利用快速原型制造技術(shù)加速產(chǎn)品概念設(shè)計進程

陳友良 黃玉清

（1、中國中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院，天津300250 2、北京國家知識產(chǎn)權(quán)局專利審查協(xié)作中心，北京100000）

1 概述

概念設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計中最關(guān)鍵、最復(fù)雜、最具綜合性、決定性和和創(chuàng)造性的階段，其重要性體現(xiàn)在兩個方面：首先概念設(shè)計階段在很大程度上決定著最終產(chǎn)品的性能、創(chuàng)造性、價格、市場響應(yīng)速度和效率等，此外，據(jù)有關(guān)資料顯示，雖然概念設(shè)計階段實際投入的費用只占產(chǎn)品開發(fā)總成本的5%，卻決定了產(chǎn)品總成本的70%。而且詳細設(shè)計階段很難甚至不能糾正概念設(shè)計階段的設(shè)計缺陷和錯誤，它嚴(yán)重影響到產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)。

快速成型是利用材料堆積法制造實物產(chǎn)品的一項高新技術(shù)。它能根據(jù)產(chǎn)品的三維模型數(shù)據(jù)，不借助其他工具設(shè)備，迅速而精確地制造出該產(chǎn)品，集中體現(xiàn)了計算機輔助設(shè)計、數(shù)控、激光加工、新材料開發(fā)等多學(xué)科、多技術(shù)的綜合應(yīng)用。傳統(tǒng)的零件制造過程往往需要車、鉗、銑、刨、磨等多種機加工設(shè)備和各種工裝、模具，成本既高又費時間。一個比較復(fù)雜的零件，其加工周期甚至以月計，很難適應(yīng)低成本、高效率的要求?？焖俪尚湍軌蜻m應(yīng)這種要求，因此是現(xiàn)代制造技術(shù)的一次重大變革。

為此本文提出將快速成型技術(shù)與機械產(chǎn)品的概念設(shè)計結(jié)合起來，在產(chǎn)品的設(shè)計初期的概念設(shè)計階段就能夠在盡可能少的時間內(nèi)得到產(chǎn)品的雛形，將大大有利于對方案進行驗證和改進，并產(chǎn)生更合理方案。這些無疑將大大減少產(chǎn)品在后續(xù)的設(shè)計階段存在的缺陷，使整個設(shè)計過程更加趨向合理。

2 產(chǎn)品的概念設(shè)計方法

2.1 產(chǎn)品設(shè)計的設(shè)計程序

關(guān)于產(chǎn)品的設(shè)計過程和模型國內(nèi)外已經(jīng)有很多的論述，文獻[3]將其歸納為主要的三種方法：一是Pahl和Beitz認(rèn)為：機械設(shè)計分為明確任務(wù)、概念設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和施工設(shè)計等四個階段。二是Koller認(rèn)為：機械設(shè)計分為產(chǎn)品規(guī)劃、功能設(shè)計、定性設(shè)計和定量設(shè)計等四個階段。三是鄒慧君教授提出：機械設(shè)計分為產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計、詳細設(shè)計和改進設(shè)計等四個階段。并提出在產(chǎn)品的設(shè)計的過程中主要重視的是功能和定性設(shè)計。

2.2 產(chǎn)品的概念設(shè)計方法

產(chǎn)品的設(shè)計過程可以概括為兩步，即：概念設(shè)計和構(gòu)型設(shè)計。而其中概念設(shè)計的目的是制定出方案。當(dāng)前，關(guān)于產(chǎn)品的設(shè)計方法和概念設(shè)計方法已有很多種，當(dāng)工程師面對一項計劃時，經(jīng)驗是產(chǎn)生概念設(shè)計的最佳方法。沒有經(jīng)驗的工程師可以從傳統(tǒng)的理性化方法出發(fā)來解決問題，如利用在表一種所列出的方法。盡管關(guān)于應(yīng)用于方法概念設(shè)計的方法眾多，這些方法大多是理性化的方法。

3 計算機輔助概念設(shè)計

近年來，隨著計算機圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展以及CAD/CAM應(yīng)用的深入，現(xiàn)代產(chǎn)品概念設(shè)計理論與技術(shù)的研究有了長足的進步。計算機輔助概念設(shè)計(computeraided conceptual design,CACD)已成為CAD/CAM和CIMS領(lǐng)域的一個研究熱點。

CACD是CAD領(lǐng)域的一個重要分支。它涉及設(shè)計方法學(xué)、人機工程學(xué)、人工智能技術(shù)、CAD技術(shù)以及認(rèn)知與思維科學(xué)。CACD系統(tǒng)是一種輔助性的設(shè)計工具，隨著功能的逐步強大，它必然越來越受到概念設(shè)計師的歡迎，而在概念設(shè)計過程中最終替代傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)雖能產(chǎn)生復(fù)雜、精確和完整的三維造型，但由于其本身并不是為概念設(shè)計而開發(fā)的，同時缺乏設(shè)計方法學(xué)的支持，沒有體現(xiàn)概念設(shè)計的創(chuàng)造性過程。另外，它存在許多約束限制，不允許快速輸入和再現(xiàn)不完備的概念造型，從而導(dǎo)致其基本上是一個在設(shè)計方案基本定型之后的概念化（草圖化）繪圖工具，而非輔助設(shè)計工具。針對上述情況，產(chǎn)生了CACD系統(tǒng)。其根本目的就在于能有效支持產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計。

目前，世界上大型的CAD/CAM/CAE軟件系 統(tǒng)，如Pro/Engineer、EDSUnigraphics、EUCLID、Autodesk、Solidworks、Alias、Softimage等，都提供了有關(guān)產(chǎn)品早期設(shè)計的系統(tǒng)模塊，稱之為工業(yè)設(shè)計模塊、概念設(shè)計模塊或草圖設(shè)計模塊。

4 快速成型技術(shù)實現(xiàn)概念方案

4.1 快速成型技術(shù)

在機械工程中，快速成型技術(shù)是建立原型來驗證相關(guān)的設(shè)計是否成功。驗證“成功”的設(shè)計有很多的方面，包括：正確的外形和尺寸，足夠的強度等等。不同的原型類型需要回答這些不同的問題。快速成型的領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展成為自動的系統(tǒng)，即可以將計算機實體模型轉(zhuǎn)化為三維人造物，不管結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜。因此該技術(shù)也叫做“分層加工”或者“實體的任意制作”。

傳統(tǒng)的零件成型方法是利用模具或刀具使材料成型，快速原型/零件制造技術(shù)則利用激光等物理手段，向用戶提供物理原型，快速修改設(shè)計方案，從而大大減少了新產(chǎn)品開發(fā)前期的時間和費用。不受零件幾何形狀的限制，能夠制造出常規(guī)加工技術(shù)無法實現(xiàn)的復(fù)雜幾何形狀的零件。在機械制造、航空航天、汽車、建筑、醫(yī)學(xué)、美術(shù)、考古等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，圖1為用RP技術(shù)制作的汽車模型。當(dāng)制作的模型較大時可以分割成幾個部分分別加工然后再將其粘結(jié)起來。圖2為一較大零件分割為可用RP技術(shù)制造的零件示意圖。

一個快速成型系統(tǒng)包括計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)、自動處理單元和自動制作機，如圖3所示。并且整個過程的接口在于CAD系統(tǒng)中三維模型的輸入，RP系統(tǒng)接受Stl和.iges文件。而目前的很多的CAD三維軟件都具有實現(xiàn)這些文件的功能，如pro/e和AutoCAD等。在1996年底的統(tǒng)計中，RP所使用的軟件在前幾位的分別是：Pr／E（58%），UngraPhy（20%），SDRCI-DEAS（12%）,Computervision（9%），CATIA（6%）,AutoCAD（4%）。而目前這些軟件在國內(nèi)的也有一定的使用和普及程度，一些高校的相關(guān)專業(yè)還開設(shè)了相應(yīng)的課程，這也大大有利于快速成型技術(shù)的推廣和普及。

圖1 RP技術(shù)制作的汽車模型

圖2 零件分割示意圖

圖3 快速成型系統(tǒng)示意圖

4.2 利用RP技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品的制作

當(dāng)前快速成型技術(shù)在機械中主要用于制造模具和金屬零件，由RP直接做出注塑模等，大量應(yīng)用實例表明，RP技術(shù)縮短產(chǎn)品開發(fā)時間、降低開發(fā)成本的效果是極其明顯的。例如美國Pratt&Whitney實驗室于1994年制造了2000個鑄件，按常規(guī)方法約需700萬美元，而用RP方法，只用了60~70萬美元，生產(chǎn)時間節(jié)約了70%-90%。

前面提到在產(chǎn)品的概念設(shè)計中一般不進行具體設(shè)計，但對于在概念設(shè)計階段產(chǎn)生的致命錯誤將會直接影響到產(chǎn)品以后的設(shè)計階段以及產(chǎn)品本身，特別是對于在創(chuàng)新設(shè)計中產(chǎn)生的多個方案的選擇，實際模型將更具有說服力。雖然RP技術(shù)有一定的制作費用，會增加產(chǎn)品在概念設(shè)計階段的費用，但是概念設(shè)計決定了產(chǎn)品總成本的70%。因此，從整個產(chǎn)品來說是有利的。

4.3 機械產(chǎn)品制作實例

在機械概念設(shè)計中產(chǎn)生的原始方案一般比較簡單，一些方案干脆由構(gòu)件和運動副組成。如圖4（a）為Stewart并聯(lián)機器人的結(jié)構(gòu)簡圖。其包括了六條支鏈，每條支鏈包括了兩個球面副和一個移動副，機構(gòu)整體自由度為6。機器人中的球面副利用傳統(tǒng)的加工方法相當(dāng)困難，而機器人整體用RP技術(shù)制造，則簡單了很多，只需要提供相應(yīng)的三維實體模型，便可以在快速成型機上完成，圖4（b）為用RP技術(shù)加工的機器人模型圖。

利用RP技術(shù)加工模型的優(yōu)點不僅在于加工普通制造方法無法實現(xiàn)的模型，對于一些常用件來講也有其獨特的優(yōu)勢，在概念設(shè)計階段，方案往往需要反復(fù)的修改，而普通加工技術(shù)需要大量的時間，但RP技術(shù)則可以大大減少模型的加工時間，而且目前很多的三維軟件繪圖都是參數(shù)化的，如Pro/e,CATIA等，因而可以非常方便地進行修改。另外，還可以加工一系列的帶有運動副的構(gòu)件和相應(yīng)是連接件，由于產(chǎn)品的概念設(shè)計并不要求具體的參數(shù)，因此可以將其廣泛應(yīng)用與多個產(chǎn)品的設(shè)計中去。技術(shù)人員可以對所設(shè)計的機械裝置方案進行任意的組合和創(chuàng)新，使整個設(shè)計過程更加直觀有效，并且將大大推進機械產(chǎn)品概念設(shè)計的模型化進程。

圖4 Stewart并聯(lián)機器人結(jié)構(gòu)簡圖和用RP技術(shù)加工的平臺原型

5 結(jié)語

隨著CAD與CAM結(jié)合的不斷緊密，產(chǎn)品的開發(fā)周期將大為減小，因此也對產(chǎn)品初期的概念設(shè)計提出了新的要求。將先進的RP技術(shù)應(yīng)用于概念設(shè)計中方案的實現(xiàn)無疑將利于整個產(chǎn)品的開發(fā)，使概念設(shè)計更加趨向合理。雖然增加了產(chǎn)品在概念設(shè)計階段的費用，但從整個產(chǎn)品的設(shè)計的過程來說是有利的，并且將大大減少產(chǎn)品實現(xiàn)階段的費用。

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