整合虛擬油泥技術(shù)的工業(yè)設計創(chuàng)新服務平臺研究

陳龍 周玲 吳榮 陳學斌

常州機電職業(yè)技術(shù)學院，江蘇常州，213164

整合虛擬油泥技術(shù)的工業(yè)設計創(chuàng)新服務平臺研究

陳龍 周玲 吳榮 陳學斌

常州機電職業(yè)技術(shù)學院，江蘇常州，213164

本文研究了一種整合虛擬油泥技術(shù)的工業(yè)設計創(chuàng)新服務平臺。首先對關(guān)鍵技術(shù)虛擬油泥進行技術(shù)分析，并介紹了FreeForm自由造型系統(tǒng)基本原理及操作；其次構(gòu)想了一種創(chuàng)新服務平臺，對其技術(shù)接口、運行模式及軟硬件進行分析和研究；最后結(jié)合具體的案例分析，總結(jié)了這種服務平臺在工業(yè)設計領域的優(yōu)勢。

工業(yè)設計；創(chuàng)新服務平臺；虛擬油泥；3D打印

1 前言

21世紀的制造業(yè)正面臨著越來越激烈的全球化市場競爭，新經(jīng)濟和網(wǎng)絡信息時代的浪潮正沖擊著以產(chǎn)品為載體的企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動。產(chǎn)品是一切制造企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動的主體，新產(chǎn)品設計與開發(fā)是這一活動主體的源頭，因而產(chǎn)品現(xiàn)代設計方法及相應支持技術(shù)就受到制造企業(yè)的高度重視。這迫使激烈競爭中的制造企業(yè)竟相采用先進的技術(shù)手段來開發(fā)新產(chǎn)品，而新產(chǎn)品的開發(fā)又不斷地對開發(fā)技術(shù)的發(fā)展提出新的要求。

2 虛擬油泥技術(shù)與工業(yè)設計

油泥在工業(yè)設計領域中是為設計出高級曲面而產(chǎn)生的一種混合造型材料，應用于汽車與飛機等對曲面要求較高的行業(yè)，并在其他工業(yè)造型外觀領域中應用十分廣泛。然而隨著上世紀70年代后期計算機輔助設計在汽車造型領域的應用，虛擬油泥的概念隨之誕生。如今，以虛擬油泥為核心的造型系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應用在奔馳、寶馬、大眾、迪士尼等多個知名公司中。虛擬油泥技術(shù)已越來越擴展到其他新產(chǎn)品開發(fā)設計領域。

2.1 虛擬油泥技術(shù)FreeForm

利用優(yōu)化算法提取虛擬油泥模型表面三角形網(wǎng)格,該方法可以跳過模型的全空部分處于物體外部和全實部分處于物體內(nèi)部,直接從位于物體邊界的體素中提取表面三角形網(wǎng)格,減少體素模型中材料檢查次數(shù),計算速度得到了提高。

美國麻省理工大學以自己研發(fā)的力反饋觸覺技術(shù)結(jié)合虛擬油泥技術(shù)，由Sensable公司共同研發(fā)出一款適合工業(yè)造型的虛擬現(xiàn)實造型系統(tǒng)FreeForm。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：（1）建模過程虛擬可觸，易于學習和掌握。（2）基于虛擬油泥的建模過程造型自由度極高，不同于3DmaxRhino等工業(yè)造型輔助軟件，模型為實體建模。（3）系統(tǒng)的輸入與輸出數(shù)據(jù)兼容性強，消除了設計師自由造型與生產(chǎn)工程技術(shù)之間的鴻溝。（4）具備CAM模塊，提供了拔模分析、抽殼及曲面檢測等工具，使得產(chǎn)品造型創(chuàng)新的阻礙大大減少。

2.2 虛擬油泥技術(shù)FreeForm在工業(yè)設計領域的應用

目前，虛擬油泥技術(shù)FreeForm系統(tǒng)已經(jīng)應用于玩具、制鞋、首飾、電動工具等幾十個領域，此外，憑借優(yōu)良的力反饋虛擬現(xiàn)實技術(shù)，此系統(tǒng)還應用于文物修復、虛擬手術(shù)等多項特殊技術(shù)領域。

圖1 虛擬油泥建模技術(shù)原理

虛擬油泥技術(shù)FreeForm系統(tǒng)的工業(yè)設計創(chuàng)意造型過程可分為正向與逆向兩類：

2.2.1 正向設計

圖2所示的是一個實際項目的產(chǎn)品開發(fā)過程，設計師將創(chuàng)意靈感草圖導入到FreeForm系統(tǒng)中，利用FreeForm提供了Curve（線編輯）、Planes（平面編輯）、Sketch(草繪)、Construct Clay(構(gòu)建黏土)、Sculpt Clay（雕刻黏土）、Detail Clay（細化黏土）、Deform Clay(變形黏土)、Select/move Clay（選擇移動黏土）、Patches/ Solids（曲面建模）、Mold（模具）等工具模塊，制作出需要的模型。在完成好的虛擬油泥模型的基礎上，使用系統(tǒng)提供的Auto Surface（自動鋪面）工具，自動生成曲面文件，然后導出為STEP/IGES格式文件供下游制造。

2.2.2 逆向設計

利用已經(jīng)掃描處理好的.stl三維數(shù)據(jù)，導入到整合虛擬油泥技術(shù)的工業(yè)設計創(chuàng)新服務平臺，可實現(xiàn)產(chǎn)品改良設計。如圖3所示，利用此方法的開發(fā)過程，相比傳統(tǒng)的RE，速度提高了一倍以上，產(chǎn)品創(chuàng)新程度高。

圖2 應用案例(3D打印筆項目)

圖3 平臺數(shù)據(jù)接口

3 整合虛擬油泥技術(shù)的創(chuàng)新平臺架構(gòu)

各種高新技術(shù)的迅猛發(fā)展與推廣應用，雖然增加了新產(chǎn)品開發(fā)的投入和風險，但同時高技術(shù)含量的產(chǎn)品又給制造企業(yè)帶來了豐厚的回報。整合虛擬油泥技術(shù)的創(chuàng)新平臺服務平臺構(gòu)想正是在這一戰(zhàn)略背景下產(chǎn)生。

3.1 平臺的技術(shù)框架

當今的產(chǎn)品更新?lián)Q代速度大大加快，新產(chǎn)品研制周期大幅度縮短，各種新的產(chǎn)品設計方法和開發(fā)技術(shù)應運而生，以信息技術(shù)為核心的高新設計支持技術(shù)在產(chǎn)品創(chuàng)新設計中的大量應用，推動了設計、制造自動化技術(shù)的迅速發(fā)展，并在設計方法學、新產(chǎn)品開發(fā)流程再造與項目管理、全球化并行協(xié)同設計、敏捷化戰(zhàn)略聯(lián)盟、設計支持新技術(shù)、數(shù)字化虛擬樣機開發(fā)技術(shù)、仿真試驗與性能評估技術(shù)、逆向工程與快速原型制造等方面取得了重大進展。利用逆向工程技術(shù)，在完成制品CAD模型重構(gòu)的基礎上，快速設計出制品的注塑模具。實踐證明，恰當?shù)闹貥?gòu)方法，可以獲得很高的重構(gòu)模型精度，滿足新產(chǎn)品設計的需要。有效地縮短新產(chǎn)品的設計與制造周期，提高產(chǎn)品的競爭能力。

3.2 平臺的組織框架

以“協(xié)同創(chuàng)新”為核心觀點，旨在構(gòu)建是以工業(yè)設計知識增值為核心，集成RP/RT/CAE技術(shù)的快速設計與快速制造技術(shù)，利用網(wǎng)絡化實現(xiàn)協(xié)同，企業(yè)、政府、知識生產(chǎn)機構(gòu)（大學、研究機構(gòu)）、中介機構(gòu)和用戶等為了實現(xiàn)區(qū)域科技創(chuàng)新轉(zhuǎn)型而開展的大跨度整合的創(chuàng)新組織模式理論模型。

平臺以孵化創(chuàng)新為構(gòu)架理念，將“學、政、企、行”通過工業(yè)設計創(chuàng)新平臺為紐帶，利用網(wǎng)絡協(xié)同創(chuàng)新和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)信息技術(shù)將產(chǎn)品創(chuàng)新設計項目科學、高校的協(xié)調(diào)管理，最終通過成果交易平臺（o2o）第一時間對接社會資本，最大化培育優(yōu)秀的創(chuàng)新產(chǎn)品。

圖4 平臺技術(shù)框架

圖5 平臺組織框架

4 優(yōu)勢與不足

（1）整合虛擬油泥FreeForm技術(shù)的工業(yè)設計創(chuàng)新平臺實現(xiàn)了從創(chuàng)意→設計→實現(xiàn)→推廣的工業(yè)設計全流程服務功能，可以有效的整合創(chuàng)新產(chǎn)品市場需求。

（2）從技術(shù)實現(xiàn)的角度，平臺實現(xiàn)了從創(chuàng)意到生產(chǎn)的數(shù)據(jù)無縫對接，減少了在產(chǎn)品創(chuàng)新在開發(fā)迭代過程中的造型損失。

（3）以“平臺”為連接紐帶的“學、政、企、行”協(xié)同創(chuàng)新組織，可有效的增加新產(chǎn)品孵化成功率，提升創(chuàng)新成功率。

[1]羅聯(lián)社.面向工業(yè)設計的協(xié)同管理技術(shù)研究[J].機械科學與技術(shù),2011(30).

[2]陳龍.基于FreeForm系統(tǒng)的玩偶設計開發(fā)[J]. 陜西:陜西科技大學學報(自然科學版),2010.

[3]陶燎亮.虛擬油泥技術(shù)Freeform在文物快速復原中的應用研究[J].天津:數(shù)字技術(shù)與應用,2016.

[4]陳鵬.基于RE/RP技術(shù)的產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的研究[J].模具設計,2009(1).

[5]貢智兵. 基于產(chǎn)品平臺的快速設計關(guān)鍵技術(shù)研究及實現(xiàn)[D].南京:南京理工大學,2006.

[6]齊爾麥.機械產(chǎn)品快速設計原理_方法_關(guān)鍵技術(shù)和軟件工具研究[D].天津:天津大學,2003.

[7]李彥.產(chǎn)品創(chuàng)新設計理論及方法[M].北京:科學出版社,2012(3).

本文系課題：面向產(chǎn)品造型專業(yè)快速設計與制造創(chuàng)新平臺關(guān)鍵技術(shù)研究（07031417）。

陳龍/1984年生/陜西漢中人/碩士/講師/研究方向為數(shù)字建模技術(shù)應用、產(chǎn)品創(chuàng)新平臺、產(chǎn)品設計管理