线高质量的同时务必要简洁。

3 曲面构建

先构建组成基本形体的大面，大面很难一次性准确构建到位，通常需要在后续的构建过程中进行调整，所以对构建大面的要求是快速、完整和方便后续调整，如果在某个细节上扣的太细，那么很可能在发现整体关系要调整时全部推翻以前的工作。

现以手提电脑正上方曲面为实例，予以说明（如图2）。

3.1 a侧为切线连续（G1连续）曲面的构建

（1）第一步——主体大面构建；

（2）第二步——细节曲面之曲线构建时，BC曲线在B点与AB曲线切点连续，C点为接顺BC曲线曲率的自由曲率状态；DE曲线在D点与平面P切点连续，E点为接顺DE曲线曲率的自由曲率状态；FG曲线在F点与平面P切点连续，G点为接顺FG曲线曲率的自由曲率状态。

（3）第三步——细节曲面构建时曲面P1与平面P连接关系为切线连续；曲面P2与平面P连接关系为切线连续；曲面P3与曲面P1、曲面P2、平面P连接关系为切线连续。

图2 曲面构建方式对比和曲面质量表现对比

3.2 b侧为曲率连续（G2连续）曲面的构建

（1）第一步——主体大面构建；

（2）第二步——细节曲面之曲线构建时，BC曲线在B点与AB曲线曲率连续，C点为接顺BC曲线曲率的自由曲率状态；DE曲线在D点与平面P曲率连续，E点为接顺DE曲线曲率的自由曲率状态；FG曲线在F点与平面P曲率连续，G点为接顺FG曲线曲率的自由曲率状态。

（3）第三步——细节曲面构建时，曲面P1与平面P连接关系为曲率连续；曲面P2与平面P连接关系为曲率连续；曲面P3与曲面P1、曲面P2、平面P连接关系为曲率连续。

3.3 曲面构建效果的目测区别

以上两种效果的曲面构建，步骤完全一样，但构建完成的曲面效果，目测可以看出有少许的区别（目测区别在于光影变化的光顺程度），在高光检测结果对比中，我们可以更清楚地看到：

（1）G1连续的斑马纹的连接处（即曲面连接处）是扭曲或起折痕的。

（2）G2连续的斑马纹的连接处（即曲面连接处）是光顺的，间隙是均匀的。

4 曲面特征的高光表现

手提电脑正上方曲面如图3。曲面特征的高光表现，可以直接反映出不同品质曲面给我们带来不同的视觉感受。

图3 a侧图片的反光光带缓慢过渡，层次丰富，一侧在最亮的地方陡然截止，另外一侧就是阴暗面，形成亮丽的分割线，给我们的感觉是漂亮。

图3 b侧图片的反光高光带较为聚集，过渡区域狭窄、复杂，相对而言就远不如a侧图片漂亮了。

图3 曲面特征的高光表现

在我们看汽车展或消费电子展的时候，都会有眼前一亮的感觉，特别是在看到一些大品牌的产品时，那是因为曲面的光影效果给视觉的美好感受。高质量的曲面设计，其目的就是为了获得这种给视觉美好感受的光影效果，光影效果表现就在于曲面。

对于同样功能的产品，有时即使价格会贵些，许多消费者也会趋向选择外观时尚、漂亮的产品，这是因为爱美之心人皆有之。

5 曲面质量检查及调整

在产品外观曲面构建的过程中，我们不可能一次性的把曲面构建到理想的效果，所以需要不断对曲面进行检查和调整，特别是在全正向设计的过程中。

设计初稿通过评审后的工作流程，一般都是把设计细化和优化，把曲面调整到最佳的视觉效果。现在的3D设计软件，一般都可以把最终的产品效果模拟出来。在曲面构建的过程中，应结合软件的检查分析工具，以便把曲面品质调整到最佳视觉效果。

如图2中的实例，如果检查结果不理想，则需要返回到第二步或第三步对曲线或曲面进行调整；当然本文的实例简单了些，其目的是为了说明问题，再怎么复杂的外观面，也是这样由一系列互相连续的曲面片构成的。

6 结束语

近年来，产品外观越来越受到消费者的关注，尤其以电子消费品和交通工具方面特别突出。随着人们消费水平的提高，价廉物美，价廉不再是决定性的首要问题，物美越来越更为人们所青睐。

本文通过笔记本电脑外壳实例，阐述了如何通过工业设计软件设计出高品质曲面。使工业产品在市场竞争中更具竞争力。希望通过本文给从事工业设计人员提高对高品质曲面的认识带来帮助，共同设计出更多更好的工业设计产品。

[1]林清安.Pro/ENGINEERWildfire 2.0零件设计高级篇（上）[M].北京：清华大学出版社，2006.

[2]单 岩，谢龙汉.CATIA V5自由曲面造型[M].北京：清华大学出版社，2004.

[3]王行凯，程惠琴.工业设计[M].南宁：广西美术出版社，2006.