摘要：在早期的汽車造型設(shè)計(jì)過程中，手工藝術(shù)直接表達(dá)設(shè)計(jì)思想。設(shè)計(jì)師主要通過手工制作的木模、板金模型和油泥模型等，一邊制作模型一邊修改，隨時(shí)表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，體現(xiàn)造型美學(xué)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和三維造型軟件的快速發(fā)展，現(xiàn)代的工業(yè)設(shè)計(jì)大多采用正向的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)師在CAD中完成三維建模，渲染出效果圖，甚至通過快速成型制作出三維模型。本文通過比較這兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出汽車造型中數(shù)字化設(shè)計(jì)與手工藝術(shù)融合的方法，闡述逆向設(shè)計(jì)的過程和數(shù)控加工技術(shù)在大型汽車油泥模型中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：汽車造型 數(shù)字化設(shè)計(jì) 手工藝術(shù) 逆向設(shè)計(jì)

前言

我國汽車工業(yè)正進(jìn)行跨越性發(fā)展，制造和生產(chǎn)技術(shù)在國外硬件設(shè)備的保障下基本得到解決，而汽車設(shè)計(jì)則面臨技術(shù)手段更新和人才緊缺的局面，特別是自主品牌的設(shè)計(jì)問題尤為突出。上海乘用車有限公司、吉利汽車研究院、奇瑞汽車設(shè)計(jì)有限公司等都面臨這樣的問題。高等院校藝術(shù)類工業(yè)設(shè)計(jì)作為汽車設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)的基地，應(yīng)該重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和手工藝術(shù)表達(dá)能力，將美學(xué)很好地體現(xiàn)在汽車形體上，并結(jié)合現(xiàn)有的先進(jìn)數(shù)字化設(shè)計(jì)方法及加工技術(shù)，使設(shè)計(jì)更具時(shí)代性。在汽車設(shè)計(jì)中動(dòng)手能力培養(yǎng)主要指逆向設(shè)計(jì)的油泥模型制作，早期只是手工制作，而先進(jìn)的制作方法是手工和數(shù)控加工技術(shù)完美結(jié)合，既能體現(xiàn)人的感知，又融合了設(shè)備加工的精確性。

1、數(shù)字化設(shè)計(jì)

數(shù)字化設(shè)計(jì)是指將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域，通過基于產(chǎn)品描述的數(shù)字化平臺，建立數(shù)字化產(chǎn)品模型并在產(chǎn)品開發(fā)過程應(yīng)用，達(dá)到減少或避免使用實(shí)物模型的一種產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)。在汽車數(shù)字化設(shè)計(jì)中主要使用的軟件是ALIAS、CATIA和UG，也有少部分使用PRO/E軟件設(shè)。數(shù)字化設(shè)計(jì)具有以下兩個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)：（1）造型準(zhǔn)確、周期短、減少設(shè)計(jì)過程中實(shí)物模型的制造。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中需經(jīng)過反復(fù)多次的“手工模型-設(shè)計(jì)論證-修改設(shè)計(jì)-修改模型”的過程，這不僅耗費(fèi)物力、財(cái)力，還使得產(chǎn)品研制周期延長。數(shù)字化設(shè)計(jì)則在制造物理樣機(jī)之前，針對數(shù)字化模型進(jìn)行仿真分析與測試，可排除某些設(shè)計(jì)不合理性；（2）易于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的并行化，縮短設(shè)計(jì)周期。相對與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的串行化，數(shù)字化設(shè)計(jì)可以讓一項(xiàng)設(shè)計(jì)工作由多個(gè)設(shè)計(jì)隊(duì)伍在不同的地域分頭并行設(shè)計(jì)、共同裝配，這在提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量與速度方面具有重要的意義。

2、手工藝術(shù)

本文說指的手工藝術(shù)不是中國傳統(tǒng)的剪紙、木雕、紙雕、陶藝、編織、刺繡等手工藝，而是從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)、美術(shù)與技術(shù)結(jié)合的手工藝術(shù)。手工藝術(shù)在十九世紀(jì)下半葉開始發(fā)展，藝術(shù)家通過手工藝術(shù)設(shè)計(jì)制作出精美的小批量的產(chǎn)品。在現(xiàn)代手工藝術(shù)主要體現(xiàn)在雕塑、首飾、陶瓷、玻璃和產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期。目前在工業(yè)設(shè)計(jì)的前期需要手工藝術(shù)來表達(dá)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的思想，如：手工制作產(chǎn)品的雛形，特別是形體比較復(fù)雜的產(chǎn)品，如電動(dòng)工具、交通工具等。藝術(shù)類的高等學(xué)校非常重視培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)作思維能力和手工制作技能，一般的課程都有模型制作的要求，材料有木材、金屬、塑料和油泥等。早期階段交通工具設(shè)計(jì)課程，主要是手工制作階段，學(xué)生測量車輛的實(shí)際尺寸，通過市場調(diào)研和分析，找到設(shè)計(jì)點(diǎn)，手繪表達(dá)出設(shè)計(jì)意圖，用木材或者密度板制作出模型，只借助最簡單的鉆銑床，其他全靠手工挫、打磨，學(xué)生用手工制作的模型表達(dá)了設(shè)計(jì)思想。手工制作模型的周期太長，最后的效果也不夠理想：模型太重、尺寸偏差大、表面不光潔、形體準(zhǔn)確性無法把握。這種方法存在的最大問題是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)出數(shù)模無法利用，只用于效果圖的表達(dá)，和所做出的模型有比較大的差異，模型無法準(zhǔn)確表達(dá)設(shè)計(jì)者的意圖。

3、逆向設(shè)計(jì)與模型

逆向設(shè)計(jì)是充分融合手工藝術(shù)和數(shù)字化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)揮了手工藝術(shù)的創(chuàng)造性、數(shù)字化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和快速性。逆向設(shè)計(jì)過程是指設(shè)計(jì)師對產(chǎn)品實(shí)物樣件或者模型表面進(jìn)行數(shù)字化處理（數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理），并利用可實(shí)現(xiàn)逆向三維造型設(shè)計(jì)的軟件來重新構(gòu)造實(shí)物的三維CAD模型（曲面模型重構(gòu)），并進(jìn)一步用CAD/CAE/CAM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分析、再設(shè)計(jì)、數(shù)控編程、數(shù)控加工的過程。逆向設(shè)計(jì)通常是應(yīng)用于產(chǎn)品復(fù)雜表面的設(shè)計(jì)，例如汽車設(shè)計(jì)、摩托車設(shè)計(jì)和游艇設(shè)計(jì)等。對于原創(chuàng)的工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品來說，設(shè)計(jì)師在逆向設(shè)計(jì)過程中手工藝術(shù)制作模型是非常重要的，模型是數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)，后期的數(shù)字化設(shè)計(jì)主要是數(shù)據(jù)上修正和曲面光順。制作模型的方法有很多，在交通工具方面主要采用油泥模型制作，前期是1：5小比例模型，后期是1：1的等比例模型。

逆向設(shè)計(jì)的過程：手繪表達(dá)出設(shè)計(jì)意圖，通過ps軟件設(shè)計(jì)出三視圖，按照三視圖的輪廓繪制1：5的AUTOCAD平面圖，通過激光切割出輪廓模板，利用高密度泡沫材料制作型芯（如圖1），粗敷上油泥，敷貼時(shí)要用力適當(dāng)，既保證油泥層與層之間的貼合又不使整個(gè)模型因用力過大而變形，直到敷貼的油泥使模型超出初設(shè)計(jì)輪廓線2～5mm時(shí)為宜。

外形的初步形狀通過粗刮完成（如圖2），達(dá)到造型準(zhǔn)確并留有1mm內(nèi)的余量。精刮要依據(jù)個(gè)人的主觀感受、審美觀和視覺差帶來的各種藝術(shù)效果進(jìn)行，力求使整個(gè)車身表面曲率過渡平穩(wěn)，表面光滑（如圖3），完成車燈、格柵和門線等各個(gè)細(xì)節(jié)。

在油泥模型上貼上對焦的專用MARK點(diǎn)（如圖4），利用光學(xué)三維測（如圖5）將iges文件導(dǎo)入U(xiǎn)G等CAD軟件，獲得截面線和輪廓線，進(jìn)行曲面建模（如圖6）。將3D文件導(dǎo)入渲染軟件，設(shè)置材質(zhì)和燈光，渲染效果圖（如圖7）。

4、油泥切削機(jī)加工與模型

一直以來，汽車油泥模型主要依靠的是油泥模型師的手工制作，雖然表現(xiàn)力比較豐富，但缺點(diǎn)在于制作周期較長，曲線不精確，加工精度低，做出的模型左右不對稱，逆向設(shè)計(jì)后的數(shù)模沒有充分利用，模型比例太小，無法準(zhǔn)確評判設(shè)計(jì)。隨著數(shù)控技術(shù)發(fā)展和三維測量技術(shù)的改進(jìn)，出現(xiàn)了大行程的油泥切削機(jī)（如圖8）。以CNC銑削為原理的油泥模型自動(dòng)切削機(jī)，將三坐標(biāo)劃線測量機(jī)與CNC數(shù)控技術(shù)結(jié)合，形成加工尺寸很大的CNC加工設(shè)備，其銑削力不大，適宜泡沫和油泥的銑削，其加工精度比較高，能加工大行程量，制作周期比較短，效率高，性價(jià)比高，具有手工制作油泥所無法比擬的優(yōu)勢。油泥切削機(jī)的加工過程：按照逆向設(shè)計(jì)后放大到1：1的三維數(shù)模，對加工位置和加工余量進(jìn)行分析，編制加工程序和生成刀具路徑，并對各刀具路徑進(jìn)行防碰撞、過切檢查和模擬加工，驗(yàn)證路徑的正確性，通過后處理生成適合于本機(jī)讀取的NC代碼。首先加工骨架泡沫，一次性完成表面負(fù)余量切除，余量一般是-5mm，保證表面油泥的縛貼；泡沫的加工結(jié)束，把準(zhǔn)備好的油泥縛在加工好的泡沫上，等待油泥變干繼續(xù)加工；油泥的大進(jìn)刀量粗加工，在電機(jī)功率、機(jī)器鋼性允許的情況下，采用較大進(jìn)給量，最大切除多余油泥，表面留0.5mm的余量執(zhí)行精加工和輪廓線加工程序。如有必要可重復(fù)執(zhí)行精加工程序，提高表面光潔度。油泥在加工完畢后，需要模型師根據(jù)加工完成的模型粗糙度進(jìn)行修改，直到達(dá)到要求。利用該設(shè)備來制作等比例模型，完善整個(gè)逆向設(shè)計(jì)的過程，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)手工藝術(shù)和現(xiàn)代科技相結(jié)合。

5、結(jié)束語

汽車工業(yè)還在不斷快速發(fā)展，需要盡快提高汽車設(shè)計(jì)的水平，尤其是融合數(shù)字化設(shè)計(jì)與手工藝術(shù)，提高手工藝術(shù)創(chuàng)作能力和油泥模型制作能力，提高逆向設(shè)計(jì)能力、表面進(jìn)行數(shù)字化處理，并利用可實(shí)現(xiàn)逆向三維造型設(shè)計(jì)的軟件來重新構(gòu)造實(shí)物的三維CAD模型，渲染效果圖，利用數(shù)控加工技術(shù)通過油泥切削機(jī)完成大比例或者等比例的油泥模型，縮短和世界先進(jìn)設(shè)計(jì)水平的差距。