整合虛擬油泥技術(shù)的工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新服務(wù)平臺研究

陳龍 周玲 吳榮 陳學(xué)斌

常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州，213164

整合虛擬油泥技術(shù)的工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新服務(wù)平臺研究

陳龍 周玲 吳榮 陳學(xué)斌

常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州，213164

本文研究了一種整合虛擬油泥技術(shù)的工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新服務(wù)平臺。首先對關(guān)鍵技術(shù)虛擬油泥進(jìn)行技術(shù)分析，并介紹了FreeForm自由造型系統(tǒng)基本原理及操作；其次構(gòu)想了一種創(chuàng)新服務(wù)平臺，對其技術(shù)接口、運(yùn)行模式及軟硬件進(jìn)行分析和研究；最后結(jié)合具體的案例分析，總結(jié)了這種服務(wù)平臺在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的優(yōu)勢。

工業(yè)設(shè)計(jì)；創(chuàng)新服務(wù)平臺；虛擬油泥；3D打印

1 前言

21世紀(jì)的制造業(yè)正面臨著越來越激烈的全球化市場競爭，新經(jīng)濟(jì)和網(wǎng)絡(luò)信息時代的浪潮正沖擊著以產(chǎn)品為載體的企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動。產(chǎn)品是一切制造企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動的主體，新產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)是這一活動主體的源頭，因而產(chǎn)品現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法及相應(yīng)支持技術(shù)就受到制造企業(yè)的高度重視。這迫使激烈競爭中的制造企業(yè)竟相采用先進(jìn)的技術(shù)手段來開發(fā)新產(chǎn)品，而新產(chǎn)品的開發(fā)又不斷地對開發(fā)技術(shù)的發(fā)展提出新的要求。

2 虛擬油泥技術(shù)與工業(yè)設(shè)計(jì)

油泥在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中是為設(shè)計(jì)出高級曲面而產(chǎn)生的一種混合造型材料，應(yīng)用于汽車與飛機(jī)等對曲面要求較高的行業(yè)，并在其他工業(yè)造型外觀領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛。然而隨著上世紀(jì)70年代后期計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在汽車造型領(lǐng)域的應(yīng)用，虛擬油泥的概念隨之誕生。如今，以虛擬油泥為核心的造型系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在奔馳、寶馬、大眾、迪士尼等多個知名公司中。虛擬油泥技術(shù)已越來越擴(kuò)展到其他新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

2.1 虛擬油泥技術(shù)FreeForm

利用優(yōu)化算法提取虛擬油泥模型表面三角形網(wǎng)格,該方法可以跳過模型的全空部分處于物體外部和全實(shí)部分處于物體內(nèi)部,直接從位于物體邊界的體素中提取表面三角形網(wǎng)格,減少體素模型中材料檢查次數(shù),計(jì)算速度得到了提高。

美國麻省理工大學(xué)以自己研發(fā)的力反饋觸覺技術(shù)結(jié)合虛擬油泥技術(shù)，由Sensable公司共同研發(fā)出一款適合工業(yè)造型的虛擬現(xiàn)實(shí)造型系統(tǒng)FreeForm。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：（1）建模過程虛擬可觸，易于學(xué)習(xí)和掌握。（2）基于虛擬油泥的建模過程造型自由度極高，不同于3DmaxRhino等工業(yè)造型輔助軟件，模型為實(shí)體建模。（3）系統(tǒng)的輸入與輸出數(shù)據(jù)兼容性強(qiáng)，消除了設(shè)計(jì)師自由造型與生產(chǎn)工程技術(shù)之間的鴻溝。（4）具備CAM模塊，提供了拔模分析、抽殼及曲面檢測等工具，使得產(chǎn)品造型創(chuàng)新的阻礙大大減少。

2.2 虛擬油泥技術(shù)FreeForm在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，虛擬油泥技術(shù)FreeForm系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于玩具、制鞋、首飾、電動工具等幾十個領(lǐng)域，此外，憑借優(yōu)良的力反饋虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，此系統(tǒng)還應(yīng)用于文物修復(fù)、虛擬手術(shù)等多項(xiàng)特殊技術(shù)領(lǐng)域。

圖1 虛擬油泥建模技術(shù)原理

虛擬油泥技術(shù)FreeForm系統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)意造型過程可分為正向與逆向兩類：

2.2.1 正向設(shè)計(jì)

圖2所示的是一個實(shí)際項(xiàng)目的產(chǎn)品開發(fā)過程，設(shè)計(jì)師將創(chuàng)意靈感草圖導(dǎo)入到FreeForm系統(tǒng)中，利用FreeForm提供了Curve（線編輯）、Planes（平面編輯）、Sketch(草繪)、Construct Clay(構(gòu)建黏土)、Sculpt Clay（雕刻黏土）、Detail Clay（細(xì)化黏土）、Deform Clay(變形黏土)、Select/move Clay（選擇移動黏土）、Patches/ Solids（曲面建模）、Mold（模具）等工具模塊，制作出需要的模型。在完成好的虛擬油泥模型的基礎(chǔ)上，使用系統(tǒng)提供的Auto Surface（自動鋪面）工具，自動生成曲面文件，然后導(dǎo)出為STEP/IGES格式文件供下游制造。

2.2.2 逆向設(shè)計(jì)

利用已經(jīng)掃描處理好的.stl三維數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到整合虛擬油泥技術(shù)的工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新服務(wù)平臺，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品改良設(shè)計(jì)。如圖3所示，利用此方法的開發(fā)過程，相比傳統(tǒng)的RE，速度提高了一倍以上，產(chǎn)品創(chuàng)新程度高。

圖2 應(yīng)用案例(3D打印筆項(xiàng)目)

圖3 平臺數(shù)據(jù)接口

3 整合虛擬油泥技術(shù)的創(chuàng)新平臺架構(gòu)

各種高新技術(shù)的迅猛發(fā)展與推廣應(yīng)用，雖然增加了新產(chǎn)品開發(fā)的投入和風(fēng)險，但同時高技術(shù)含量的產(chǎn)品又給制造企業(yè)帶來了豐厚的回報。整合虛擬油泥技術(shù)的創(chuàng)新平臺服務(wù)平臺構(gòu)想正是在這一戰(zhàn)略背景下產(chǎn)生。

3.1 平臺的技術(shù)框架

當(dāng)今的產(chǎn)品更新?lián)Q代速度大大加快，新產(chǎn)品研制周期大幅度縮短，各種新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法和開發(fā)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，以信息技術(shù)為核心的高新設(shè)計(jì)支持技術(shù)在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的大量應(yīng)用，推動了設(shè)計(jì)、制造自動化技術(shù)的迅速發(fā)展，并在設(shè)計(jì)方法學(xué)、新產(chǎn)品開發(fā)流程再造與項(xiàng)目管理、全球化并行協(xié)同設(shè)計(jì)、敏捷化戰(zhàn)略聯(lián)盟、設(shè)計(jì)支持新技術(shù)、數(shù)字化虛擬樣機(jī)開發(fā)技術(shù)、仿真試驗(yàn)與性能評估技術(shù)、逆向工程與快速原型制造等方面取得了重大進(jìn)展。利用逆向工程技術(shù)，在完成制品CAD模型重構(gòu)的基礎(chǔ)上，快速設(shè)計(jì)出制品的注塑模具。實(shí)踐證明，恰當(dāng)?shù)闹貥?gòu)方法，可以獲得很高的重構(gòu)模型精度，滿足新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需要。有效地縮短新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造周期，提高產(chǎn)品的競爭能力。

3.2 平臺的組織框架

以“協(xié)同創(chuàng)新”為核心觀點(diǎn)，旨在構(gòu)建是以工業(yè)設(shè)計(jì)知識增值為核心，集成RP/RT/CAE技術(shù)的快速設(shè)計(jì)與快速制造技術(shù)，利用網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)協(xié)同，企業(yè)、政府、知識生產(chǎn)機(jī)構(gòu)（大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)）、中介機(jī)構(gòu)和用戶等為了實(shí)現(xiàn)區(qū)域科技創(chuàng)新轉(zhuǎn)型而開展的大跨度整合的創(chuàng)新組織模式理論模型。

平臺以孵化創(chuàng)新為構(gòu)架理念，將“學(xué)、政、企、行”通過工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新平臺為紐帶，利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)同創(chuàng)新和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)信息技術(shù)將產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)項(xiàng)目科學(xué)、高校的協(xié)調(diào)管理，最終通過成果交易平臺（o2o）第一時間對接社會資本，最大化培育優(yōu)秀的創(chuàng)新產(chǎn)品。

圖4 平臺技術(shù)框架

圖5 平臺組織框架

4 優(yōu)勢與不足

（1）整合虛擬油泥FreeForm技術(shù)的工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新平臺實(shí)現(xiàn)了從創(chuàng)意→設(shè)計(jì)→實(shí)現(xiàn)→推廣的工業(yè)設(shè)計(jì)全流程服務(wù)功能，可以有效的整合創(chuàng)新產(chǎn)品市場需求。

（2）從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度，平臺實(shí)現(xiàn)了從創(chuàng)意到生產(chǎn)的數(shù)據(jù)無縫對接，減少了在產(chǎn)品創(chuàng)新在開發(fā)迭代過程中的造型損失。

（3）以“平臺”為連接紐帶的“學(xué)、政、企、行”協(xié)同創(chuàng)新組織，可有效的增加新產(chǎn)品孵化成功率，提升創(chuàng)新成功率。

[1]羅聯(lián)社.面向工業(yè)設(shè)計(jì)的協(xié)同管理技術(shù)研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2011(30).

[2]陳龍.基于FreeForm系統(tǒng)的玩偶設(shè)計(jì)開發(fā)[J]. 陜西:陜西科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010.

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[5]貢智兵. 基于產(chǎn)品平臺的快速設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)[D].南京:南京理工大學(xué),2006.

[6]齊爾麥.機(jī)械產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)原理_方法_關(guān)鍵技術(shù)和軟件工具研究[D].天津:天津大學(xué),2003.

[7]李彥.產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論及方法[M].北京:科學(xué)出版社,2012(3).

本文系課題：面向產(chǎn)品造型專業(yè)快速設(shè)計(jì)與制造創(chuàng)新平臺關(guān)鍵技術(shù)研究（07031417）。

陳龍/1984年生/陜西漢中人/碩士/講師/研究方向?yàn)閿?shù)字建模技術(shù)應(yīng)用、產(chǎn)品創(chuàng)新平臺、產(chǎn)品設(shè)計(jì)管理