計算機輔助設(shè)計在工業(yè)設(shè)計教學中的應(yīng)用

董冰洋

摘 要 闡明計算機輔助設(shè)計的內(nèi)涵，在設(shè)計方法、設(shè)計過程、設(shè)計質(zhì)量、設(shè)計效率等方面與傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計進行對比。把計算機輔助設(shè)計引入工業(yè)設(shè)計教學，可以培養(yǎng)學生的設(shè)計建模和產(chǎn)品表達能力。

關(guān)鍵詞 工業(yè)設(shè)計；計算機輔助設(shè)計；SolidWorks；三維實體模型

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）14-0026-03

Application of Computer Aided Design in Teaching of Industrial Design//DONG Bingyang

Abstract Clarifying the connotation of computer aided design， com-

pared with the traditional industrial design in the design method， the

design process， the design quality， the design efficiency. Introducing

computer aided design into the teaching of industrial design， culti-vate students ability of design modeling and product expression.

Key words industrial design； CAID； SolidWorks； solid model

1 引言

以計算機技術(shù)為代表的信息時代已經(jīng)對人們的認知產(chǎn)生巨大影響。CAD技術(shù)作為創(chuàng)新活動重要的輔助工具，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機械、模具、電子產(chǎn)品，并在提高產(chǎn)品設(shè)計水平、推敲產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形態(tài)、優(yōu)化產(chǎn)品性能等方面展示了突出的影響力[1-2]。

國內(nèi)的計算機輔助設(shè)計（CAID）發(fā)展迅速，尤其是在設(shè)計院所和高新企業(yè)，而且近年來企業(yè)對于高校畢業(yè)生的質(zhì)量要求中也越來越看重計算機輔助設(shè)計的能力。而在高校內(nèi)部，各個專業(yè)對于學生的方向要求不一[3]，理工類學科對于學生的CAID能力的層次要求要高于藝術(shù)類學科。CAID涉及CAD技術(shù)、人工智能技術(shù)、快速制造技術(shù)、人機工程等多個學科，將CAID技術(shù)引入藝術(shù)類工業(yè)設(shè)計學科的教學計劃，可以提高本專業(yè)學生的設(shè)計表達能力和工程應(yīng)用能力。

2 CAID對于工業(yè)設(shè)計的意義

在產(chǎn)品市場競爭日益激烈的時代，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和增強產(chǎn)品創(chuàng)新性成為提升企業(yè)和產(chǎn)品市場競爭力的關(guān)鍵。提高產(chǎn)品設(shè)計效率、優(yōu)化產(chǎn)品形態(tài)、預見產(chǎn)品性能正是計算機輔助設(shè)計的特點。所以，計算機輔助設(shè)計和工業(yè)設(shè)計進行學科交叉是很有必要的。

工業(yè)設(shè)計的過程是一個產(chǎn)品創(chuàng)新、蛻變的過程，是從產(chǎn)品、市場、設(shè)計、形態(tài)、制造等多個角度，對產(chǎn)品的形態(tài)、性能、外觀進行全面設(shè)計，突出產(chǎn)品創(chuàng)新性和競爭力的過程。

CAID，即在軟件和工業(yè)設(shè)計相結(jié)合所形成的一個設(shè)計系統(tǒng)內(nèi)進行的產(chǎn)品開發(fā)活動。與傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計方法相比，CAID在設(shè)計方法、設(shè)計過程、產(chǎn)品開發(fā)周期、產(chǎn)品性能等諸多方面都產(chǎn)生質(zhì)的變化。

在市場競爭越來越激烈的時代，不但企業(yè)要提升競爭力，高校學生也要提高自身競爭力。在對于工業(yè)設(shè)計的認識上，不能僅僅局限于產(chǎn)品外觀設(shè)計，工業(yè)設(shè)計師的工作不能以外觀設(shè)計、渲染出圖為結(jié)束。在一個完整的產(chǎn)品開發(fā)過程中，工業(yè)設(shè)計師的作用和職責是非常重要的，必須要能夠與結(jié)構(gòu)工程師、模具工程師等設(shè)計人員進行溝通。這就要求工業(yè)設(shè)計的學生不僅要掌握產(chǎn)品的形態(tài)設(shè)計，而且要了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、工藝、材料和表面處理技術(shù)。倘若設(shè)計脫離了生產(chǎn)實際，就會出現(xiàn)設(shè)計的產(chǎn)品在現(xiàn)有的工藝下無法實現(xiàn)，或者要花費大量的人力、物力在生產(chǎn)上面，這樣的設(shè)計是不可取的。

3 計算機輔助工業(yè)設(shè)計的流程

利用計算機進行工業(yè)設(shè)計，必須清楚整個設(shè)計流程。同傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計流程有所不同，由于利用計算機的現(xiàn)代設(shè)計開發(fā)往往是在一個共享的數(shù)據(jù)庫平臺上面進行的，使得以往難以實現(xiàn)的并行設(shè)計成為可能。不同的設(shè)計團隊或設(shè)計師同時對一個產(chǎn)品的不同內(nèi)容進行設(shè)計，必須遵循一定的原則和標準，以實現(xiàn)并行設(shè)計的高效率的特征。這種由于現(xiàn)代設(shè)計方法所帶來的設(shè)計的各個部分和階段之間的密切關(guān)系，要求設(shè)計師清楚其所處的位置和工作內(nèi)容。

CAID服務(wù)于產(chǎn)品設(shè)計的整個過程，產(chǎn)品設(shè)計的流程一般從產(chǎn)品的概念設(shè)計、草繪表達、三維建模到二維工程圖，工程圖用于指導工廠的生產(chǎn)。對于工業(yè)設(shè)計產(chǎn)品一般外觀造型的要求很高，所以還要有外觀造型設(shè)計階段。在完成產(chǎn)品設(shè)計后，設(shè)計師還可以根據(jù)產(chǎn)品的特點進行大量的分析和仿真工作，以滿足產(chǎn)品強度、運動、生產(chǎn)制造與裝配方面的要求。

同時，在產(chǎn)品模型構(gòu)建完成之后，可對產(chǎn)品進行材質(zhì)、色彩的選取，進行產(chǎn)品的渲染和動畫制作，用于下一階段的產(chǎn)品市場推廣。圖1所示為一個典型的計算機輔助工業(yè)設(shè)計（CAID）的流程。

產(chǎn)品設(shè)計階段要從產(chǎn)品設(shè)計的全局出發(fā)，著眼于產(chǎn)品設(shè)計的各個方面，做好產(chǎn)品設(shè)計的規(guī)劃。通過市場調(diào)研、需求分析、可行性論證等，提出完整的產(chǎn)品設(shè)計任務(wù)書，服務(wù)于產(chǎn)品設(shè)計的全程。工業(yè)設(shè)計師在造型設(shè)計時必須以此作為形態(tài)概念設(shè)計的根據(jù)。草繪設(shè)計階段由產(chǎn)品設(shè)計師手繪出大量的產(chǎn)品造型草圖，從中進行對比優(yōu)化，選出可行的方案。

產(chǎn)品三維建模階段要進行三維關(guān)鍵線的繪制和三維實體模型的創(chuàng)建。三維關(guān)鍵線的繪制是把概念設(shè)計、草繪設(shè)計轉(zhuǎn)化到三維實體設(shè)計的一個重要步驟，主要用于定義產(chǎn)品的形態(tài)輪廓和特征的連接過渡，服務(wù)于產(chǎn)品的外觀造型設(shè)計。三維實體模型的創(chuàng)建階段，利用前一階段繪制的三維關(guān)鍵線，配合曲面造型工具，生產(chǎn)關(guān)鍵線所定義的曲面，然后利用曲面編輯工具處理曲面，以達到符合設(shè)計意圖的設(shè)計效果。

在三維實體模型構(gòu)建完成并經(jīng)過論證，認為設(shè)計可行的前提下，就可以同時進行之后兩個方向的工作——工程生產(chǎn)和產(chǎn)品市場推廣。工程生產(chǎn)包含以下幾項工作內(nèi)容。

1）工程結(jié)構(gòu)設(shè)計。一般情況下，三維實體模型都是從概念設(shè)計演化而來，它不可避免地會和工程生產(chǎn)的要求有若干不符，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計階段就是要對實體模型進行相應(yīng)修改。該階段實質(zhì)上就是要求概念設(shè)計和工程設(shè)計兩者之間不斷磨合，取其交集，得出最適合的方案。

2）工程圖紙。在生產(chǎn)實踐中往往要把實體模型轉(zhuǎn)化為工程圖。工程圖是進行生產(chǎn)加工和技術(shù)交流的一個重要工具，是用于指導現(xiàn)場加工的重要依據(jù)，而且是設(shè)計師設(shè)計思維表現(xiàn)的技術(shù)文件。

3）CAD/CAM。CAD/CAM是使用計算機進行產(chǎn)品設(shè)計和制造，并可以利用計算機進行生產(chǎn)設(shè)備管理控制和操作的過程。輸入零件的工藝路線和工序內(nèi)容，輸出加工路徑和控制程序。CAM系統(tǒng)一般具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和過程自動化的功能，涉及計算機控制和計算機輔助過程設(shè)計。

產(chǎn)品市場推廣是產(chǎn)品設(shè)計流程的后期工作，為設(shè)計產(chǎn)品最終進入市場做準備。該階段一般包含以下幾個環(huán)節(jié)。

1）產(chǎn)品材質(zhì)、色彩。借助于計算機設(shè)計軟件，可以對三維實體模型賦予實際生產(chǎn)所用的材質(zhì)，增加產(chǎn)品的真實感；并可以對其進行色彩方面的構(gòu)思、計劃，通過材質(zhì)、色彩的不同組合，利用計算機進行精確模擬，模擬結(jié)果可以作為材質(zhì)、色彩選用的參考，和工程生產(chǎn)選用材料時的參考。

2）產(chǎn)品效果圖渲染和產(chǎn)品動畫制作。當前常用的工業(yè)設(shè)計軟件如Rhino、Alias、SolidWorks等都自帶渲染模塊，并且和主流的渲染軟件之間可以進行數(shù)據(jù)交換。使用軟件的渲染模塊或者將三維模型文件導入渲染軟件，均可以對三維模型進行豐富、逼真的渲染，從而獲取具有很強真實感的產(chǎn)品效果圖。和產(chǎn)品渲染類似，也可以使用軟件自帶的動畫模塊或者將三維模型導入專業(yè)的動畫制作軟件，完成產(chǎn)品的動畫制作。

3）市場推廣。設(shè)計師或者企業(yè)為了提高產(chǎn)品的知名度和銷量，而為產(chǎn)品設(shè)計一套適合的推廣方案，用于有關(guān)產(chǎn)品或服務(wù)的信息傳遞給目標消費者，激發(fā)和強化其購買動機。對于工業(yè)設(shè)計而言，設(shè)計要用于服務(wù)生活，市場推廣作為工業(yè)設(shè)計流程的后期階段，在設(shè)計真正轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的過程中發(fā)揮著十分重要的作用。

在以上所述的工業(yè)設(shè)計流程中，產(chǎn)品從設(shè)計階段的參數(shù)模型到生產(chǎn)制造的工程參數(shù)之間的數(shù)據(jù)交換是最關(guān)鍵的步驟。工業(yè)設(shè)計的產(chǎn)品不能僅停留在紙面階段或者模型階段，工業(yè)設(shè)計師的價值在于將自己的設(shè)計理念轉(zhuǎn)化為最終的產(chǎn)品。通過計算機輔助工業(yè)設(shè)計，使得工業(yè)設(shè)計的設(shè)計階段和制作階段高效、準確地銜接，提高了產(chǎn)品設(shè)計的效率和準確性。

4 計算機輔助工業(yè)設(shè)計應(yīng)用

以SolidWorks軟件的參數(shù)化設(shè)計為例，說明CAID在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用。該軟件的參數(shù)化特征如下。

三維實體模型 產(chǎn)品設(shè)計的起步階段是將設(shè)計者的頭腦風暴用草圖的形式表現(xiàn)出來，手繪草圖對于產(chǎn)品設(shè)計的作用毋庸置疑，但是三維實體模型可以更好地推敲所設(shè)計產(chǎn)品體、面、線之間的幾何關(guān)系，以及后續(xù)會涉及的部件之間的裝配關(guān)系。所以說三維實體模型的建立，首先可以將設(shè)計師的設(shè)計思維以準確、真實的形式在計算機中展示出來，更重要的是用戶可以隨時對產(chǎn)品的特征結(jié)構(gòu)、受力、裝配關(guān)系進行分析，從而對產(chǎn)品進行進一步的優(yōu)化設(shè)計。CAID使設(shè)計師可以在設(shè)計過程的每一個環(huán)節(jié)審視設(shè)計，隨時調(diào)出設(shè)計參數(shù)，計算機可以節(jié)約大量的分析計算時間。

參數(shù)化聯(lián)動 在SolidWorks中建立三維模型之后，可以通過該三維模型生成工程圖，用于產(chǎn)品的制作。SolidWorks

建模采用的是參數(shù)化建模的方法，結(jié)構(gòu)特征均是由尺寸驅(qū)動的，由三維模型生成的工程圖繼承了其參數(shù)化的特征。生成的工程圖在軟件內(nèi)會自動標注尺寸，該尺寸即三維建模階段使用的驅(qū)動尺寸。借助于SolidWorks強大的參數(shù)化功能，三維模型和生成的工程圖之間是尺寸關(guān)聯(lián)的關(guān)系，修改二者中的任一尺寸，另一個就會自動做出相應(yīng)的修改。這樣可以保證設(shè)計的準確性，可以讓設(shè)計師從三維和二維、設(shè)計和加工制造等多個角度審視設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計。

以結(jié)構(gòu)特征作為設(shè)計的基礎(chǔ)單元 SolidWorks以最接近工程制作的方式從事設(shè)計工作，如拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、混合等基本特征，孔、殼、筋、拔模、倒角等工程特征。工程特征基于基本特征，在基本特征的基礎(chǔ)上進行操作，進而形成復雜的模型。使用特征進行模型的構(gòu)建使得設(shè)計更加簡單明了，達到事半功倍的效果。在設(shè)計師將自己的設(shè)計思想植入產(chǎn)品模型的同時，實際的生成制造工藝特征也在模型中得以體現(xiàn)。在設(shè)計的中后期，設(shè)計師要和工程師不斷溝通，甚至對模型結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，SolidWorks的特征編輯功能在此處表現(xiàn)得尤為突出。

參數(shù)式設(shè)計 參數(shù)式設(shè)計體現(xiàn)在CAID的全過程，結(jié)合軟件強大的數(shù)據(jù)庫，產(chǎn)品設(shè)計各個階段的設(shè)計參數(shù)都得以完整保存，可隨時對其中任一參數(shù)進行修改，而其所關(guān)聯(lián)的三維實體模型、工程圖、裝配關(guān)系、模具等都會做出相應(yīng)改變，使設(shè)計真正做到一致性。

5 結(jié)論

計算機輔助設(shè)計正成為工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計過程中不可或缺的角色，將計算機輔助工業(yè)設(shè)計作為工業(yè)設(shè)計系學生的必修內(nèi)容，是培養(yǎng)學生產(chǎn)品開發(fā)能力和工程應(yīng)用能力的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)計劃和培養(yǎng)方案的要求，結(jié)合專業(yè)特點，整合各個教學環(huán)節(jié)，把CAID能力的培養(yǎng)融入教學工作的各個環(huán)節(jié)來具體落實，以保證學生能夠真正把計算機輔助設(shè)計應(yīng)用到工業(yè)設(shè)計的產(chǎn)品開發(fā)上來。

參考文獻

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