CAD及虛擬技術在挖掘機產品概念設計中的應用與實施

馬　萌　李訓迪　王　穩　高　峰　常文凱

（中國礦業大學藝術與設計學院，江蘇徐州 221000）

CAD及虛擬技術在挖掘機產品概念設計中的應用與實施

馬萌李訓迪王穩高峰常文凱

（中國礦業大學藝術與設計學院，江蘇徐州 221000）

隨著科學技術的突飛猛進，特別是在計算機技術和生命技術的引領下，21世紀的設計也處在大反思的階段。與此同時，虛擬設計隨著科學技術的高速發展，特別是信息時代的到來應運而生。以虛擬設計平臺為基礎，結合計算機輔助設計技術，進行挖掘機概念探索與設計創新。利用了虛擬設計的數字化、交互性、沉浸感、虛擬制造、虛擬仿真等優點，對實際產品設計過程進行指導。

虛擬技術 CAD軟件 挖掘機概念設計

1　CAD及虛擬技術在挖掘機設計中的應用現狀

虛擬設計（Virtual Design）是一種新的設計概念和技術，它涉及眾多學科和專業知識，廣泛應用于企業的生產與制造之中。本質上講，虛擬設計是將產品從概念設計到投入使用的全過程（PLM，產品生命周期）在計算機上構造的虛擬環境中虛擬地實現，其目標不僅是對產品的物質形態和制造過程進行模擬和可視化，而是對產品的性能，行為和功能以及在產品實現的各個階段中的實施方案進行預測、評價和優化。它是產品開發的測試床。

全球化、網絡化和虛擬化已成為制造業發展的重要特征，實現“虛擬設計”（Virtual Design）是制造業信息化的重要內容。近年來，為了縮短產品的開發周期、降低生產成本，人們提出了各種各樣的制造模式。計算機技術的發展為這些制造模式的應用提供了有力的支持，提倡虛擬設計就是提倡無形設計和非物質設計，利用CAD軟件輔助設計，在挖掘機等大型工程機械的設計概念構想階段，草圖階段和最終效果呈現以及裝配檢驗階段起到了很好的助力作用，貫穿了可持續的設計理念。

2　虛擬技術平臺分析

2.1人文平臺

近年來，可持續設計成為設計主導趨勢。三大方向之一就是虛擬設計，虛擬設計倡導以人為本，提倡無形設計，即從物的設計轉變為非物質的設計、從產品的設計轉變為服務的設計、從占有產品轉變為共享服務。在設計的過程中，虛擬設計是溝通消費者和企業以及設計師的紐帶，通過這個平臺，顧客可以滿足自己對于產品的獨特審美需求，還可以得到個性化的服務。設計師基于虛擬技術平臺可以高效率的進行設計探索，企業也可以降低自己的生產成本。

2.2科技平臺

C A D是虛擬設計的主要手段，類似P R O/E n g i n e e r、Unigraphics、AutoCAD、Solid works、VRML、VR-PlatForm、Unit 3D等這類軟件都為產品設計提供了很好的解決方案，對設計的影響涉及概念設計階段，草圖設計階段，設計效果呈現階段。隨著社會逐步進入互聯網時代，結合互聯網技術，設計的過程更加透明化，用戶可以參與到設計的整個流程，因此虛擬技術提高了產品的可制造性。與此同時，互聯網平臺提供了更多新技術的可接觸性，加強了產品互動仿真體驗。產品制造商和消費者借助這些平臺可以實時參與設計，從而達到設計者和使用者情感共鳴，實現雙贏。

基于這些平臺，產品設計從模型階段就進入了整體驗證階段，無論是虛擬模型的視覺性體驗還是產品模塊之間的虛擬裝配測試都得到了充分的利用。

3　設計實踐探索

3.1CAD——虛擬模型設計

3DS Max的優勢是可以以可視化的方式快速搭建復雜的三維模型，并且為它們添加效果精良的材質貼圖，環境效果和動畫制作，但是它缺乏操作者對虛擬物體的控制能力，因而它不能滿足我們系統要求實現的要求。所以本文要闡述的設計實踐案例中主要利用的CAD軟件是犀牛Rhino和Keyshot。而虛擬系統可以由VRML、VRPlatForm、Unit 3D等軟件平臺構建。

Rhino早些年一直應用在工業設計專業，擅長于產品外觀造型建模，但隨著程序相關插件的開發，應用范圍越來越廣，近些年在建筑設計領域應用越來越廣，Rhino配合grasshopper參數化建模插件，可以快速做出各種優美曲面的建筑造型，其簡單的操作方法、可視化的操作界面深受廣大設計師的歡迎。另外在珠寶、家具、鞋模設計等行業也應用廣泛。它可以將草圖進行三維展現，以供設計師和工程師進行參考輔助設計，（如圖1）通過定位各種挖掘機零件的位置，最終構建出立體的模型，為下一步設計的開展提供了可視化模型。

同時還可以模擬零件裝配，對挖掘機的內部結構進行匹配，從而對實際生產情況進行虛擬仿真（如圖2）。

作為虛擬制造的關鍵技術之一，虛擬裝配技術近年來受到了學術界和工業界的廣泛關注，并對敏捷制造、虛擬制造等先進制造模式的實施具有深遠影響。本文通過建立產品數字化裝配模型（如圖3），取代了傳統設計中的物理樣機，從而方便的對產品的裝配進行模擬和分析，預估產品的裝配性能，及早發現潛在的裝配空間、靜態干涉、動態干涉（rhino在這個干涉檢查等功能方面很弱，一般情況檢查干涉等在proe等大型專用軟件中去分析），并將這些反饋信息進行整理，指導優化再設計，從而進行設計上的創新與改進。運用該技術不但有利于并行工程的開展實施，而且可以大大縮短產品開發周期，降低生產成本，提高產品在市場中的競爭力。

虛擬模型通過Keyshot進行材質嘗試和配色探索，3D渲染和動畫過程模擬。通過KeyShot，用戶就能更好地控制顏色選項，在當前場景的任何一個地方挑選顏色，并可將所選的顏色保存到一個新的調色板內。挖掘機的材質和顏色的虛擬匹配可以降低大量的人力物力的耗費，縮短設計周期，如圖4。同時，產品使用場景的虛擬模擬可直觀地反饋產品運行信息，如圖5所示，設計者對此加以總結、改進，節省實驗成本，達到預期成果。而且在渲染軟件中，可以按照挖掘機工作的實際路況和光線環境進行參數設置，從而達到模擬場景的目的，然后將反饋信息進行處理，對設計進行改進。

利用CAD軟件，對挖掘機的工作狀態和行走方式進行虛擬仿真，挖掘機在行駛過程中有四種狀態:第一狀態（高速行駛狀態）:使用輪胎行駛，挖臂和駕艙完全收回，保證最快速度；第二狀態（機動工作狀態）:使用履帶行駛，挖臂展開，駕艙收回，可處理機動性工作；第三狀態（完全部署狀態）:前輪作為支架，車身后傾，挖臂完全展開，駕艙被抬高確保最大視野，可處理相對重型的工作；第四狀態（高處挖掘狀態）:前輪傾斜以適應坡度，挖臂完全展開，可處理相對高處的作業（如圖6，如圖7）。

3.2CAD——模型實物制作

利用CAD三維設計軟件制作出的三維模型，通過快速成型工藝制作出挖掘機各部件，并拼裝成型，從而檢驗設計概念的合理性與可改進處（如圖8）。

4　結語

通過應用CAD及虛擬技術，我們完成了針對城市使用和雪地使用的挖掘機概念設計與探索，并發掘出適合各自環境特點的可行性解決方案，例如全收縮式挖臂，快速轉換履帶輪胎系統，雪橇履帶系統等。通過運動虛擬仿真，檢驗設計的合理性，同時通過產品外觀材質渲染，找到適合各自特點的配色和材質方案。

［1］袁名松，遲毅林，張淼.虛擬設計發展現狀及未來發展方向.昆明理工大學學報（理工版）［J］.2002（2）：18-20.

［2］周贊.基于挖掘任務的挖掘機虛擬交互設計研究［D］.碩士論文. 2013.

［3］胡曉強.虛擬現實技術基礎與應用［M］.北京：北京郵電大學出版社.2009.2.

［4］田穎，谷為民，周小均.淺談超重超限車輛對城市道路的損害及應對建議［J］.城市道路與防洪2011（3）.

本文受國家大學生創新訓練計劃項目（項目號201310290063）資助。

馬萌（1993—），女，河北人，本科，畢業于中國礦業大學，研究方向：工業設計。