利用快速原型制造技術加速產品概念設計進程

陳友良 黃玉清

（1、中國中鐵電氣化勘測設計研究院，天津300250 2、北京國家知識產權局專利審查協作中心，北京100000）

1 概述

概念設計是產品設計中最關鍵、最復雜、最具綜合性、決定性和和創造性的階段，其重要性體現在兩個方面：首先概念設計階段在很大程度上決定著最終產品的性能、創造性、價格、市場響應速度和效率等，此外，據有關資料顯示，雖然概念設計階段實際投入的費用只占產品開發總成本的5%，卻決定了產品總成本的70%。而且詳細設計階段很難甚至不能糾正概念設計階段的設計缺陷和錯誤，它嚴重影響到產品設計與開發。

快速成型是利用材料堆積法制造實物產品的一項高新技術。它能根據產品的三維模型數據，不借助其他工具設備，迅速而精確地制造出該產品，集中體現了計算機輔助設計、數控、激光加工、新材料開發等多學科、多技術的綜合應用。傳統的零件制造過程往往需要車、鉗、銑、刨、磨等多種機加工設備和各種工裝、模具，成本既高又費時間。一個比較復雜的零件，其加工周期甚至以月計，很難適應低成本、高效率的要求。快速成型能夠適應這種要求，因此是現代制造技術的一次重大變革。

為此本文提出將快速成型技術與機械產品的概念設計結合起來，在產品的設計初期的概念設計階段就能夠在盡可能少的時間內得到產品的雛形，將大大有利于對方案進行驗證和改進，并產生更合理方案。這些無疑將大大減少產品在后續的設計階段存在的缺陷，使整個設計過程更加趨向合理。

2 產品的概念設計方法

2.1 產品設計的設計程序

關于產品的設計過程和模型國內外已經有很多的論述，文獻[3]將其歸納為主要的三種方法：一是Pahl和Beitz認為：機械設計分為明確任務、概念設計、技術設計和施工設計等四個階段。二是Koller認為：機械設計分為產品規劃、功能設計、定性設計和定量設計等四個階段。三是鄒慧君教授提出：機械設計分為產品規劃、方案設計、詳細設計和改進設計等四個階段。并提出在產品的設計的過程中主要重視的是功能和定性設計。

2.2 產品的概念設計方法

產品的設計過程可以概括為兩步，即：概念設計和構型設計。而其中概念設計的目的是制定出方案。當前，關于產品的設計方法和概念設計方法已有很多種，當工程師面對一項計劃時，經驗是產生概念設計的最佳方法。沒有經驗的工程師可以從傳統的理性化方法出發來解決問題，如利用在表一種所列出的方法。盡管關于應用于方法概念設計的方法眾多，這些方法大多是理性化的方法。

3 計算機輔助概念設計

近年來，隨著計算機圖形學、多媒體技術、虛擬現實技術的發展以及CAD/CAM應用的深入，現代產品概念設計理論與技術的研究有了長足的進步。計算機輔助概念設計(computeraided conceptual design,CACD)已成為CAD/CAM和CIMS領域的一個研究熱點。

CACD是CAD領域的一個重要分支。它涉及設計方法學、人機工程學、人工智能技術、CAD技術以及認知與思維科學。CACD系統是一種輔助性的設計工具，隨著功能的逐步強大，它必然越來越受到概念設計師的歡迎，而在概念設計過程中最終替代傳統的CAD系統。

傳統的CAD系統雖能產生復雜、精確和完整的三維造型，但由于其本身并不是為概念設計而開發的，同時缺乏設計方法學的支持，沒有體現概念設計的創造性過程。另外，它存在許多約束限制，不允許快速輸入和再現不完備的概念造型，從而導致其基本上是一個在設計方案基本定型之后的概念化（草圖化）繪圖工具，而非輔助設計工具。針對上述情況，產生了CACD系統。其根本目的就在于能有效支持產品的創新設計。

目前，世界上大型的CAD/CAM/CAE軟件系 統，如Pro/Engineer、EDSUnigraphics、EUCLID、Autodesk、Solidworks、Alias、Softimage等，都提供了有關產品早期設計的系統模塊，稱之為工業設計模塊、概念設計模塊或草圖設計模塊。

4 快速成型技術實現概念方案

4.1 快速成型技術

在機械工程中，快速成型技術是建立原型來驗證相關的設計是否成功。驗證“成功”的設計有很多的方面，包括：正確的外形和尺寸，足夠的強度等等。不同的原型類型需要回答這些不同的問題。快速成型的領域已經發展成為自動的系統，即可以將計算機實體模型轉化為三維人造物，不管結構多么復雜。因此該技術也叫做“分層加工”或者“實體的任意制作”。

傳統的零件成型方法是利用模具或刀具使材料成型，快速原型/零件制造技術則利用激光等物理手段，向用戶提供物理原型，快速修改設計方案，從而大大減少了新產品開發前期的時間和費用。不受零件幾何形狀的限制，能夠制造出常規加工技術無法實現的復雜幾何形狀的零件。在機械制造、航空航天、汽車、建筑、醫學、美術、考古等眾多領域的應用越來越廣泛，圖1為用RP技術制作的汽車模型。當制作的模型較大時可以分割成幾個部分分別加工然后再將其粘結起來。圖2為一較大零件分割為可用RP技術制造的零件示意圖。

一個快速成型系統包括計算機輔助設計系統、自動處理單元和自動制作機，如圖3所示。并且整個過程的接口在于CAD系統中三維模型的輸入，RP系統接受Stl和.iges文件。而目前的很多的CAD三維軟件都具有實現這些文件的功能，如pro/e和AutoCAD等。在1996年底的統計中，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內的也有一定的使用和普及程度，一些高校的相關專業還開設了相應的課程，這也大大有利于快速成型技術的推廣和普及。

圖1 RP技術制作的汽車模型

圖2 零件分割示意圖

圖3 快速成型系統示意圖

4.2 利用RP技術實現產品的制作

當前快速成型技術在機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，大量應用實例表明，RP技術縮短產品開發時間、降低開發成本的效果是極其明顯的。例如美國Pratt&Whitney實驗室于1994年制造了2000個鑄件，按常規方法約需700萬美元，而用RP方法，只用了60~70萬美元，生產時間節約了70%-90%。

前面提到在產品的概念設計中一般不進行具體設計，但對于在概念設計階段產生的致命錯誤將會直接影響到產品以后的設計階段以及產品本身，特別是對于在創新設計中產生的多個方案的選擇，實際模型將更具有說服力。雖然RP技術有一定的制作費用，會增加產品在概念設計階段的費用，但是概念設計決定了產品總成本的70%。因此，從整個產品來說是有利的。

4.3 機械產品制作實例

在機械概念設計中產生的原始方案一般比較簡單，一些方案干脆由構件和運動副組成。如圖4（a）為Stewart并聯機器人的結構簡圖。其包括了六條支鏈，每條支鏈包括了兩個球面副和一個移動副，機構整體自由度為6。機器人中的球面副利用傳統的加工方法相當困難，而機器人整體用RP技術制造，則簡單了很多，只需要提供相應的三維實體模型，便可以在快速成型機上完成，圖4（b）為用RP技術加工的機器人模型圖。

利用RP技術加工模型的優點不僅在于加工普通制造方法無法實現的模型，對于一些常用件來講也有其獨特的優勢，在概念設計階段，方案往往需要反復的修改，而普通加工技術需要大量的時間，但RP技術則可以大大減少模型的加工時間，而且目前很多的三維軟件繪圖都是參數化的，如Pro/e,CATIA等，因而可以非常方便地進行修改。另外，還可以加工一系列的帶有運動副的構件和相應是連接件，由于產品的概念設計并不要求具體的參數，因此可以將其廣泛應用與多個產品的設計中去。技術人員可以對所設計的機械裝置方案進行任意的組合和創新，使整個設計過程更加直觀有效，并且將大大推進機械產品概念設計的模型化進程。

圖4 Stewart并聯機器人結構簡圖和用RP技術加工的平臺原型

5 結語

隨著CAD與CAM結合的不斷緊密，產品的開發周期將大為減小，因此也對產品初期的概念設計提出了新的要求。將先進的RP技術應用于概念設計中方案的實現無疑將利于整個產品的開發，使概念設計更加趨向合理。雖然增加了產品在概念設計階段的費用，但從整個產品的設計的過程來說是有利的，并且將大大減少產品實現階段的費用。

[1]關立文，黃洪鐘，趙正佳等.機械產品概念設計：綜述與展望[J].機械設計.2001（8）：1-9.

[2]鄒慧君，汪利，王永石等.機械產品概念設計及其方法綜述[J].機械設計與研究.1998（2）：9-12.

[3]孫守遷，包恩偉，陳蘅等.計算機輔助概念設計研究現狀和發展趨勢[J].中國機械工程，1999，10（6）：697-701.

[4]潘云鶴.智能CAD方法與模型[M].北京：科學出版社.1997.

[5]黃樹槐.快速原型制造技術的進展[J].中國機械工程.1997，8（5）：8-12.

[6]檀潤華,王慶禹.產品設計過程模型、策略與方法綜述[J].機械設計，2000（11），1-4.

[7]John Kietzman.Rapid Prototyping Polymer Parts Via Shape Deposition Manufacturing[D].1999,Standford University.