計算機輔助設計在工業設計教學中的應用

董冰洋

摘 要 闡明計算機輔助設計的內涵，在設計方法、設計過程、設計質量、設計效率等方面與傳統的工業設計進行對比。把計算機輔助設計引入工業設計教學，可以培養學生的設計建模和產品表達能力。

關鍵詞 工業設計；計算機輔助設計；SolidWorks；三維實體模型

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）14-0026-03

Application of Computer Aided Design in Teaching of Industrial Design//DONG Bingyang

Abstract Clarifying the connotation of computer aided design， com-

pared with the traditional industrial design in the design method， the

design process， the design quality， the design efficiency. Introducing

computer aided design into the teaching of industrial design， culti-vate students ability of design modeling and product expression.

Key words industrial design； CAID； SolidWorks； solid model

1 引言

以計算機技術為代表的信息時代已經對人們的認知產生巨大影響。CAD技術作為創新活動重要的輔助工具，已經被廣泛應用于機械、模具、電子產品，并在提高產品設計水平、推敲產品結構形態、優化產品性能等方面展示了突出的影響力[1-2]。

國內的計算機輔助設計（CAID）發展迅速，尤其是在設計院所和高新企業，而且近年來企業對于高校畢業生的質量要求中也越來越看重計算機輔助設計的能力。而在高校內部，各個專業對于學生的方向要求不一[3]，理工類學科對于學生的CAID能力的層次要求要高于藝術類學科。CAID涉及CAD技術、人工智能技術、快速制造技術、人機工程等多個學科，將CAID技術引入藝術類工業設計學科的教學計劃，可以提高本專業學生的設計表達能力和工程應用能力。

2 CAID對于工業設計的意義

在產品市場競爭日益激烈的時代，縮短產品開發周期和增強產品創新性成為提升企業和產品市場競爭力的關鍵。提高產品設計效率、優化產品形態、預見產品性能正是計算機輔助設計的特點。所以，計算機輔助設計和工業設計進行學科交叉是很有必要的。

工業設計的過程是一個產品創新、蛻變的過程，是從產品、市場、設計、形態、制造等多個角度，對產品的形態、性能、外觀進行全面設計，突出產品創新性和競爭力的過程。

CAID，即在軟件和工業設計相結合所形成的一個設計系統內進行的產品開發活動。與傳統的工業設計方法相比，CAID在設計方法、設計過程、產品開發周期、產品性能等諸多方面都產生質的變化。

在市場競爭越來越激烈的時代，不但企業要提升競爭力，高校學生也要提高自身競爭力。在對于工業設計的認識上，不能僅僅局限于產品外觀設計，工業設計師的工作不能以外觀設計、渲染出圖為結束。在一個完整的產品開發過程中，工業設計師的作用和職責是非常重要的，必須要能夠與結構工程師、模具工程師等設計人員進行溝通。這就要求工業設計的學生不僅要掌握產品的形態設計，而且要了解產品的結構、工藝、材料和表面處理技術。倘若設計脫離了生產實際，就會出現設計的產品在現有的工藝下無法實現，或者要花費大量的人力、物力在生產上面，這樣的設計是不可取的。

3 計算機輔助工業設計的流程

利用計算機進行工業設計，必須清楚整個設計流程。同傳統的工業設計流程有所不同，由于利用計算機的現代設計開發往往是在一個共享的數據庫平臺上面進行的，使得以往難以實現的并行設計成為可能。不同的設計團隊或設計師同時對一個產品的不同內容進行設計，必須遵循一定的原則和標準，以實現并行設計的高效率的特征。這種由于現代設計方法所帶來的設計的各個部分和階段之間的密切關系，要求設計師清楚其所處的位置和工作內容。

CAID服務于產品設計的整個過程，產品設計的流程一般從產品的概念設計、草繪表達、三維建模到二維工程圖，工程圖用于指導工廠的生產。對于工業設計產品一般外觀造型的要求很高，所以還要有外觀造型設計階段。在完成產品設計后，設計師還可以根據產品的特點進行大量的分析和仿真工作，以滿足產品強度、運動、生產制造與裝配方面的要求。

同時，在產品模型構建完成之后，可對產品進行材質、色彩的選取，進行產品的渲染和動畫制作，用于下一階段的產品市場推廣。圖1所示為一個典型的計算機輔助工業設計（CAID）的流程。

產品設計階段要從產品設計的全局出發，著眼于產品設計的各個方面，做好產品設計的規劃。通過市場調研、需求分析、可行性論證等，提出完整的產品設計任務書，服務于產品設計的全程。工業設計師在造型設計時必須以此作為形態概念設計的根據。草繪設計階段由產品設計師手繪出大量的產品造型草圖，從中進行對比優化，選出可行的方案。

產品三維建模階段要進行三維關鍵線的繪制和三維實體模型的創建。三維關鍵線的繪制是把概念設計、草繪設計轉化到三維實體設計的一個重要步驟，主要用于定義產品的形態輪廓和特征的連接過渡，服務于產品的外觀造型設計。三維實體模型的創建階段，利用前一階段繪制的三維關鍵線，配合曲面造型工具，生產關鍵線所定義的曲面，然后利用曲面編輯工具處理曲面，以達到符合設計意圖的設計效果。

在三維實體模型構建完成并經過論證，認為設計可行的前提下，就可以同時進行之后兩個方向的工作——工程生產和產品市場推廣。工程生產包含以下幾項工作內容。

1）工程結構設計。一般情況下，三維實體模型都是從概念設計演化而來，它不可避免地會和工程生產的要求有若干不符，工程結構設計階段就是要對實體模型進行相應修改。該階段實質上就是要求概念設計和工程設計兩者之間不斷磨合，取其交集，得出最適合的方案。

2）工程圖紙。在生產實踐中往往要把實體模型轉化為工程圖。工程圖是進行生產加工和技術交流的一個重要工具，是用于指導現場加工的重要依據，而且是設計師設計思維表現的技術文件。

3）CAD/CAM。CAD/CAM是使用計算機進行產品設計和制造，并可以利用計算機進行生產設備管理控制和操作的過程。輸入零件的工藝路線和工序內容，輸出加工路徑和控制程序。CAM系統一般具有數據轉換和過程自動化的功能，涉及計算機控制和計算機輔助過程設計。

產品市場推廣是產品設計流程的后期工作，為設計產品最終進入市場做準備。該階段一般包含以下幾個環節。

1）產品材質、色彩。借助于計算機設計軟件，可以對三維實體模型賦予實際生產所用的材質，增加產品的真實感；并可以對其進行色彩方面的構思、計劃，通過材質、色彩的不同組合，利用計算機進行精確模擬，模擬結果可以作為材質、色彩選用的參考，和工程生產選用材料時的參考。

2）產品效果圖渲染和產品動畫制作。當前常用的工業設計軟件如Rhino、Alias、SolidWorks等都自帶渲染模塊，并且和主流的渲染軟件之間可以進行數據交換。使用軟件的渲染模塊或者將三維模型文件導入渲染軟件，均可以對三維模型進行豐富、逼真的渲染，從而獲取具有很強真實感的產品效果圖。和產品渲染類似，也可以使用軟件自帶的動畫模塊或者將三維模型導入專業的動畫制作軟件，完成產品的動畫制作。

3）市場推廣。設計師或者企業為了提高產品的知名度和銷量，而為產品設計一套適合的推廣方案，用于有關產品或服務的信息傳遞給目標消費者，激發和強化其購買動機。對于工業設計而言，設計要用于服務生活，市場推廣作為工業設計流程的后期階段，在設計真正轉化為產品的過程中發揮著十分重要的作用。

在以上所述的工業設計流程中，產品從設計階段的參數模型到生產制造的工程參數之間的數據交換是最關鍵的步驟。工業設計的產品不能僅停留在紙面階段或者模型階段，工業設計師的價值在于將自己的設計理念轉化為最終的產品。通過計算機輔助工業設計，使得工業設計的設計階段和制作階段高效、準確地銜接，提高了產品設計的效率和準確性。

4 計算機輔助工業設計應用

以SolidWorks軟件的參數化設計為例，說明CAID在工業設計中的應用。該軟件的參數化特征如下。

三維實體模型 產品設計的起步階段是將設計者的頭腦風暴用草圖的形式表現出來，手繪草圖對于產品設計的作用毋庸置疑，但是三維實體模型可以更好地推敲所設計產品體、面、線之間的幾何關系，以及后續會涉及的部件之間的裝配關系。所以說三維實體模型的建立，首先可以將設計師的設計思維以準確、真實的形式在計算機中展示出來，更重要的是用戶可以隨時對產品的特征結構、受力、裝配關系進行分析，從而對產品進行進一步的優化設計。CAID使設計師可以在設計過程的每一個環節審視設計，隨時調出設計參數，計算機可以節約大量的分析計算時間。

參數化聯動 在SolidWorks中建立三維模型之后，可以通過該三維模型生成工程圖，用于產品的制作。SolidWorks

建模采用的是參數化建模的方法，結構特征均是由尺寸驅動的，由三維模型生成的工程圖繼承了其參數化的特征。生成的工程圖在軟件內會自動標注尺寸，該尺寸即三維建模階段使用的驅動尺寸。借助于SolidWorks強大的參數化功能，三維模型和生成的工程圖之間是尺寸關聯的關系，修改二者中的任一尺寸，另一個就會自動做出相應的修改。這樣可以保證設計的準確性，可以讓設計師從三維和二維、設計和加工制造等多個角度審視設計、優化設計。

以結構特征作為設計的基礎單元 SolidWorks以最接近工程制作的方式從事設計工作，如拉伸、旋轉、掃描、混合等基本特征，孔、殼、筋、拔模、倒角等工程特征。工程特征基于基本特征，在基本特征的基礎上進行操作，進而形成復雜的模型。使用特征進行模型的構建使得設計更加簡單明了，達到事半功倍的效果。在設計師將自己的設計思想植入產品模型的同時，實際的生成制造工藝特征也在模型中得以體現。在設計的中后期，設計師要和工程師不斷溝通，甚至對模型結構進行調整，SolidWorks的特征編輯功能在此處表現得尤為突出。

參數式設計 參數式設計體現在CAID的全過程，結合軟件強大的數據庫，產品設計各個階段的設計參數都得以完整保存，可隨時對其中任一參數進行修改，而其所關聯的三維實體模型、工程圖、裝配關系、模具等都會做出相應改變，使設計真正做到一致性。

5 結論

計算機輔助設計正成為工業產品設計過程中不可或缺的角色，將計算機輔助工業設計作為工業設計系學生的必修內容，是培養學生產品開發能力和工程應用能力的重要環節。根據專業培養計劃和培養方案的要求，結合專業特點，整合各個教學環節，把CAID能力的培養融入教學工作的各個環節來具體落實，以保證學生能夠真正把計算機輔助設計應用到工業設計的產品開發上來。

參考文獻

[1]潘云鶴，孫守遷.計算機輔助工業設計技術發展狀況與趨勢[J].計算機輔助設計與圖形學學報，1999（3）：248-252.

[2]葉修梓，彭維，何利力.從工業界的角度看CAD技術的研究主題和發展方向[J].計算機輔助設計與圖形學學報，

2003，15（10）：1194-1199.

[3]李志峰，孫志學.面向需求的工業設計專業創新人才培養模式的構建[J].中國現代教育裝備，2006（11）：57-58.