柳雨紅

(哈爾濱理工大學(xué)機械動力工程學(xué)院,哈爾濱150080)

20世紀(jì)80年代末,美國為增強本國制造業(yè)的競爭力,應(yīng)對來自世界各國,特別是亞洲國家的挑戰(zhàn),率先提出了先進制造技術(shù)的概念.先進制造技術(shù)是一門具有動態(tài)性的技術(shù),就目前的發(fā)展來說,可以定義為:制造業(yè)不斷吸收機械、電子、信息(計算機與通訊、控制理論、人工智能等)、能源及現(xiàn)代系統(tǒng)管理等方面的成果,并將其綜合應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計、制造、檢測、管理、銷售、使用、服務(wù)乃至回收的制造全過程,以實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活生產(chǎn),提高對動態(tài)多變的產(chǎn)品市場的適應(yīng)能力和競爭能力的制造技術(shù)的總稱[1].先進制造技術(shù)由基礎(chǔ)技術(shù)、新型單元技術(shù)、集成技術(shù)構(gòu)成,可劃分為現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)、先進制造工藝、自動化技術(shù)和系統(tǒng)管理技術(shù)四大類,涉及范圍極其廣泛.本文主要從先進制造工藝、計算機輔助設(shè)計制造、反求工程、快速成型技術(shù)、虛擬制造技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化制造技術(shù)、并行工程等方面進行探討.

進入21世紀(jì),先進制造技術(shù)發(fā)展迅猛,受到制造業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域人士越來越多的關(guān)注.其以先進性、廣泛性、實用性和集成性等特點交叉滲透到各個學(xué)科和專業(yè),對工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計的發(fā)展進步起到了不可估量的推動作用.

作為工業(yè)設(shè)計的一個主要分支,產(chǎn)品造型設(shè)計是指以切實可行的工藝條件、工藝方法為依托,輔以效果圖、三維模型表述,綜合考慮技術(shù)、藝術(shù)、市場等各個方面,最終賦予產(chǎn)品物質(zhì)功能和精神功能的設(shè)計活動.隨著社會文明的進步,人們的消費趨于多樣化、個性化,大批量、同一造型的產(chǎn)品將被多品種、小批量甚至單件訂制的產(chǎn)品代替,功能性產(chǎn)品將被功能藝術(shù)性產(chǎn)品代替.為了適應(yīng)市場競爭,產(chǎn)品從研發(fā)到上市的時間也越來越短.新的形勢將工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計推入敏捷性、藝術(shù)化、全球化和個性化的設(shè)計時代,而先進制造技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展恰恰為產(chǎn)品造型設(shè)計提供了技術(shù)上的支持和保障,對整個設(shè)計過程產(chǎn)生深遠的影響.

1 先進制造技術(shù)在產(chǎn)品造型設(shè)計中的應(yīng)用

1.1 先進制造工藝在產(chǎn)品造型設(shè)計中的應(yīng)用

先進制造工藝包括精密潔凈鑄造成型工藝、精密高效塑性成型工藝、優(yōu)質(zhì)高效焊接及切割技術(shù)、優(yōu)質(zhì)低耗熱處理技術(shù)、高效高精機械加工工藝、現(xiàn)代特種加工工藝、新型材料與加工工藝等,是針對新型材料的高科技處理方法,也是發(fā)揮傳統(tǒng)材料新性能的新技術(shù)手段.

材料是產(chǎn)品形態(tài)和功能的物質(zhì)基礎(chǔ)與載體,設(shè)計師的設(shè)計活動在很大程度上受到現(xiàn)有材料和現(xiàn)有材料加工技術(shù)的制約,設(shè)計過程中常常會有許多優(yōu)秀的設(shè)計思想或方案因為材料或者工藝的原因只能停留在紙上談兵的階段,嚴(yán)重阻礙了設(shè)計的發(fā)展.近半個世紀(jì)以來,性能多樣的金屬材料、先進陶瓷材料、功能晶體、碳素材料及復(fù)合材料相繼問世,至今世界上的結(jié)構(gòu)與功能材料至少已有幾十萬種,并繼續(xù)以每年大約5%的速度遞增[1].新材料的產(chǎn)生帶動了材料加工技術(shù)的發(fā)展,為設(shè)計師提供了更廣闊的空間.即使是同一件產(chǎn)品由于采用更先進、更新穎的制造方式也會獲得更現(xiàn)代的造型設(shè)計,先進制造工藝的應(yīng)用為產(chǎn)品設(shè)計師解決了材料加工的技術(shù)性問題,開拓了設(shè)計的新思路、新領(lǐng)域.

1.2 CAD/CAE技術(shù)在產(chǎn)品造型設(shè)計中的應(yīng)用

CAD/CAE(計算機輔助設(shè)計/計算機輔助制造技術(shù))是設(shè)計人員和組織產(chǎn)品制造的工藝技術(shù)人員在計算機系統(tǒng)的輔助之下,根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計和制造程序進行設(shè)計和制造的一項新技術(shù),是傳統(tǒng)技術(shù)與計算機技術(shù)的結(jié)合.設(shè)計師通過人-機交互方式進行產(chǎn)品技術(shù)設(shè)計、零部件設(shè)計,而工藝人員則可以根據(jù)CAD過程提供的信息和CAM系統(tǒng)的功能,進行零部件加工工藝路線的控制和加工狀況的預(yù)顯.

近年來CAD/CAE技術(shù)發(fā)展迅速,為造型設(shè)計提供了強有力的支撐.在造型設(shè)計的后期階段,設(shè)計師為了全方位、多角度地表現(xiàn)設(shè)計效果,不僅要針對所定方案手繪效果圖,而且要利用設(shè)計軟件建立三維模型、渲染、導(dǎo)出工程圖和六面圖,查看最終的立體實物效果,進行實時修改,并與工藝設(shè)計師一起探討加工工藝問題.先進CAD/CAE技術(shù)的使用不僅縮短了設(shè)計、加工時間,而且有助于設(shè)計師與工藝師更有效的交流、協(xié)作,避免設(shè)計、加工產(chǎn)生斷層.

1.3 反求工程在產(chǎn)品造型設(shè)計中的應(yīng)用

模型是從物體的實體性構(gòu)成上較為真實的表現(xiàn)具體產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、信息的重要方式和手段.傳統(tǒng)的產(chǎn)品造型設(shè)計在經(jīng)過市場調(diào)研、構(gòu)思草圖、方案圖、手繪效果圖、電腦效果圖和工程圖等各個程序之后,必須制作實物模型來完成對設(shè)計方案的不斷推測和修改.但是如果對每一種預(yù)選方案都制作實物樣品,而且每一次方案完善都要相應(yīng)的修改模型,不僅要設(shè)計師、工程技術(shù)人員、工人通力合作,付出大量勞動,而且還存在著制作精度低、修改調(diào)整困難、設(shè)計周期長及成本費用高等問題.

面對以上問題,我們可以利用反求工程解決.反求工程(RE)也稱為逆向工程,是對存在的實物模型或零件進行測量,然后根據(jù)測量數(shù)據(jù)重構(gòu)設(shè)計概念的技術(shù).利用反求工程技術(shù),我們可以將要改良的模型或要仿制、再設(shè)計的現(xiàn)存產(chǎn)品通過三維測量得到模型的數(shù)字化信息,以此為基礎(chǔ)重新進行結(jié)構(gòu)分析和功能分析,應(yīng)用CAD技術(shù)改型,通過快速成型技術(shù)制作樣件,從而大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期,降低產(chǎn)品設(shè)計成本.

1.4 快速成型技術(shù)在產(chǎn)品造型設(shè)計中的應(yīng)用

快速成型技術(shù)(RP)是近年發(fā)展起來的一種快速生成模型或零件實體的技術(shù).它可以根據(jù)計算機上構(gòu)造的三維模型,在很短的時間內(nèi)利用激光及其它光源或噴射成型技術(shù)直接制造出產(chǎn)品樣品,無需傳統(tǒng)的刀具、磨具、夾具.快速成型技術(shù)徹底擺脫了傳統(tǒng)的“去除”加工法(先制造毛坯,然后經(jīng)切削加工,從毛坯上去除多余材料,得到零件的尺寸),而是基于材料逐層堆積的制造概念,將復(fù)雜的三維加工分解為簡單的材料二維添加組合.它能在CAD模型的直接驅(qū)動下快速制造任意復(fù)雜形狀的三維實體,是全新的制造技術(shù)[1].

傳統(tǒng)的造型設(shè)計使用石膏、木頭、紙、油泥、ABS塑料等手工制作模型費時、費力,很難達到高精度,而且對于復(fù)雜的設(shè)計缺乏表現(xiàn)力.利用快速成型技術(shù)可以精確、快速、直觀、完整的傳遞產(chǎn)品信息,最重要的一點,它可以加工任意復(fù)雜的形狀,將設(shè)計者的思想淋漓盡致的表達出來.有了快速成型技術(shù)的支撐,設(shè)計過程中可以不再考慮產(chǎn)品的復(fù)雜程度和批量大小.快速成型樣品較手工模型后期處理更方便,并且可以直接用于產(chǎn)品展示、宣傳、裝配檢查和功能分析.

1.5 虛擬制造技術(shù)在產(chǎn)品造型設(shè)計中的應(yīng)用

我們都知道模具的制造費用相對是較高的,比較大的模具往往價值數(shù)十萬乃至上百萬.如果模具開出后,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理,或者某些方面與客戶的要求有出入,那么就要重改模具,這種損失是比較嚴(yán)重的.從另一個角度講,為了盡量減少這種情況發(fā)生,設(shè)計師在設(shè)計前期就要受到禁錮,不能放開思路,在很大程度上限制了其創(chuàng)造性的發(fā)揮,致使一些好的想法不能提案或?qū)崿F(xiàn).虛擬制造技術(shù)幫助設(shè)計師突破了這些障礙.

虛擬制造技術(shù)(VM)即利用仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù),在高性能計算機及高速網(wǎng)絡(luò)的支持下,采用群組協(xié)同工作,通過電腦模型來模擬和預(yù)測產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、性能、可加工性和人機等各個方面存在的問題,實現(xiàn)產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程,包括產(chǎn)品的設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢測等,并進行過程管理和控制.虛擬制造的樣機和實際產(chǎn)品一樣是可裝配的,所以它能比較直觀的反映出造型設(shè)計合理與否,安裝的難易程度,而且虛擬制造基本不會消耗資源和能量.這樣,在開出模具之前,結(jié)構(gòu)工程師就可以發(fā)現(xiàn)和解決問題,避免資金的浪費.

虛擬制造技術(shù)最早應(yīng)用在飛機、汽車、軍事等領(lǐng)域.波音公司在研制波音777客機時,全面實施了虛擬制造技術(shù).它采用數(shù)字化建模,在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中操縱模擬樣機[2],是世界上首架以三維無紙化方式設(shè)計出來的一次研制試飛成功的飛機,其開發(fā)周期從過去的8 a縮短到了5 a,成本降低了25%.

1.6 網(wǎng)絡(luò)化制造技術(shù)在產(chǎn)品造型設(shè)計中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的造型設(shè)計是由一定數(shù)量的造型設(shè)計師組成一個設(shè)計團隊,在設(shè)計初期階段進行各自的構(gòu)思和創(chuàng)意,通過設(shè)計草圖表現(xiàn)自己的想法,然后匯總、討論、修改,篩選出比較理想的若干個方案,通過團隊協(xié)作將方案完善.這些步驟以及接下來的程序都是按部就班的,其間與外部的交流較少,與客戶之間的交涉也較缺乏,而且設(shè)計者無法突破時間、空間的限制.這些制約也體現(xiàn)在設(shè)計初期的市場調(diào)查階段,考慮時間和成本,一般的市場調(diào)查僅僅局限于某個特定的區(qū)域.

隨著網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的發(fā)展,基于網(wǎng)絡(luò)的信息交互更為方便、快捷.通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)計師可以在第一時間準(zhǔn)確掌握相關(guān)方向最前沿的設(shè)計動態(tài),分散在世界各地的設(shè)計師可以分別在自己的辦公地與大家資源共享、實時交流、協(xié)同工作,實現(xiàn)異地設(shè)計;通過網(wǎng)絡(luò)可以利用地球時差實現(xiàn)24 h不間斷的設(shè)計工作,大大縮短設(shè)計周期;同時客戶也可以通過網(wǎng)絡(luò)方便的參與設(shè)計,成為產(chǎn)品的創(chuàng)意者.網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使設(shè)計師與設(shè)計師、設(shè)計師與客戶更順暢的溝通,讓設(shè)計針對性更強,效率更高.

1.7 并行工程在產(chǎn)品造型設(shè)計中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的造型設(shè)計中,設(shè)計師在全面考慮產(chǎn)品的整個生命周期方面還有很大的欠缺,也就是說將設(shè)計活動孤立化了,沒有與質(zhì)量、成本、進度計劃、工藝、維修、裝配等問題充分結(jié)合.這也是相當(dāng)一部分已經(jīng)成形的設(shè)計方案無法實現(xiàn)的重要原因.并行工程(CE)是集成的、并行的設(shè)計產(chǎn)品及其零部件和相關(guān)過程的一種系統(tǒng)方法.它使設(shè)計具有高度的預(yù)見性和預(yù)防性.并行工程要求設(shè)計師與產(chǎn)品整個生命周期中各個方面的專家以及潛在的用戶共同工作,隨時對設(shè)計出的產(chǎn)品和零件進行全方位的審查,力求使設(shè)計出的產(chǎn)品便于加工、裝配、維修、運輸、外觀美、成本低、使用方便.并行工程將設(shè)計、制造、管理等過程納入一個整體的系統(tǒng)來考慮,避免了設(shè)計思想與其他工序的脫節(jié)現(xiàn)象.

圖1 先進制造技術(shù)下的產(chǎn)品造型設(shè)計流程

2 運用先進制造技術(shù)的產(chǎn)品造型設(shè)計流程

將先進制造工藝、計算機輔助設(shè)計制造、反求工程、快速成型技術(shù)、虛擬制造技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化制造技術(shù)、并行工程整合運用到產(chǎn)品造型設(shè)計的整個過程,得到先進制造技術(shù)支持下的產(chǎn)品造型設(shè)計流程如圖1所示.

3 結(jié) 語

工業(yè)設(shè)計的發(fā)展在很大程度上代表了一個國家工業(yè)水平的發(fā)達程度.我國的工業(yè)設(shè)計還處于起步階段,其發(fā)展進步需要高新技術(shù)的有力支撐.先進制造技術(shù)以多元化的設(shè)計思想為指導(dǎo),貫穿到工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計的整個設(shè)計流程,將大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量.其在工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計中的應(yīng)用是信息時代工業(yè)設(shè)計的發(fā)展趨勢.作為一個具有前瞻性目光的產(chǎn)品造型設(shè)計者必須充分認(rèn)識其重要性,了解掌握相關(guān)技術(shù),并在設(shè)計過程中合理利用,以促進工業(yè)設(shè)計更快、更好地發(fā)展.

[1]李 偉.先進制造技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005:1,6,80.

[2]李光耀,吳光宇,李啟炎.虛擬制造技術(shù)開發(fā)及在輕工包裝機械上的應(yīng)用[J].機械設(shè)計與制造,2004(02):125.