多約束下的產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計計算機輔助系統(tǒng)研究

李 博 余隋懷 初建杰 楊延璞 杜 微 杜鶴民

西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室，西安，710072

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計追求的是多約束下的創(chuàng)造性設(shè)計，設(shè)計師在產(chǎn)品設(shè)計的過程中必須進行分析推理、運籌決策和綜合評價，才能獲得滿意的結(jié)果。這實際上是一種人的創(chuàng)造性思維與環(huán)境條件交互作用的智能行為。

在產(chǎn)品設(shè)計過程中，各種設(shè)計需求構(gòu)成設(shè)計約束，從某種意義上說，產(chǎn)品造型設(shè)計就是對各類設(shè)計約束的協(xié)調(diào)和滿足。

現(xiàn)在國外國內(nèi)所進行的產(chǎn)品造型設(shè)計主要有兩條途徑：一是對已有產(chǎn)品的改良，稱為改良設(shè)計；二是對市場預(yù)測或?qū)π录夹g(shù)的整合，稱之為概念設(shè)計［1］。在設(shè)計實踐過程中，兩者均要受到各種約束條件的影響。

目前，學(xué)術(shù)界對概念設(shè)計方面的研究成果相對成熟，在引入計算機和人工智能技術(shù)輔助后，已有的研究大部分側(cè)重于對設(shè)計優(yōu)化、評價、知識獲取等某一具體領(lǐng)域的研究［2］，缺乏對設(shè)計師或用戶的直覺、經(jīng)驗和情感等感性因素的有效處理；其次是研究注重對具體的用戶需求的挖掘和滿足［3］，但是對企業(yè)本身、對社會發(fā)展和對人文精神的需求的關(guān)注度不夠。而關(guān)于改良設(shè)計方面所涉及的較為具體的約束影響，特別是設(shè)計參與后續(xù)制造各工藝環(huán)節(jié)的創(chuàng)意結(jié)合應(yīng)用方面的研究更不多見。

產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計要完美實現(xiàn)制造加工，必須滿足形態(tài)因素和工藝因素的制約［4］。本文基于對企業(yè)中產(chǎn)品加工生產(chǎn)使用的材料特性、加工工藝、表面處理等設(shè)計約束因素的研究，建立有效的輔助工具為設(shè)計師提供可靠的設(shè)計依據(jù)，彌補工業(yè)設(shè)計師在結(jié)構(gòu)、材料、工藝等方面的不足；建立常用結(jié)構(gòu)的構(gòu)件庫，實現(xiàn)建模的自動化，減少設(shè)計中的重復(fù)性勞動；傳承和積累設(shè)計經(jīng)驗，有效避免無效的設(shè)計工作，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本。

1 產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計中的約束研究

產(chǎn)品設(shè)計是一個自頂向下的過程，即先確定產(chǎn)品的整體形態(tài)、色彩、質(zhì)感，然后再設(shè)計出與整體風(fēng)格相協(xié)調(diào)的局部［1］。這種設(shè)計方法常常忽視了一些工藝條件的限制或設(shè)計實例（經(jīng)驗）的重用，造成了一些部件或造型在制造過程中難以實施。如圖1所示，產(chǎn)品設(shè)計過程受到諸多因素的約束［5］。同時，產(chǎn)品開發(fā)過程也是一個將各因素綜合考慮，使綜合效益達到最高的過程。產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計作為產(chǎn)品設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，也受到諸多因素的影響［6］，如圖2所示。設(shè)計人員對相關(guān)因素的把握，尤其是材料、結(jié)構(gòu)、工藝等方面的系統(tǒng)把握有利于設(shè)計工作的開展。如果能將這些知識及應(yīng)用實例作為約束條件恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用到新的產(chǎn)品設(shè)計過程中，從最初的創(chuàng)意設(shè)計階段就加以考慮，無疑將提高設(shè)計效率，降低產(chǎn)品制造的風(fēng)險。

1.1 材料對產(chǎn)品形態(tài)的約束

材料對形態(tài)的約束應(yīng)從以下幾個方面考慮：

圖1 產(chǎn)品設(shè)計約束模型

（1）材料性能方面。每種材料都有自己固有的屬性，如化學(xué)、物理、機械性能，其屬性決定了材料本身的特點，也影響了產(chǎn)品的形態(tài)。

（2）材料的感覺物性方面。感覺物性是通過人的感覺器官感覺到的材料的性能。它只能是相對的判斷，但它對人的作用是直接的，且影響很大。如金屬的冷暖度、皮革的柔軟程度、衣料的清爽程度等都屬于材料的感覺物性。

（3）材料的加工工藝對形態(tài)的約束。不同材料的加工和成形方法各有差別，因此對產(chǎn)品的形態(tài)創(chuàng)新起到直接的作用。材料的固有屬性在一定程度上限制了形態(tài)的設(shè)計，但隨著加工技術(shù)的進步和新方法的產(chǎn)生，這種限制已經(jīng)越來越少。

（4）新材料、新技術(shù)的發(fā)展對形態(tài)的約束。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，材料領(lǐng)域的科學(xué)家們不斷發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造出新材料，每年都有多種新材料投入到生產(chǎn)中，這對于產(chǎn)品設(shè)計人員而言，無疑提供了更加豐富的想象空間，以前很多不能或很難實現(xiàn)的優(yōu)美造型，在使用新材料后都能方便地實現(xiàn)。

材料及加工工藝經(jīng)驗的積累是設(shè)計人員的財富。綜上所述，將現(xiàn)有的材料及加工工藝收集整理，然后通過分析，提取其中的設(shè)計要點，構(gòu)建出材料及加工工藝管理庫，在新的產(chǎn)品設(shè)計過程中作為材料選擇的依據(jù)和材料加工方法選擇的指導(dǎo)方法，將有助于產(chǎn)品形態(tài)的順利實現(xiàn)。

1.2 表面處理工藝對質(zhì)感的約束

產(chǎn)品表面處理工藝直接影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)感。不同的材料和表面處理工藝可形成不同的質(zhì)感，產(chǎn)品質(zhì)感的約束因素如圖3所示。如果對表面處理技術(shù)及材料的特性不了解，就可能造成設(shè)計出的產(chǎn)品質(zhì)感和實際產(chǎn)品質(zhì)感之間有偏差，甚至在現(xiàn)有工藝技術(shù)條件下無法實現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)感。

圖3 產(chǎn)品質(zhì)感的約束集

因此，有必要建立材料和表面處理工藝及效果的直接聯(lián)系，并將常用的表面處理工藝及效果構(gòu)建成數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫由兩部分組成，一是表面處理工藝及效果管理數(shù)據(jù)庫，二是管理數(shù)據(jù)庫的軟件模塊。表面處理工藝及效果管理數(shù)據(jù)庫的基本功能是提供表面處理工藝及效果的儲存和管理功能，可以實現(xiàn)瀏覽、修改、添加、刪除等功能。

2 約束條件下的形態(tài)設(shè)計流程分析

2.1 產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計初期設(shè)計流程分析

在以材料與加工工藝管理數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的形態(tài)設(shè)計模式中，設(shè)計人員通過搜索數(shù)據(jù)庫，獲得材料屬性（包括材料的固有屬性、加工工藝、連接方式、應(yīng)用領(lǐng)域、設(shè)計要求等）的相關(guān)知識并掌握其加工成形過程中的影響因素、工藝過程等技術(shù)信息，通過這些信息來約束設(shè)計師對產(chǎn)品形態(tài)的初步設(shè)計，其過程如圖4所示，如果材料已經(jīng)給定，則可直接通過查詢獲得相關(guān)信息來約束形態(tài)的設(shè)計，降低后期制造過程的很多風(fēng)險。

2.2 產(chǎn)品形態(tài)細化設(shè)計流程分析

約束條件下的產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，配合三維平臺的設(shè)計工具進行細化設(shè)計。經(jīng)驗數(shù)據(jù)作為結(jié)構(gòu)設(shè)計時的參數(shù)約束，而經(jīng)驗原則作為特征構(gòu)建順序和設(shè)計原則的指導(dǎo)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時給予設(shè)計人員知識輔助。此模塊有兩種模式：通用結(jié)構(gòu)設(shè)計模式和特定結(jié)構(gòu)設(shè)計模式。處于通用結(jié)構(gòu)設(shè)計模式時，系統(tǒng)只提供通用的經(jīng)驗設(shè)計值和設(shè)計原則。處于特定結(jié)構(gòu)設(shè)計模式時，通過獲取當(dāng)前產(chǎn)品或零件的材料屬性，并根據(jù)材料提供相應(yīng)的經(jīng)驗設(shè)計數(shù)據(jù)和設(shè)計原則來完成產(chǎn)品形態(tài)的細化設(shè)計。特定結(jié)構(gòu)設(shè)計模式下所獲得的約束數(shù)據(jù)更加具體，更加準(zhǔn)確。為滿足設(shè)計的靈活性可以在通用設(shè)計模式上啟動特定結(jié)構(gòu)設(shè)計模式。此模塊的設(shè)計流程如圖5所示。

圖4 產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計初期設(shè)計流程圖

圖5 約束條件下的產(chǎn)品形態(tài)細化設(shè)計流程圖

2.3 產(chǎn)品質(zhì)感設(shè)計流程分析

產(chǎn)品表面處理工藝及效果庫既可以作為產(chǎn)品質(zhì)感效果設(shè)計的依據(jù)也可以作為產(chǎn)品質(zhì)感效果修改的依據(jù)。當(dāng)設(shè)計出質(zhì)感效果后可以通過語義搜索、基材搜索、工藝搜索等方式找到相關(guān)的設(shè)計實例，然后通過設(shè)計師對設(shè)計效果和真實效果的對比，來了解質(zhì)感效果的可實現(xiàn)情況，不斷地完善設(shè)計效果并為后續(xù)的產(chǎn)品質(zhì)感效果的實現(xiàn)提供方法性指導(dǎo)，其流程如圖6所示。

2.4 常用構(gòu)件的參數(shù)化設(shè)計流程分析

在產(chǎn)品開發(fā)過程中，經(jīng)常會用到大量的通用件、標(biāo)準(zhǔn)件、相似件，重復(fù)建模將浪費大量的人力和時間。將產(chǎn)品設(shè)計中常用的構(gòu)件建庫并實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計可以減少設(shè)計的工作量，簡化設(shè)計流程。

參數(shù)化設(shè)計也稱尺寸驅(qū)動，本質(zhì)是基于約束的模型描述方法［7］。參數(shù)化設(shè)計技術(shù)采用參數(shù)預(yù)定義的方法建立圖形的幾何約束集，指定一組尺寸作為參數(shù)使其與幾何約束集相關(guān)聯(lián)，并將所有的關(guān)系式融入到應(yīng)用程序中，然后以人機交互方式修改參數(shù)尺寸，通過參數(shù)化驅(qū)動實現(xiàn)對設(shè)計結(jié)果的修改［8-9］。

圖6 產(chǎn)品的質(zhì)感設(shè)計流程圖

參數(shù)化實現(xiàn)的方式有編程方式和基于模板的方式兩種［10］?；谀０宓姆绞嚼肅AD系統(tǒng)的參數(shù)化建模功能建立構(gòu)件的模板文件，把構(gòu)件的系列參數(shù)存入?yún)?shù)庫中，調(diào)用時通過相應(yīng)的參數(shù)映射機制生成實例化零件。這種參數(shù)化驅(qū)動的意義在于對具有相同特征的構(gòu)件均可以用同一個模板文件來構(gòu)造，而不必為每個尺寸的變化重新構(gòu)建。使用參數(shù)化驅(qū)動技術(shù)可以增加構(gòu)件庫的靈活性和豐富性，它可以利用同一個模板經(jīng)過改變尺寸參數(shù)而構(gòu)造出無數(shù)個構(gòu)件實例。本文就使用了這種模板文件加參數(shù)驅(qū)動的機制，其參數(shù)化設(shè)計過程見圖7。

圖7 參數(shù)化設(shè)計過程

2.5 形態(tài)設(shè)計多約束數(shù)據(jù)庫的構(gòu)成分析

在產(chǎn)品設(shè)計的三維建模和形態(tài)細化設(shè)計階段，有很多重要的工藝經(jīng)驗和設(shè)計原則對于工業(yè)設(shè)計人員和工程師有重要的參考價值，但很多有用的工藝經(jīng)驗和設(shè)計原則沒有被很好地再利用。重用已積累的經(jīng)驗和設(shè)計原則，是提高設(shè)計效率的重要手段。本文提出一種將有用的設(shè)計經(jīng)驗和原則收集、整理、分類，形成約束庫的方法。將該方法應(yīng)用到新產(chǎn)品形態(tài)細化設(shè)計中，能夠降低產(chǎn)品形態(tài)實現(xiàn)過程中的風(fēng)險。該數(shù)據(jù)庫包含塑膠類、鈑金類、玻璃、木材、陶瓷等五大類材料在制造時的加工工藝約束信息［11-13］，圖8為具體的工藝約束構(gòu)成示意。

圖8 各類材料加工工藝約束的構(gòu)成

為了方便各種設(shè)計原則和設(shè)計經(jīng)驗數(shù)據(jù)的獲取和再利用，利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)將這些原則和數(shù)據(jù)設(shè)計為底層的支持模塊，通過它們可以對產(chǎn)品的形態(tài)細化設(shè)計進行約束。該數(shù)據(jù)庫主要包含五部分：鈑金件信息庫、塑膠件信息庫、玻璃信息庫、木材信息庫、陶瓷信息庫。各庫都包含了所述類別的設(shè)計原則和設(shè)計經(jīng)驗數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)，可以對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行調(diào)用、查詢、增加、刪除和修改，以提高設(shè)計效率。

3 構(gòu)建產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計CAD系統(tǒng)

3.1 需求分析

產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計CAD系統(tǒng)需求包含多方面的內(nèi)容：首先，產(chǎn)品設(shè)計是一個復(fù)雜過程，其設(shè)計過程涉及多方面知識，系統(tǒng)必須能為設(shè)計師提供全面的知識和經(jīng)驗輔助；其次，系統(tǒng)建立在工業(yè)設(shè)計理論之上，必須符合設(shè)計師的思維習(xí)慣和工作方式，在操作方式上，要采用人性化、自然的方式來輔助設(shè)計師完成操作；再次，從實現(xiàn)方面看，要求系統(tǒng)具有可擴展性，并易于升級，因為隨著新材料、新工藝的發(fā)展，結(jié)構(gòu)、材料、工藝等也在不斷發(fā)展更新，而設(shè)計人員的經(jīng)驗也在不斷積累；最后，系統(tǒng)性能必須穩(wěn)定、可靠。

3.2 系統(tǒng)框架設(shè)計

在系統(tǒng)需求分析的基礎(chǔ)上設(shè)計系統(tǒng)框架?？蚣艿臉?gòu)建采用基于組件的思想，整個系統(tǒng)由多個組件模塊構(gòu)成，如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)框架圖

3.3 系統(tǒng)各模塊的實現(xiàn)

構(gòu)建產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計輔助系統(tǒng)（CAFDS），以基于工藝約束的產(chǎn)品形態(tài)細化設(shè)計模塊為例，說明系統(tǒng)各模塊的實現(xiàn)方法。該模塊實現(xiàn)形態(tài)細化的約束設(shè)計的工作流程如下（圖10）：①在Pro／E平臺下啟動系統(tǒng)的特征設(shè)計工具；②開啟相應(yīng)輔助設(shè)計工具，訪問數(shù)據(jù)庫，獲得相應(yīng)的經(jīng)驗值和設(shè)計原則；③根據(jù)經(jīng)驗值和設(shè)計原則確定合適的參數(shù)；④輸入?yún)?shù)，完成特征創(chuàng)建。

圖10 產(chǎn)品細化設(shè)計模塊的工作流程圖

此模塊的數(shù)據(jù)庫亦使用Microsoft Access建立?；诠に嚰s束的產(chǎn)品形態(tài)細化設(shè)計數(shù)據(jù)庫包含五個表，分別是塑膠類表（PlasticTable）、金屬類表（MetalTable）、玻璃類表（GlassTable）、木材類表（WoodTable）、陶瓷類表（ChinaTable）。以塑膠類數(shù)據(jù)表的設(shè)計為例，說明其構(gòu)建過程，如表1所示。

表1 塑膠類表的構(gòu)成

通過ADO數(shù)據(jù)訪問技術(shù)訪問工藝約束庫的流程如圖11所示。

圖11 工藝約束數(shù)據(jù)庫訪問流程圖

4 系統(tǒng)應(yīng)用驗證

4.1 系統(tǒng)的運行

本系統(tǒng)采用手動注冊的方式。其步驟如下：啟動Pro／E三維設(shè)計平臺，選擇“工具”下拉菜單的“輔助應(yīng)用程序”菜單項，出現(xiàn)如圖12所示對話框。單擊對話框“注冊”項，選中形態(tài)設(shè)計輔助系統(tǒng)的注冊文件，系統(tǒng)將顯示應(yīng)用程序名稱，選中應(yīng)用程序名稱，單擊啟動后，CAFDS系統(tǒng)已經(jīng)加載到系統(tǒng)中，如圖13所示。系統(tǒng)注冊完成后菜單如圖14所示。

圖12 注冊輔助應(yīng)用程序?qū)υ捒?/p>

圖13 CAFDS成功運行顯示

圖14 系統(tǒng)注冊完成后的菜單

4.2 系統(tǒng)的驗證

本節(jié)將以一款載人航天試驗艙艙內(nèi)控制柜的外殼造型及鈑金件設(shè)計為例對系統(tǒng)的各個模塊進行驗證。鈑金件造型包含的主要造型因素有外殼、中框、底框、柜門、整體色彩、整體質(zhì)感等。

鈑金部分功能的驗證：從圖15可以得到相應(yīng)工藝的設(shè)計原則并可以根據(jù)原則對當(dāng)前設(shè)計尺寸進行評估，核實其是否符合設(shè)計經(jīng)驗。

圖15 鈑金件沖裁工藝輔助設(shè)計界面

鈑金件設(shè)計中涉及的其他結(jié)構(gòu)內(nèi)容較多，本文只對一款載人航天試驗艙艙內(nèi)控制柜外殼所涉及的一些內(nèi)容進行了驗證，其他功能驗證未列出。

5 結(jié)語

本文在研究產(chǎn)品與形態(tài)設(shè)計相關(guān)的結(jié)構(gòu)、材料、工藝等相關(guān)多約束條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計人員的需求構(gòu)建了產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計輔助系統(tǒng)，并將其集成到三維設(shè)計平臺Pro／E 2.0上，對各模塊的功能進行了應(yīng)用驗證。該輔助系統(tǒng)能使設(shè)計人員加深對結(jié)構(gòu)、材料、工藝的理解，有利于在產(chǎn)品設(shè)計初期就把握產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計實現(xiàn)的技術(shù)方向，有效減小概念創(chuàng)意和實際產(chǎn)品的偏差，提高設(shè)計人員工作效率，減少設(shè)計的重復(fù)性工作，從而可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力。

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