淺析數(shù)控技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用

王鐵球

摘要：產(chǎn)品設(shè)計(jì)原型的制作是設(shè)計(jì)創(chuàng)意產(chǎn)品化的重要途徑，也是設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證和完善的重要過(guò)程。數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展為產(chǎn)品原型的加工和制作提供了更為準(zhǔn)確、快捷、便利的選擇。工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，同樣可以通過(guò)引入數(shù)控技術(shù)提升教學(xué)效果。先進(jìn)技術(shù)不僅可以服務(wù)現(xiàn)代制造業(yè)，也可以服務(wù)于設(shè)計(jì)教學(xué)，以此縮小校企之間的實(shí)踐落差。

關(guān)鍵詞：數(shù)控技術(shù);工業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué);產(chǎn)品原型

中圖分類(lèi)號(hào)：G64

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）04-0031-02

Abstract：The prototype of product design is an important way for realizing creative design to real products， and it is also an important process to verify and perfect the design idea.The rapid development of numerical control technology provides a more accurate， fast and convenient choice for the processing and manufacturing of design prototypes.To practical teaching of industrial design， numerical control technology can also be introduced to improve the teaching effect.Advanced technology can not only serve modern manufacturing industry， but also serve the design teaching， so as to narrow the practice gap between school and enterprise.

Key Words：Numerical Control Technology;Industrial design;Design prototype

工業(yè)設(shè)計(jì)是以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為核心的，藝術(shù)與技術(shù)相結(jié)合的綜合性學(xué)科。工業(yè)設(shè)計(jì)很早就已成為發(fā)達(dá)國(guó)家制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的核心動(dòng)力之一。產(chǎn)品設(shè)計(jì)原型是設(shè)計(jì)創(chuàng)意的準(zhǔn)確再現(xiàn)，具有立體直觀化、真實(shí)準(zhǔn)確化的特點(diǎn)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)原型的制作是工業(yè)設(shè)計(jì)流程中創(chuàng)意產(chǎn)品化的重要途徑，也是設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證、完善的重要過(guò)程。將快速發(fā)展的數(shù)控技術(shù)結(jié)合到工業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中來(lái)，可以在最短時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)原型的加工與制作，更重要的是能夠讓學(xué)生的各種創(chuàng)意方案脫離華而不實(shí)的效果圖，快速、準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為真正意義上的產(chǎn)品。

1數(shù)控技術(shù)與數(shù)控設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀

伴隨著工業(yè)的快速發(fā)展和升級(jí)，產(chǎn)品制作工藝也不斷革新。由于快速成型技術(shù)可以大大縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，滿(mǎn)足產(chǎn)品的個(gè)性化、多樣化需求，因此在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)控技術(shù)作為快速成型技術(shù)的代表，也是現(xiàn)代制造系統(tǒng)的動(dòng)力源泉，在實(shí)現(xiàn)制造自動(dòng)化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化的過(guò)程中占據(jù)著舉足輕重的地位[1]。我國(guó)數(shù)控技術(shù)研發(fā)工作開(kāi)始于1958年，目前已具有一定的自主知識(shí)技術(shù)與生產(chǎn)規(guī)模，例如比較知名的自主品牌有：北京精雕數(shù)控、華中數(shù)控與沈陽(yáng)數(shù)控等[2]。

數(shù)控機(jī)床（Computer Numerical Control，簡(jiǎn)稱(chēng)CNC），其控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號(hào)指令規(guī)定的程序，通過(guò)計(jì)算機(jī)將其譯碼，從而使機(jī)床執(zhí)行規(guī)定好的動(dòng)作，通過(guò)刀具切削將毛坯料加工成半成品或成品零件。數(shù)控機(jī)床是由普通機(jī)床的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，能加工復(fù)雜異形零件，具有良好的柔性、高精度和可靠的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)[3]。作為當(dāng)代制造業(yè)的主流裝備，數(shù)控機(jī)床能夠大幅提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品精度，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。雖然國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在可靠性與功能性上與國(guó)外技術(shù)相比依然存在一定的差距，但是近年來(lái)我國(guó)在多軸聯(lián)合控制、系統(tǒng)的智能化與開(kāi)放性等領(lǐng)域取得了一定的成績(jī)。

2數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品原型制作的優(yōu)勢(shì)

快速原型技術(shù)是一種涉及多學(xué)科的新型綜合制造技術(shù)。上世紀(jì)80年代后，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用，產(chǎn)品造型和設(shè)計(jì)能力得到極大提高。然而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后，批量生產(chǎn)前，必須制作出樣品以表達(dá)設(shè)計(jì)構(gòu)想，快速獲取產(chǎn)品設(shè)計(jì)的反饋信息，并且對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可行性做出評(píng)估、論證。在工業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)中，從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)到快速原型的實(shí)現(xiàn)可以快速檢驗(yàn)產(chǎn)品工藝性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基本功能操作等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

隨著快速成型技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)的過(guò)程中逐步出現(xiàn)以數(shù)控加工技術(shù)和3D打印技術(shù)為依托的模型實(shí)物呈現(xiàn)方式，其中的數(shù)控加工技術(shù)更是成為獲得樣機(jī)或產(chǎn)品實(shí)物最快捷、準(zhǔn)確的手段。通過(guò)快速成型技術(shù)，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)初期階段就能拿到具體的模型或樣品，并可實(shí)現(xiàn)不同階段的快速修改重做，根據(jù)精確模型或樣機(jī)讓設(shè)計(jì)者及時(shí)判斷設(shè)計(jì)方案的各種問(wèn)題，提出建設(shè)性意見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙交流，從而為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)創(chuàng)造一個(gè)良好的設(shè)計(jì)環(huán)境[4]。

相比較3D打印或其他產(chǎn)品原型制作技術(shù)而言，數(shù)控技術(shù)呈現(xiàn)出不可比擬的優(yōu)勢(shì)：首先，數(shù)控技術(shù)的加工材料可選范圍比較大，可以為工程蠟、金屬、木材、亞克力與尼龍等等，基本能夠圍繞設(shè)計(jì)的構(gòu)想和實(shí)際需求進(jìn)行加工，最大限度的展現(xiàn)設(shè)計(jì)預(yù)期的材質(zhì)視覺(jué)效果[5];其次，數(shù)控設(shè)備在加工強(qiáng)度與密度等參數(shù)均高于3D打印技術(shù)，而且在加工尺寸方面的限制小，同樣尺寸的實(shí)物制作，數(shù)控設(shè)備制作的成本遠(yuǎn)低于3D打印，實(shí)物精度反而更突出，也更便于后期的表面處理。當(dāng)然，數(shù)控技術(shù)在處理較為復(fù)雜的曲面或者包含復(fù)雜內(nèi)腔的創(chuàng)意方案時(shí)，也會(huì)存在一定的局限性。

3面向工業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)中產(chǎn)品原型制作的數(shù)控技術(shù)應(yīng)用

3.1數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用原理和流程

傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)中，因?yàn)樵O(shè)備或場(chǎng)地的局限，系列專(zhuān)題設(shè)計(jì)課程的最終教學(xué)成果大多停留在三維造型軟件的效果模擬階段，無(wú)法獲得實(shí)物感，難以滿(mǎn)足后期方案驗(yàn)證和完善的要求，或者僅僅呈現(xiàn)簡(jiǎn)單初級(jí)的模型成品，尺寸精度誤差較大，表面加工精度不高。鑒于上述現(xiàn)狀，我們嘗試將先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)引入到專(zhuān)題設(shè)計(jì)課程的設(shè)計(jì)原型加工制作中來(lái)。在教學(xué)前期，學(xué)生的設(shè)計(jì)創(chuàng)意方案經(jīng)過(guò)課堂教學(xué)環(huán)節(jié)反復(fù)篩選并確定之后，切入數(shù)控技術(shù)原理和設(shè)備的相關(guān)介紹。隨后，學(xué)生根據(jù)數(shù)控加工的原理和特點(diǎn)，將前期設(shè)計(jì)創(chuàng)意方案利用三維設(shè)計(jì)軟件（例如3Dmax或Rhino3D造型軟件等）進(jìn)行模型構(gòu)建，通過(guò)材質(zhì)的賦予提前獲取創(chuàng)意方案的預(yù)期視覺(jué)效果，這也是后期數(shù)控加工階段材質(zhì)選擇和加工參數(shù)設(shè)定的基礎(chǔ)因素。在此階段過(guò)程中，由于三維設(shè)計(jì)軟件的數(shù)據(jù)不具備實(shí)體概念，數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入到數(shù)控機(jī)床加工時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)各種模型質(zhì)量問(wèn)題而導(dǎo)致最終的加工失敗。因此需要在三維設(shè)計(jì)軟件的模型基礎(chǔ)上，創(chuàng)建更為準(zhǔn)確的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）數(shù)據(jù)，用于后期數(shù)控機(jī)床設(shè)備加工數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。最后，學(xué)生提交上述構(gòu)建的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并與數(shù)控加工中心進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與設(shè)備加工之間的協(xié)調(diào)與溝通，就產(chǎn)品尺寸、形態(tài)、材料等設(shè)計(jì)因素進(jìn)行最終確認(rèn)與完善。

3.2數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐

將數(shù)控技術(shù)引入到課程設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)中，確保了設(shè)計(jì)成果脫離紙上談兵，讓學(xué)生進(jìn)入到實(shí)戰(zhàn)性質(zhì)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，最終產(chǎn)出細(xì)節(jié)優(yōu)化、制作精良的成品。在本次基于東莞特色的非物質(zhì)文化遺產(chǎn)――“莞香”為主題的設(shè)計(jì)創(chuàng)作教學(xué)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)前期的理論教學(xué)，設(shè)計(jì)方案討論、篩選和確定之后，最后的三周時(shí)間增加了數(shù)控加工制作環(huán)節(jié)。

圖1的設(shè)計(jì)創(chuàng)意是一款名為“凝香”的裝飾性U盤(pán)鏈，該方案巧妙地將莞香油脂凝結(jié)成香的過(guò)程，再通過(guò)心形的包裹形態(tài)進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)。在作品的設(shè)計(jì)階段，圖2分別采用Rhino3D造型軟件和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD軟件完成了效果圖和尺寸圖的繪制，并確定采用黃銅和綠檀進(jìn)行加工;后期在數(shù)控加工中心采用三軸機(jī)床進(jìn)行工藝編程加工制作完成;學(xué)生拿到原型后，再進(jìn)行上打磨、木蠟油、上漆、拋光等表面處理，最終獲得圖3中的成品，與預(yù)期效果相差無(wú)幾。

圖4的設(shè)計(jì)方案以東莞莞香博物館建筑為靈感，將博物館建筑形態(tài)簡(jiǎn)化、重構(gòu)之后設(shè)計(jì)成一款車(chē)載香水瓶，希望借此推廣普及莞香文化。圖5的作品是名為“纏香”的首飾設(shè)計(jì)，以莞香花為設(shè)計(jì)元素，采用黃銅加工制作而成。上述作品中，由于不同材料的選擇和使用，最終獲得的成品原型都能最大程度地還原設(shè)計(jì)初衷，這是3D打印等加工方式難以企及的表面效果。同時(shí)，即便是復(fù)雜造型的設(shè)計(jì)原型，也可以通過(guò)三軸甚至五軸加工機(jī)床實(shí)現(xiàn)一次定位、多軸加工，輕松實(shí)現(xiàn)負(fù)角位置加工。

數(shù)控技術(shù)的高效、便利讓教學(xué)成果得以最佳的方式呈現(xiàn)，反復(fù)修改、確認(rèn)各種設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的辛勞最終換來(lái)的是產(chǎn)品化的實(shí)物原型，學(xué)生面對(duì)手中超預(yù)期的設(shè)計(jì)實(shí)物，所獲得的成就感是難以言表的。

4結(jié)語(yǔ)

產(chǎn)品原型制作是工業(yè)設(shè)計(jì)流程中不可或缺一個(gè)環(huán)節(jié)。數(shù)控成型技術(shù)的應(yīng)用，使產(chǎn)品原型制作的速度和精度都大大提高了，同時(shí)提升了工業(yè)設(shè)計(jì)課堂教學(xué)教學(xué)效果。事實(shí)證明，數(shù)控技術(shù)不僅僅是直接面向制造業(yè)，同樣也可以服務(wù)于工業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)體系、輔助畢業(yè)設(shè)計(jì)成品快速表現(xiàn)等環(huán)節(jié)。工業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)應(yīng)該通過(guò)積極引入各種先進(jìn)技術(shù)、先進(jìn)方法與工藝，不斷嘗試各種先進(jìn)材料，從源頭縮小校企之間的實(shí)踐落差。

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