虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在產(chǎn)品三維造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

張高美 董兵兵

摘要：虛擬設(shè)計(jì)是建立在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)方法。傳統(tǒng)的產(chǎn)品三維造型設(shè)計(jì)研發(fā)模式過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)師和制造部門本身各自存在的弱點(diǎn)。一個(gè)新產(chǎn)品的批量生產(chǎn)需要兩者反復(fù)溝通、修改與打樣，設(shè)計(jì)過(guò)程冗長(zhǎng)，設(shè)計(jì)制造成本高。文中將虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)融入到設(shè)計(jì)師進(jìn)行產(chǎn)品三維建模的過(guò)程中，增加設(shè)計(jì)師所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可行性，縮短設(shè)計(jì)周期，減少設(shè)計(jì)成本，最終達(dá)到提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力與創(chuàng)新能力的作用。

關(guān)鍵詞：虛擬設(shè)計(jì)；產(chǎn)品三維造型設(shè)計(jì)；可行陛；設(shè)計(jì)成本

虛擬設(shè)計(jì)（Virtual design）是上個(gè)世紀(jì)90年代興起的新技術(shù)。其作為制造業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)近年來(lái)得到飛速發(fā)展，并為各種制造模式的應(yīng)用提供有力的支撐”[1]。虛擬設(shè)計(jì)是由多個(gè)學(xué)科的先進(jìn)知識(shí)形成的綜合系統(tǒng)技術(shù)，它以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為前提，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段實(shí)時(shí)、并行地模擬出產(chǎn)品開發(fā)的全過(guò)程及其對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響，并預(yù)測(cè)產(chǎn)品的性能、制造成本、可制造性、可維護(hù)性和可拆卸性等，從而提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一次性成功率。

虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的使用在產(chǎn)品開始?xì)v史上擁有重要地位，使用虛擬技術(shù)可以將傳統(tǒng)的物理模式轉(zhuǎn)換為精確的數(shù)字模型”，為現(xiàn)代制造業(yè)及產(chǎn)品設(shè)計(jì)的發(fā)展提供了極大的便利。設(shè)計(jì)者可以在虛擬環(huán)境中，利用不同的交互手段對(duì)參數(shù)化的模型進(jìn)行設(shè)計(jì)和修改。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)不同的是虛擬設(shè)計(jì)能在產(chǎn)品投入制造前就能看到并且分析產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)過(guò)程中無(wú)需代價(jià)便可以反復(fù)修改設(shè)計(jì)，以達(dá)到產(chǎn)品的開發(fā)周期及成本最小化、產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量最優(yōu)化、生產(chǎn)效率的最高化。

1產(chǎn)品三維造型設(shè)計(jì)傳統(tǒng)研發(fā)模式及主要存在的問(wèn)題

1.1產(chǎn)品三維造型設(shè)計(jì)傳統(tǒng)研發(fā)模式

在傳統(tǒng)的產(chǎn)品三維造型設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程（如圖1）中，設(shè)計(jì)師需要先對(duì)該產(chǎn)品所面對(duì)的消費(fèi)對(duì)象、市場(chǎng)環(huán)境、應(yīng)用范圍和背景等進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)查，根據(jù)調(diào)查結(jié)果針對(duì)該群消費(fèi)對(duì)象進(jìn)行需求分析，然后總結(jié)出本次設(shè)計(jì)的主要?jiǎng)?chuàng)意點(diǎn)等，進(jìn)行設(shè)計(jì)定位。接下來(lái)就進(jìn)入產(chǎn)品三維造型的設(shè)計(jì)階段：設(shè)計(jì)師先利用傳統(tǒng)二維手繪的方式畫出一系列方案草圖，隨后設(shè)計(jì)師與客戶進(jìn)行溝通篩選出初步方案。接著設(shè)計(jì)師根據(jù)篩選出的初步方案進(jìn)行三維建模、渲染，并將最終渲染圖交給客戶確認(rèn)，確認(rèn)完畢后將設(shè)計(jì)圖交給制造部門。

制造部門根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)備、人員、物料等對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行工藝及可加工性分析，若可加工性不好或成本太高，制造部門再對(duì)設(shè)計(jì)提出修改意見并反饋給設(shè)計(jì)師，設(shè)計(jì)師根據(jù)修改意見對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行修改后再將圖紙交給制造部門，制造部門根據(jù)圖紙制造出樣品后進(jìn)行試驗(yàn)，若樣品沒(méi)有問(wèn)題則可批量生產(chǎn)，如果仍然有問(wèn)題則還需要將圖紙反饋給設(shè)計(jì)師再次反復(fù)修改，直到樣品無(wú)誤方可進(jìn)行新產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。在這個(gè)過(guò)程中我們可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品外觀的設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)必須經(jīng)歷周而復(fù)始的設(shè)計(jì)一實(shí)驗(yàn)一打樣，才能最終實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)[3]。

1.2主要存在問(wèn)題

通過(guò)上述傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)模式，我們可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)初期的概念到最終能實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)這一過(guò)程是十分復(fù)雜且冗長(zhǎng)的，它的最終實(shí)現(xiàn)除了造型具有美觀性等特點(diǎn)外，還需要設(shè)計(jì)師所設(shè)計(jì)的造型具有可生產(chǎn)性。而我國(guó)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)師的成長(zhǎng)背景都是藝術(shù)類，設(shè)計(jì)師在對(duì)產(chǎn)品的三維造型進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)更多的是考慮三維造型的美觀性、實(shí)用性等方面，缺乏制造行業(yè)的基本知識(shí)。因此出現(xiàn)了設(shè)計(jì)定稿后交給制造部門后，制造部門會(huì)根據(jù)可生產(chǎn)性對(duì)設(shè)計(jì)稿反復(fù)提出設(shè)計(jì)修改意見，并交由設(shè)計(jì)師反復(fù)修改。而制造部門之所以并沒(méi)有直接修改設(shè)計(jì)稿，而是將修改意見交給設(shè)計(jì)師讓設(shè)計(jì)師修改的原因，也是因?yàn)橹圃觳块T缺乏一定的藝術(shù)修養(yǎng)，由制造部門修改的設(shè)計(jì)稿往往容易偏離設(shè)計(jì)初衷，因此需要設(shè)計(jì)師和制造部門反復(fù)溝通交流并修改至最終方案。

產(chǎn)品三維造型設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)研發(fā)模式周期是漫長(zhǎng)的，設(shè)計(jì)、制造成本普遍偏高，尤其對(duì)于造型復(fù)雜的產(chǎn)品，更加無(wú)法達(dá)到縮短設(shè)計(jì)周期和降低成本的目的。而現(xiàn)代市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)活躍，一款新產(chǎn)品面市后市場(chǎng)反應(yīng)普遍比以往更活躍，這就需要設(shè)計(jì)師和制造部門能靈活應(yīng)對(duì)市場(chǎng)反應(yīng)，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)及更新?lián)Q代。如果沿用傳統(tǒng)的產(chǎn)品三維造型設(shè)計(jì)模式根本無(wú)法跟上市場(chǎng)的步伐，最終的結(jié)果就是產(chǎn)品生命周期縮短，加速了產(chǎn)品的滅亡。

2虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在產(chǎn)品三維造型設(shè)計(jì)研發(fā)中的應(yīng)用及其優(yōu)勢(shì)

2.1虛擬設(shè)計(jì)在產(chǎn)品三維造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

虛擬設(shè)計(jì)主要應(yīng)用為：虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)、虛擬裝配設(shè)計(jì)、虛擬人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)[4]。本次研究的重點(diǎn)在于虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)和虛擬裝配設(shè)計(jì)。虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)師可以利用現(xiàn)有的CAD模型轉(zhuǎn)換到虛擬現(xiàn)實(shí)VR （Virtual Reality）環(huán)境中，讓設(shè)計(jì)師、客戶來(lái)感知產(chǎn)品，并直接在虛擬環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計(jì)與修改。虛擬裝配設(shè)計(jì)是將傳統(tǒng)的產(chǎn)品造型裝配過(guò)程在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，通過(guò)仿真模型在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行工藝規(guī)劃、加工制造、裝配和調(diào)試這一系列的過(guò)程。

傳統(tǒng)的產(chǎn)品造型研發(fā)過(guò)程中，設(shè)計(jì)師普遍采用犀牛（Rhino）等圖形繪制類三維建模軟件建模，因?yàn)樵擃愜浖兄浅?qiáng)大的曲面建模命令，能建出非常豐富多變的曲面造型，但是該類建模軟件的數(shù)據(jù)往往不能直接用于制造生產(chǎn)，因此仍需要轉(zhuǎn)換成工程類建模軟件格式，才能進(jìn)行下一步的工藝及可加工性分析，這一過(guò)程往往容易出現(xiàn)破面或者數(shù)據(jù)丟失。

將虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)和虛擬裝配技術(shù)（如圖2）融入三維建模后，設(shè)計(jì)師可以利用PRO/E這類工程類建模軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行建模并進(jìn)行仿真裝配，進(jìn)而在該軟件中對(duì)產(chǎn)品造型的各個(gè)組成模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉檢測(cè)，預(yù)測(cè)到產(chǎn)品在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中、特殊狀態(tài)下或產(chǎn)品造型的細(xì)節(jié)部分等的干涉情況，實(shí)時(shí)、并行地模擬產(chǎn)品的制造過(guò)程，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的性能、成本和可生產(chǎn)性，避免設(shè)計(jì)師對(duì)產(chǎn)品制造知識(shí)完全不懂的狀況，減少設(shè)計(jì)師與制造部門的反復(fù)溝通的次數(shù)和產(chǎn)品打樣的次數(shù)。

2.2虛擬設(shè)計(jì)應(yīng)用在產(chǎn)品三維造型設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)的、并行的修改產(chǎn)品數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)師能夠通過(guò)多維的信息環(huán)境與產(chǎn)品進(jìn)行自然的交互，從而進(jìn)一步深化概念及產(chǎn)生新的創(chuàng)意。產(chǎn)品三維造型設(shè)計(jì)的真正目的是為了更好的服務(wù)消費(fèi)者，只有設(shè)計(jì)用自己的切身體會(huì)去真正感知所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品才能真正實(shí)現(xiàn)服務(wù)的意義和價(jià)值。

首先是虛擬設(shè)計(jì)的直觀性：以往設(shè)計(jì)師需要根據(jù)客戶的要求做出方案，接著將方案交給客戶提出不足和進(jìn)一步的要求，再通過(guò)設(shè)計(jì)師的反復(fù)修改，最后得出樣機(jī)后再根據(jù)樣機(jī)修改方案，這些復(fù)雜的過(guò)程往往給產(chǎn)品增加了很多成本。虛擬設(shè)計(jì)的介入能讓客戶和制造部門直接參與到設(shè)計(jì)過(guò)程中來(lái)，在虛擬的環(huán)境下直接修改設(shè)計(jì)方案，減少了實(shí)物模型和樣機(jī)的制作，大大降低了成本，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成功率。

其次是虛擬設(shè)計(jì)的并行性：產(chǎn)品的造型是由不同的模塊拼合而成，設(shè)計(jì)師在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)模式過(guò)程中如果產(chǎn)品造型的其中一個(gè)模塊需要修改，就要對(duì)整個(gè)產(chǎn)品造型全部沖建模。虛擬設(shè)計(jì)介入后，設(shè)計(jì)師只要修改其中該模塊的數(shù)據(jù)或單獨(dú)對(duì)其中一個(gè)模塊進(jìn)行建模，由于虛擬設(shè)計(jì)的并行性，整個(gè)產(chǎn)品造型的數(shù)據(jù)會(huì)根據(jù)新的數(shù)據(jù)自動(dòng)匹配修改，減少了設(shè)計(jì)師的重復(fù)性工作，提高了工作效率。

最后是虛擬設(shè)計(jì)的介入能降低產(chǎn)品的開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)：業(yè)內(nèi)專家指出，利用虛擬技術(shù)通?？墒巩a(chǎn)品的開發(fā)效率提高3至5倍[5]。虛擬設(shè)計(jì)能直接參與的性質(zhì)能加深產(chǎn)品設(shè)計(jì)各方面的溝通，能更直觀的感受到產(chǎn)品，避免了由于對(duì)新產(chǎn)品的不了解而導(dǎo)致的各種誤差與細(xì)節(jié)的遺漏，大大降低了產(chǎn)品的開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

3結(jié)語(yǔ)

在產(chǎn)品三維造型設(shè)計(jì)的研發(fā)過(guò)程中，我們主要是將虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用在設(shè)計(jì)師進(jìn)行三維建模的過(guò)程中。改善設(shè)計(jì)師不懂制造類專業(yè)知識(shí)，從而導(dǎo)致所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品造型在與制造部門溝通后，需要反復(fù)修改的狀況。避免反復(fù)修改與打樣，縮短設(shè)計(jì)周期，降低成本，并能靈活的對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行修改與反饋，增加產(chǎn)品的生命周期。為產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)起到積極主動(dòng)的作用，帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

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