虛擬設計技術在產品三維造型設計中的應用研究

張高美 董兵兵

摘要：虛擬設計是建立在計算機輔助設計的基礎上的創新性設計方法。傳統的產品三維造型設計研發模式過程中，由于設計師和制造部門本身各自存在的弱點。一個新產品的批量生產需要兩者反復溝通、修改與打樣，設計過程冗長，設計制造成本高。文中將虛擬設計技術融入到設計師進行產品三維建模的過程中，增加設計師所設計產品的可行性，縮短設計周期，減少設計成本，最終達到提高產品競爭力與創新能力的作用。

關鍵詞：虛擬設計；產品三維造型設計；可行陛；設計成本

虛擬設計（Virtual design）是上個世紀90年代興起的新技術。其作為制造業的基礎技術近年來得到飛速發展，并為各種制造模式的應用提供有力的支撐”[1]。虛擬設計是由多個學科的先進知識形成的綜合系統技術，它以計算機仿真技術為前提，在產品設計階段實時、并行地模擬出產品開發的全過程及其對產品設計的影響，并預測產品的性能、制造成本、可制造性、可維護性和可拆卸性等，從而提高產品設計的一次性成功率。

虛擬設計技術的使用在產品開始歷史上擁有重要地位，使用虛擬技術可以將傳統的物理模式轉換為精確的數字模型”，為現代制造業及產品設計的發展提供了極大的便利。設計者可以在虛擬環境中，利用不同的交互手段對參數化的模型進行設計和修改。與傳統設計不同的是虛擬設計能在產品投入制造前就能看到并且分析產品，在設計過程中無需代價便可以反復修改設計，以達到產品的開發周期及成本最小化、產品設計質量最優化、生產效率的最高化。

1產品三維造型設計傳統研發模式及主要存在的問題

1.1產品三維造型設計傳統研發模式

在傳統的產品三維造型設計研發過程（如圖1）中，設計師需要先對該產品所面對的消費對象、市場環境、應用范圍和背景等進行市場調查，根據調查結果針對該群消費對象進行需求分析，然后總結出本次設計的主要創意點等，進行設計定位。接下來就進入產品三維造型的設計階段：設計師先利用傳統二維手繪的方式畫出一系列方案草圖，隨后設計師與客戶進行溝通篩選出初步方案。接著設計師根據篩選出的初步方案進行三維建模、渲染，并將最終渲染圖交給客戶確認，確認完畢后將設計圖交給制造部門。

制造部門根據現有的設備、人員、物料等對設計進行工藝及可加工性分析，若可加工性不好或成本太高，制造部門再對設計提出修改意見并反饋給設計師，設計師根據修改意見對產品進行修改后再將圖紙交給制造部門，制造部門根據圖紙制造出樣品后進行試驗，若樣品沒有問題則可批量生產，如果仍然有問題則還需要將圖紙反饋給設計師再次反復修改，直到樣品無誤方可進行新產品的批量生產。在這個過程中我們可以發現產品外觀的設計的實現必須經歷周而復始的設計一實驗一打樣，才能最終實現批量生產[3]。

1.2主要存在問題

通過上述傳統的設計研發模式，我們可以發現產品從設計初期的概念到最終能實現批量生產這一過程是十分復雜且冗長的，它的最終實現除了造型具有美觀性等特點外，還需要設計師所設計的造型具有可生產性。而我國傳統的設計師的成長背景都是藝術類，設計師在對產品的三維造型進行設計時更多的是考慮三維造型的美觀性、實用性等方面，缺乏制造行業的基本知識。因此出現了設計定稿后交給制造部門后，制造部門會根據可生產性對設計稿反復提出設計修改意見，并交由設計師反復修改。而制造部門之所以并沒有直接修改設計稿，而是將修改意見交給設計師讓設計師修改的原因，也是因為制造部門缺乏一定的藝術修養，由制造部門修改的設計稿往往容易偏離設計初衷，因此需要設計師和制造部門反復溝通交流并修改至最終方案。

產品三維造型設計的傳統研發模式周期是漫長的，設計、制造成本普遍偏高，尤其對于造型復雜的產品，更加無法達到縮短設計周期和降低成本的目的。而現代市場經濟活躍，一款新產品面市后市場反應普遍比以往更活躍，這就需要設計師和制造部門能靈活應對市場反應，及時調整設計方案，對產品進行改進及更新換代。如果沿用傳統的產品三維造型設計模式根本無法跟上市場的步伐，最終的結果就是產品生命周期縮短，加速了產品的滅亡。

2虛擬設計技術在產品三維造型設計研發中的應用及其優勢

2.1虛擬設計在產品三維造型設計中的應用

虛擬設計主要應用為：虛擬產品設計、虛擬裝配設計、虛擬人機工程學設計[4]。本次研究的重點在于虛擬產品設計和虛擬裝配設計。虛擬產品設計是設計師可以利用現有的CAD模型轉換到虛擬現實VR （Virtual Reality）環境中，讓設計師、客戶來感知產品，并直接在虛擬環境中進行設計與修改。虛擬裝配設計是將傳統的產品造型裝配過程在計算機上實現，通過仿真模型在計算機上進行工藝規劃、加工制造、裝配和調試這一系列的過程。

傳統的產品造型研發過程中，設計師普遍采用犀牛（Rhino）等圖形繪制類三維建模軟件建模，因為該類軟件有著非常強大的曲面建模命令，能建出非常豐富多變的曲面造型，但是該類建模軟件的數據往往不能直接用于制造生產，因此仍需要轉換成工程類建模軟件格式，才能進行下一步的工藝及可加工性分析，這一過程往往容易出現破面或者數據丟失。

將虛擬產品設計技術和虛擬裝配技術（如圖2）融入三維建模后，設計師可以利用PRO/E這類工程類建模軟件對產品進行建模并進行仿真裝配，進而在該軟件中對產品造型的各個組成模塊進行運動干涉檢測，預測到產品在運動過程中、特殊狀態下或產品造型的細節部分等的干涉情況，實時、并行地模擬產品的制造過程，預測產品的性能、成本和可生產性，避免設計師對產品制造知識完全不懂的狀況，減少設計師與制造部門的反復溝通的次數和產品打樣的次數。

2.2虛擬設計應用在產品三維造型設計中的優勢

虛擬設計技術能夠實時的、并行的修改產品數據，設計師能夠通過多維的信息環境與產品進行自然的交互，從而進一步深化概念及產生新的創意。產品三維造型設計的真正目的是為了更好的服務消費者，只有設計用自己的切身體會去真正感知所設計的產品才能真正實現服務的意義和價值。

首先是虛擬設計的直觀性：以往設計師需要根據客戶的要求做出方案，接著將方案交給客戶提出不足和進一步的要求，再通過設計師的反復修改，最后得出樣機后再根據樣機修改方案，這些復雜的過程往往給產品增加了很多成本。虛擬設計的介入能讓客戶和制造部門直接參與到設計過程中來，在虛擬的環境下直接修改設計方案，減少了實物模型和樣機的制作，大大降低了成本，提高了產品設計的成功率。

其次是虛擬設計的并行性：產品的造型是由不同的模塊拼合而成，設計師在傳統的設計研發模式過程中如果產品造型的其中一個模塊需要修改，就要對整個產品造型全部沖建模。虛擬設計介入后，設計師只要修改其中該模塊的數據或單獨對其中一個模塊進行建模，由于虛擬設計的并行性，整個產品造型的數據會根據新的數據自動匹配修改，減少了設計師的重復性工作，提高了工作效率。

最后是虛擬設計的介入能降低產品的開發風險：業內專家指出，利用虛擬技術通常可使產品的開發效率提高3至5倍[5]。虛擬設計能直接參與的性質能加深產品設計各方面的溝通，能更直觀的感受到產品，避免了由于對新產品的不了解而導致的各種誤差與細節的遺漏，大大降低了產品的開發風險。

3結語

在產品三維造型設計的研發過程中，我們主要是將虛擬設計技術應用在設計師進行三維建模的過程中。改善設計師不懂制造類專業知識，從而導致所設計的產品造型在與制造部門溝通后，需要反復修改的狀況。避免反復修改與打樣，縮短設計周期，降低成本，并能靈活的對產品模型進行修改與反饋，增加產品的生命周期。為產品的創新設計起到積極主動的作用，帶來更大的經濟和社會效益。

參考文獻

[1]葉聰，宗立成，陳登凱.虛擬設計在潛水器艙室布局設計中的研究[J].機械設計，2015，32（1）：6-12.

[2]嚴雋琪.虛擬制造的理論、技術基礎與實踐[M].上海：上海交通大學出版社，2003.

[3]陶表達，姚桂玲.虛擬技術在現代機械產品研發中的應用[J].湖北第二師范學院學報，2010，27 （2）：105-107.

[4]曹亞光.虛擬制造設計技術在產品設計及性能分析中的應用[J].機電產品開發與創新，2008，21 （4）：116-120.

[5]薛建華，安秀.論虛擬設計在現代產品開發中的重要作用[J].計算機技術與發展，2006，16（11）：182-184.