陳友良 黃玉清

（1、中國(guó)中鐵電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津300250 2、北京國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利審查協(xié)作中心，北京100000）

1 概述

概念設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵、最復(fù)雜、最具綜合性、決定性和和創(chuàng)造性的階段，其重要性體現(xiàn)在兩個(gè)方面：首先概念設(shè)計(jì)階段在很大程度上決定著最終產(chǎn)品的性能、創(chuàng)造性、價(jià)格、市場(chǎng)響應(yīng)速度和效率等，此外，據(jù)有關(guān)資料顯示，雖然概念設(shè)計(jì)階段實(shí)際投入的費(fèi)用只占產(chǎn)品開(kāi)發(fā)總成本的5%，卻決定了產(chǎn)品總成本的70%。而且詳細(xì)設(shè)計(jì)階段很難甚至不能糾正概念設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)缺陷和錯(cuò)誤，它嚴(yán)重影響到產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

快速成型是利用材料堆積法制造實(shí)物產(chǎn)品的一項(xiàng)高新技術(shù)。它能根據(jù)產(chǎn)品的三維模型數(shù)據(jù)，不借助其他工具設(shè)備，迅速而精確地制造出該產(chǎn)品，集中體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、數(shù)控、激光加工、新材料開(kāi)發(fā)等多學(xué)科、多技術(shù)的綜合應(yīng)用。傳統(tǒng)的零件制造過(guò)程往往需要車(chē)、鉗、銑、刨、磨等多種機(jī)加工設(shè)備和各種工裝、模具，成本既高又費(fèi)時(shí)間。一個(gè)比較復(fù)雜的零件，其加工周期甚至以月計(jì)，很難適應(yīng)低成本、高效率的要求。快速成型能夠適應(yīng)這種要求，因此是現(xiàn)代制造技術(shù)的一次重大變革。

為此本文提出將快速成型技術(shù)與機(jī)械產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)初期的概念設(shè)計(jì)階段就能夠在盡可能少的時(shí)間內(nèi)得到產(chǎn)品的雛形，將大大有利于對(duì)方案進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)，并產(chǎn)生更合理方案。這些無(wú)疑將大大減少產(chǎn)品在后續(xù)的設(shè)計(jì)階段存在的缺陷，使整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程更加趨向合理。

2 產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)方法

2.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)程序

關(guān)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程和模型國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多的論述，文獻(xiàn)[3]將其歸納為主要的三種方法：一是Pahl和Beitz認(rèn)為：機(jī)械設(shè)計(jì)分為明確任務(wù)、概念設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)等四個(gè)階段。二是Koller認(rèn)為：機(jī)械設(shè)計(jì)分為產(chǎn)品規(guī)劃、功能設(shè)計(jì)、定性設(shè)計(jì)和定量設(shè)計(jì)等四個(gè)階段。三是鄒慧君教授提出：機(jī)械設(shè)計(jì)分為產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和改進(jìn)設(shè)計(jì)等四個(gè)階段。并提出在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)的過(guò)程中主要重視的是功能和定性設(shè)計(jì)。

2.2 產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)方法

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程可以概括為兩步，即：概念設(shè)計(jì)和構(gòu)型設(shè)計(jì)。而其中概念設(shè)計(jì)的目的是制定出方案。當(dāng)前，關(guān)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法和概念設(shè)計(jì)方法已有很多種，當(dāng)工程師面對(duì)一項(xiàng)計(jì)劃時(shí)，經(jīng)驗(yàn)是產(chǎn)生概念設(shè)計(jì)的最佳方法。沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的工程師可以從傳統(tǒng)的理性化方法出發(fā)來(lái)解決問(wèn)題，如利用在表一種所列出的方法。盡管關(guān)于應(yīng)用于方法概念設(shè)計(jì)的方法眾多，這些方法大多是理性化的方法。

3 計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展以及CAD/CAM應(yīng)用的深入，現(xiàn)代產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)理論與技術(shù)的研究有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)(computeraided conceptual design,CACD)已成為CAD/CAM和CIMS領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

CACD是CAD領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。它涉及設(shè)計(jì)方法學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、人工智能技術(shù)、CAD技術(shù)以及認(rèn)知與思維科學(xué)。CACD系統(tǒng)是一種輔助性的設(shè)計(jì)工具，隨著功能的逐步強(qiáng)大，它必然越來(lái)越受到概念設(shè)計(jì)師的歡迎，而在概念設(shè)計(jì)過(guò)程中最終替代傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)雖能產(chǎn)生復(fù)雜、精確和完整的三維造型，但由于其本身并不是為概念設(shè)計(jì)而開(kāi)發(fā)的，同時(shí)缺乏設(shè)計(jì)方法學(xué)的支持，沒(méi)有體現(xiàn)概念設(shè)計(jì)的創(chuàng)造性過(guò)程。另外，它存在許多約束限制，不允許快速輸入和再現(xiàn)不完備的概念造型，從而導(dǎo)致其基本上是一個(gè)在設(shè)計(jì)方案基本定型之后的概念化（草圖化）繪圖工具，而非輔助設(shè)計(jì)工具。針對(duì)上述情況，產(chǎn)生了CACD系統(tǒng)。其根本目的就在于能有效支持產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

目前，世界上大型的CAD/CAM/CAE軟件系 統(tǒng)，如Pro/Engineer、EDSUnigraphics、EUCLID、Autodesk、Solidworks、Alias、Softimage等，都提供了有關(guān)產(chǎn)品早期設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模塊，稱之為工業(yè)設(shè)計(jì)模塊、概念設(shè)計(jì)模塊或草圖設(shè)計(jì)模塊。

4 快速成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)概念方案

4.1 快速成型技術(shù)

在機(jī)械工程中，快速成型技術(shù)是建立原型來(lái)驗(yàn)證相關(guān)的設(shè)計(jì)是否成功。驗(yàn)證“成功”的設(shè)計(jì)有很多的方面，包括：正確的外形和尺寸，足夠的強(qiáng)度等等。不同的原型類(lèi)型需要回答這些不同的問(wèn)題?？焖俪尚偷念I(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展成為自動(dòng)的系統(tǒng)，即可以將計(jì)算機(jī)實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為三維人造物，不管結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜。因此該技術(shù)也叫做“分層加工”或者“實(shí)體的任意制作”。

傳統(tǒng)的零件成型方法是利用模具或刀具使材料成型，快速原型/零件制造技術(shù)則利用激光等物理手段，向用戶提供物理原型，快速修改設(shè)計(jì)方案，從而大大減少了新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)前期的時(shí)間和費(fèi)用。不受零件幾何形狀的限制，能夠制造出常規(guī)加工技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜幾何形狀的零件。在機(jī)械制造、航空航天、汽車(chē)、建筑、醫(yī)學(xué)、美術(shù)、考古等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，圖1為用RP技術(shù)制作的汽車(chē)模型。當(dāng)制作的模型較大時(shí)可以分割成幾個(gè)部分分別加工然后再將其粘結(jié)起來(lái)。圖2為一較大零件分割為可用RP技術(shù)制造的零件示意圖。

一個(gè)快速成型系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)、自動(dòng)處理單元和自動(dòng)制作機(jī)，如圖3所示。并且整個(gè)過(guò)程的接口在于CAD系統(tǒng)中三維模型的輸入，RP系統(tǒng)接受Stl和.iges文件。而目前的很多的CAD三維軟件都具有實(shí)現(xiàn)這些文件的功能，如pro/e和AutoCAD等。在1996年底的統(tǒng)計(jì)中，RP所使用的軟件在前幾位的分別是：Pr／E（58%），UngraPhy（20%），SDRCI-DEAS（12%）,Computervision（9%），CATIA（6%）,AutoCAD（4%）。而目前這些軟件在國(guó)內(nèi)的也有一定的使用和普及程度，一些高校的相關(guān)專業(yè)還開(kāi)設(shè)了相應(yīng)的課程，這也大大有利于快速成型技術(shù)的推廣和普及。

圖1 RP技術(shù)制作的汽車(chē)模型

圖2 零件分割示意圖

圖3 快速成型系統(tǒng)示意圖

4.2 利用RP技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的制作

當(dāng)前快速成型技術(shù)在機(jī)械中主要用于制造模具和金屬零件，由RP直接做出注塑模等，大量應(yīng)用實(shí)例表明，RP技術(shù)縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間、降低開(kāi)發(fā)成本的效果是極其明顯的。例如美國(guó)Pratt&Whitney實(shí)驗(yàn)室于1994年制造了2000個(gè)鑄件，按常規(guī)方法約需700萬(wàn)美元，而用RP方法，只用了60~70萬(wàn)美元，生產(chǎn)時(shí)間節(jié)約了70%-90%。

前面提到在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)中一般不進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，但對(duì)于在概念設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的致命錯(cuò)誤將會(huì)直接影響到產(chǎn)品以后的設(shè)計(jì)階段以及產(chǎn)品本身，特別是對(duì)于在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的多個(gè)方案的選擇，實(shí)際模型將更具有說(shuō)服力。雖然RP技術(shù)有一定的制作費(fèi)用，會(huì)增加產(chǎn)品在概念設(shè)計(jì)階段的費(fèi)用，但是概念設(shè)計(jì)決定了產(chǎn)品總成本的70%。因此，從整個(gè)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)是有利的。

4.3 機(jī)械產(chǎn)品制作實(shí)例

在機(jī)械概念設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的原始方案一般比較簡(jiǎn)單，一些方案干脆由構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副組成。如圖4（a）為Stewart并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。其包括了六條支鏈，每條支鏈包括了兩個(gè)球面副和一個(gè)移動(dòng)副，機(jī)構(gòu)整體自由度為6。機(jī)器人中的球面副利用傳統(tǒng)的加工方法相當(dāng)困難，而機(jī)器人整體用RP技術(shù)制造，則簡(jiǎn)單了很多，只需要提供相應(yīng)的三維實(shí)體模型，便可以在快速成型機(jī)上完成，圖4（b）為用RP技術(shù)加工的機(jī)器人模型圖。

利用RP技術(shù)加工模型的優(yōu)點(diǎn)不僅在于加工普通制造方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的模型，對(duì)于一些常用件來(lái)講也有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在概念設(shè)計(jì)階段，方案往往需要反復(fù)的修改，而普通加工技術(shù)需要大量的時(shí)間，但RP技術(shù)則可以大大減少模型的加工時(shí)間，而且目前很多的三維軟件繪圖都是參數(shù)化的，如Pro/e,CATIA等，因而可以非常方便地進(jìn)行修改。另外，還可以加工一系列的帶有運(yùn)動(dòng)副的構(gòu)件和相應(yīng)是連接件，由于產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)并不要求具體的參數(shù)，因此可以將其廣泛應(yīng)用與多個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中去。技術(shù)人員可以對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)械裝置方案進(jìn)行任意的組合和創(chuàng)新，使整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程更加直觀有效，并且將大大推進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的模型化進(jìn)程。

圖4 Stewart并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和用RP技術(shù)加工的平臺(tái)原型

5 結(jié)語(yǔ)

隨著CAD與CAM結(jié)合的不斷緊密，產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期將大為減小，因此也對(duì)產(chǎn)品初期的概念設(shè)計(jì)提出了新的要求。將先進(jìn)的RP技術(shù)應(yīng)用于概念設(shè)計(jì)中方案的實(shí)現(xiàn)無(wú)疑將利于整個(gè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，使概念設(shè)計(jì)更加趨向合理。雖然增加了產(chǎn)品在概念設(shè)計(jì)階段的費(fèi)用，但從整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)的過(guò)程來(lái)說(shuō)是有利的，并且將大大減少產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)階段的費(fèi)用。

[1]關(guān)立文，黃洪鐘，趙正佳等.機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)：綜述與展望[J].機(jī)械設(shè)計(jì).2001（8）：1-9.

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