多約束下的產品形態設計計算機輔助系統研究

李 博 余隋懷 初建杰 楊延璞 杜 微 杜鶴民

西北工業大學現代設計與集成制造技術教育部重點實驗室，西安，710072

0 引言

現代工業設計追求的是多約束下的創造性設計，設計師在產品設計的過程中必須進行分析推理、運籌決策和綜合評價，才能獲得滿意的結果。這實際上是一種人的創造性思維與環境條件交互作用的智能行為。

在產品設計過程中，各種設計需求構成設計約束，從某種意義上說，產品造型設計就是對各類設計約束的協調和滿足。

現在國外國內所進行的產品造型設計主要有兩條途徑：一是對已有產品的改良，稱為改良設計；二是對市場預測或對新技術的整合，稱之為概念設計［1］。在設計實踐過程中，兩者均要受到各種約束條件的影響。

目前，學術界對概念設計方面的研究成果相對成熟，在引入計算機和人工智能技術輔助后，已有的研究大部分側重于對設計優化、評價、知識獲取等某一具體領域的研究［2］，缺乏對設計師或用戶的直覺、經驗和情感等感性因素的有效處理；其次是研究注重對具體的用戶需求的挖掘和滿足［3］，但是對企業本身、對社會發展和對人文精神的需求的關注度不夠。而關于改良設計方面所涉及的較為具體的約束影響，特別是設計參與后續制造各工藝環節的創意結合應用方面的研究更不多見。

產品形態設計要完美實現制造加工，必須滿足形態因素和工藝因素的制約［4］。本文基于對企業中產品加工生產使用的材料特性、加工工藝、表面處理等設計約束因素的研究，建立有效的輔助工具為設計師提供可靠的設計依據，彌補工業設計師在結構、材料、工藝等方面的不足；建立常用結構的構件庫，實現建模的自動化，減少設計中的重復性勞動；傳承和積累設計經驗，有效避免無效的設計工作，縮短產品設計周期，降低產品開發成本。

1 產品形態設計中的約束研究

產品設計是一個自頂向下的過程，即先確定產品的整體形態、色彩、質感，然后再設計出與整體風格相協調的局部［1］。這種設計方法常常忽視了一些工藝條件的限制或設計實例（經驗）的重用，造成了一些部件或造型在制造過程中難以實施。如圖1所示，產品設計過程受到諸多因素的約束［5］。同時，產品開發過程也是一個將各因素綜合考慮，使綜合效益達到最高的過程。產品形態設計作為產品設計的重要環節，也受到諸多因素的影響［6］，如圖2所示。設計人員對相關因素的把握，尤其是材料、結構、工藝等方面的系統把握有利于設計工作的開展。如果能將這些知識及應用實例作為約束條件恰當地應用到新的產品設計過程中，從最初的創意設計階段就加以考慮，無疑將提高設計效率，降低產品制造的風險。

1.1 材料對產品形態的約束

材料對形態的約束應從以下幾個方面考慮：

圖1 產品設計約束模型

（1）材料性能方面。每種材料都有自己固有的屬性，如化學、物理、機械性能，其屬性決定了材料本身的特點，也影響了產品的形態。

（2）材料的感覺物性方面。感覺物性是通過人的感覺器官感覺到的材料的性能。它只能是相對的判斷，但它對人的作用是直接的，且影響很大。如金屬的冷暖度、皮革的柔軟程度、衣料的清爽程度等都屬于材料的感覺物性。

（3）材料的加工工藝對形態的約束。不同材料的加工和成形方法各有差別，因此對產品的形態創新起到直接的作用。材料的固有屬性在一定程度上限制了形態的設計，但隨著加工技術的進步和新方法的產生，這種限制已經越來越少。

（4）新材料、新技術的發展對形態的約束。隨著現代科技的發展，材料領域的科學家們不斷發現和創造出新材料，每年都有多種新材料投入到生產中，這對于產品設計人員而言，無疑提供了更加豐富的想象空間，以前很多不能或很難實現的優美造型，在使用新材料后都能方便地實現。

材料及加工工藝經驗的積累是設計人員的財富。綜上所述，將現有的材料及加工工藝收集整理，然后通過分析，提取其中的設計要點，構建出材料及加工工藝管理庫，在新的產品設計過程中作為材料選擇的依據和材料加工方法選擇的指導方法，將有助于產品形態的順利實現。

1.2 表面處理工藝對質感的約束

產品表面處理工藝直接影響產品的外觀質感。不同的材料和表面處理工藝可形成不同的質感，產品質感的約束因素如圖3所示。如果對表面處理技術及材料的特性不了解，就可能造成設計出的產品質感和實際產品質感之間有偏差，甚至在現有工藝技術條件下無法實現產品的質感。

圖3 產品質感的約束集

因此，有必要建立材料和表面處理工藝及效果的直接聯系，并將常用的表面處理工藝及效果構建成數據庫，該數據庫由兩部分組成，一是表面處理工藝及效果管理數據庫，二是管理數據庫的軟件模塊。表面處理工藝及效果管理數據庫的基本功能是提供表面處理工藝及效果的儲存和管理功能，可以實現瀏覽、修改、添加、刪除等功能。

2 約束條件下的形態設計流程分析

2.1 產品形態設計初期設計流程分析

在以材料與加工工藝管理數據庫為基礎的形態設計模式中，設計人員通過搜索數據庫，獲得材料屬性（包括材料的固有屬性、加工工藝、連接方式、應用領域、設計要求等）的相關知識并掌握其加工成形過程中的影響因素、工藝過程等技術信息，通過這些信息來約束設計師對產品形態的初步設計，其過程如圖4所示，如果材料已經給定，則可直接通過查詢獲得相關信息來約束形態的設計，降低后期制造過程的很多風險。

2.2 產品形態細化設計流程分析

約束條件下的產品形態設計以數據庫為基礎，配合三維平臺的設計工具進行細化設計。經驗數據作為結構設計時的參數約束，而經驗原則作為特征構建順序和設計原則的指導，在結構設計時給予設計人員知識輔助。此模塊有兩種模式：通用結構設計模式和特定結構設計模式。處于通用結構設計模式時，系統只提供通用的經驗設計值和設計原則。處于特定結構設計模式時，通過獲取當前產品或零件的材料屬性，并根據材料提供相應的經驗設計數據和設計原則來完成產品形態的細化設計。特定結構設計模式下所獲得的約束數據更加具體，更加準確。為滿足設計的靈活性可以在通用設計模式上啟動特定結構設計模式。此模塊的設計流程如圖5所示。

圖4 產品形態設計初期設計流程圖

圖5 約束條件下的產品形態細化設計流程圖

2.3 產品質感設計流程分析

產品表面處理工藝及效果庫既可以作為產品質感效果設計的依據也可以作為產品質感效果修改的依據。當設計出質感效果后可以通過語義搜索、基材搜索、工藝搜索等方式找到相關的設計實例，然后通過設計師對設計效果和真實效果的對比，來了解質感效果的可實現情況，不斷地完善設計效果并為后續的產品質感效果的實現提供方法性指導，其流程如圖6所示。

2.4 常用構件的參數化設計流程分析

在產品開發過程中，經常會用到大量的通用件、標準件、相似件，重復建模將浪費大量的人力和時間。將產品設計中常用的構件建庫并實現參數化設計可以減少設計的工作量，簡化設計流程。

參數化設計也稱尺寸驅動，本質是基于約束的模型描述方法［7］。參數化設計技術采用參數預定義的方法建立圖形的幾何約束集，指定一組尺寸作為參數使其與幾何約束集相關聯，并將所有的關系式融入到應用程序中，然后以人機交互方式修改參數尺寸，通過參數化驅動實現對設計結果的修改［8-9］。

圖6 產品的質感設計流程圖

參數化實現的方式有編程方式和基于模板的方式兩種［10］。基于模板的方式利用CAD系統的參數化建模功能建立構件的模板文件，把構件的系列參數存入參數庫中，調用時通過相應的參數映射機制生成實例化零件。這種參數化驅動的意義在于對具有相同特征的構件均可以用同一個模板文件來構造，而不必為每個尺寸的變化重新構建。使用參數化驅動技術可以增加構件庫的靈活性和豐富性，它可以利用同一個模板經過改變尺寸參數而構造出無數個構件實例。本文就使用了這種模板文件加參數驅動的機制，其參數化設計過程見圖7。

圖7 參數化設計過程

2.5 形態設計多約束數據庫的構成分析

在產品設計的三維建模和形態細化設計階段，有很多重要的工藝經驗和設計原則對于工業設計人員和工程師有重要的參考價值，但很多有用的工藝經驗和設計原則沒有被很好地再利用。重用已積累的經驗和設計原則，是提高設計效率的重要手段。本文提出一種將有用的設計經驗和原則收集、整理、分類，形成約束庫的方法。將該方法應用到新產品形態細化設計中，能夠降低產品形態實現過程中的風險。該數據庫包含塑膠類、鈑金類、玻璃、木材、陶瓷等五大類材料在制造時的加工工藝約束信息［11-13］，圖8為具體的工藝約束構成示意。

圖8 各類材料加工工藝約束的構成

為了方便各種設計原則和設計經驗數據的獲取和再利用，利用數據庫技術將這些原則和數據設計為底層的支持模塊，通過它們可以對產品的形態細化設計進行約束。該數據庫主要包含五部分：鈑金件信息庫、塑膠件信息庫、玻璃信息庫、木材信息庫、陶瓷信息庫。各庫都包含了所述類別的設計原則和設計經驗數據。通過數據庫管理系統統一管理數據，可以對數據庫中的數據進行調用、查詢、增加、刪除和修改，以提高設計效率。

3 構建產品形態設計CAD系統

3.1 需求分析

產品形態設計CAD系統需求包含多方面的內容：首先，產品設計是一個復雜過程，其設計過程涉及多方面知識，系統必須能為設計師提供全面的知識和經驗輔助；其次，系統建立在工業設計理論之上，必須符合設計師的思維習慣和工作方式，在操作方式上，要采用人性化、自然的方式來輔助設計師完成操作；再次，從實現方面看，要求系統具有可擴展性，并易于升級，因為隨著新材料、新工藝的發展，結構、材料、工藝等也在不斷發展更新，而設計人員的經驗也在不斷積累；最后，系統性能必須穩定、可靠。

3.2 系統框架設計

在系統需求分析的基礎上設計系統框架。框架的構建采用基于組件的思想，整個系統由多個組件模塊構成，如圖9所示。

圖9 系統框架圖

3.3 系統各模塊的實現

構建產品形態設計輔助系統（CAFDS），以基于工藝約束的產品形態細化設計模塊為例，說明系統各模塊的實現方法。該模塊實現形態細化的約束設計的工作流程如下（圖10）：①在Pro／E平臺下啟動系統的特征設計工具；②開啟相應輔助設計工具，訪問數據庫，獲得相應的經驗值和設計原則；③根據經驗值和設計原則確定合適的參數；④輸入參數，完成特征創建。

圖10 產品細化設計模塊的工作流程圖

此模塊的數據庫亦使用Microsoft Access建立。基于工藝約束的產品形態細化設計數據庫包含五個表，分別是塑膠類表（PlasticTable）、金屬類表（MetalTable）、玻璃類表（GlassTable）、木材類表（WoodTable）、陶瓷類表（ChinaTable）。以塑膠類數據表的設計為例，說明其構建過程，如表1所示。

表1 塑膠類表的構成

通過ADO數據訪問技術訪問工藝約束庫的流程如圖11所示。

圖11 工藝約束數據庫訪問流程圖

4 系統應用驗證

4.1 系統的運行

本系統采用手動注冊的方式。其步驟如下：啟動Pro／E三維設計平臺，選擇“工具”下拉菜單的“輔助應用程序”菜單項，出現如圖12所示對話框。單擊對話框“注冊”項，選中形態設計輔助系統的注冊文件，系統將顯示應用程序名稱，選中應用程序名稱，單擊啟動后，CAFDS系統已經加載到系統中，如圖13所示。系統注冊完成后菜單如圖14所示。

圖12 注冊輔助應用程序對話框

圖13 CAFDS成功運行顯示

圖14 系統注冊完成后的菜單

4.2 系統的驗證

本節將以一款載人航天試驗艙艙內控制柜的外殼造型及鈑金件設計為例對系統的各個模塊進行驗證。鈑金件造型包含的主要造型因素有外殼、中框、底框、柜門、整體色彩、整體質感等。

鈑金部分功能的驗證：從圖15可以得到相應工藝的設計原則并可以根據原則對當前設計尺寸進行評估，核實其是否符合設計經驗。

圖15 鈑金件沖裁工藝輔助設計界面

鈑金件設計中涉及的其他結構內容較多，本文只對一款載人航天試驗艙艙內控制柜外殼所涉及的一些內容進行了驗證，其他功能驗證未列出。

5 結語

本文在研究產品與形態設計相關的結構、材料、工藝等相關多約束條件的基礎上，根據設計人員的需求構建了產品形態設計輔助系統，并將其集成到三維設計平臺Pro／E 2.0上，對各模塊的功能進行了應用驗證。該輔助系統能使設計人員加深對結構、材料、工藝的理解，有利于在產品設計初期就把握產品形態設計實現的技術方向，有效減小概念創意和實際產品的偏差，提高設計人員工作效率，減少設計的重復性工作，從而可以縮短產品的開發周期，降低開發成本，提高產品的市場競爭力。

［1］陳漢青.產品設計［M］.武漢：華中科技大學出版社，2005.

［2］王偉偉，余隋懷，楊剛俊，等.約束驅動的產品形態概念設計智能優化模型研究［J］.中國機械工程，2011，15：1770-1775.Wang Weiwei，Yu Suihuaii，Yang Gangjun，et al.Research on Intelligent Optimization Model for Constraint-driven Product Conceptual Design［J］.China Mechanical Engineering，2011，22（15）：1770-1775.

［3］Mohannad M，Manohar D，Cheok Ka C.Modeling and Simulation of an Advanced Intelligent Restraint System［C］／／2009IEEE International Systems Conference Proceedings. Vancouver，BC， Canada：ISCP，2009：333-337

［4］Sun Liqing，Lin Yi，Sun Fengchun.Simulation of Restraint System Performance upon the Occupant’s Response during Impact［J］.Journal of Beijing Institute of Technology，1999，6：207-213.

［5］李婕靜.TCL波輪洗衣機造型設計工藝實現的應用研究［D］.北京：清華大學，2006.

［6］John W.Creswell.Research Design Qualitative，Quantitative，and Mixed Methods Approaches［M］.Thousand Oaks，Calif.：Sage Publications Inc.，2008.

［7］孟祥旭，徐延寧.參數化設計研究［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2002，14（11）：1086-1090.Meng Xiangxu，Xu Yanning.A Survey of the Research Works on Parametric Design［J］.Journal of Computer-aided Design ＆ Computer Graphics，2002，14（11）：1086-1090.

［8］丁煒.家電產品的三維造型設計方法的研究［J］.機械開發，1999（1）：37-40.Ding Wei.Research on Three-dimensional Modeling Design Method for Household Electrical Appliances［J］.Machinery Development，1999（1）：37-40.

［9］鄭飛.基于Pro／E的網絡標準件庫系統的研究與開發［D］.武漢：華中科技大學，2006.

［10］蔡波，陸長德，余隋懷，等.自頂向下的計算機輔助工業設計幾何建模研究［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2001（12）：1129-1132.Cai Bo，Lu Changde，Yu Suihuai，et al.Research on Top-Down Geometric Modeling in Computer Aided Industrial Design ［J］. Journal of Computer-aided Design ＆ Computer Graphics，2001（12）：1129-1132.

［11］Zhou Q，Chinb K S，Yarlagaddaa P K D V.Internet-based Intensive Product Design Platform Forproduct Design［J］.Knowledge Based System，2003，16：7-15.

［12］張毅，郭鋼.產品設計中多維工程約束的研究［J］.機械工藝師，2000（9）：52-54.Zhang Yi，Guo Gang.Research on Multidimensional Engineering Constraints for Product Desingn［J］.Mechnical Process Engineer，2000（9）：52-54.

［13］吳斌.基于Pro／E平臺的標準件庫系統研究及管理工具開發［D］.武漢：華中科技大學，2004.