楊慧，伍鐵軍

（南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016）

0 引言

一般來講，新產(chǎn)品的研發(fā)都要經(jīng)過市場調(diào)研、設計、樣模加工、評估、開模、生產(chǎn)和包裝等多個環(huán)節(jié)，在研發(fā)過程中，開模直接影響后期的生產(chǎn)和銷售，模具的制作費用有時高達幾百萬元，所以在設計階段需要對設計方案進行反復地評審，而產(chǎn)品模型可以有效地解決這個問題，因此，建立產(chǎn)品模型成了現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品設計開發(fā)過程中的關鍵環(huán)節(jié)。

目前，建模的途徑主要有三種:手工制作、快速成型技術制造、數(shù)字建模。手工制作本身是一種創(chuàng)造性設計實踐，制作出的實體模型可視、可觸摸，給予人們較多的設計信息，但出于成本和時間的考慮，設計師需要根據(jù)產(chǎn)品的形態(tài)，在不同的設計階段選擇合適的材料來制作模型，因此，設計師必須對于各種材料、加工工藝都有著很好的認識。雖然設計師可以借助模型師完成這項工作，但這無形中增加了溝通成本，很難保證產(chǎn)品模型的品質(zhì)。在設計定稿后，需要借助逆向工程的方式轉向生產(chǎn)，產(chǎn)生了信息斷點?？焖俪尚图夹g可以快速、準確地實現(xiàn)產(chǎn)品模型的制作，但與傳統(tǒng)的手工制作相比，成本、精度較高，它雖然簡化了制作環(huán)節(jié)，但同時也淡化了手工制作帶給設計師的創(chuàng)意能力的培養(yǎng)，不便于設計師即時調(diào)整設計方案，一般在設計方案基本確定之后才會使用?，F(xiàn)有的計算機輔助設計軟件多為數(shù)字建模，建模思路采用基于樣條曲線建立曲面的幾何建模方式，對用戶有較高的數(shù)學知識要求，用戶需要通過鼠標、鍵盤等媒介來控制計算機，同時輸出的圖形也是平面化的。

現(xiàn)有的產(chǎn)品建模方法都有著各自的缺陷，近年來，隨著虛擬現(xiàn)實技術的出現(xiàn)，虛擬油泥造型開始成為建模的新選擇，它能夠為設計師提供一個虛擬模型制作環(huán)境、制作工具，同時以立體形態(tài)實時地呈現(xiàn)設計師面前，保證了設計師的創(chuàng)造性，同時也能很好向生產(chǎn)進行過渡。但目前這種建模方法還處于研發(fā)當中，為了很好地滿足設計師對于創(chuàng)造環(huán)境的需求，需要對設計師和實體油泥造型技術進行深入的研究。

1 研究方法概述

整個用戶研究過程中采用定量和定性相結合的方法，具體見表1。背景資料調(diào)查過程中，主要是收集整理現(xiàn)有的相關文獻，了解油泥模型在現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品設計中的使用現(xiàn)狀，油泥模型的制作者及相關背景，擬定初步的定性研究方案。然后，根據(jù)前期的研究結果，在模型制作地點與制作者進行深入交流，了解他們的知識背景、技能、愛好等，對用戶進行分類，建立用戶角色模型。采用外部觀察的方法記錄各用戶角色的模型制作過程，抽取出油泥模型制作的典型用戶情境，進一步分析在各個制作環(huán)節(jié)中人、物與環(huán)境三者之間的關系。在定性研究的過程中也采用了UCD方法，如抽取出油泥模型的基本流程，邀請油泥模型制作者采用卡片分類的方式對流程進行階段劃分，確保研究結果的合理性。

表1 調(diào)研方法、步驟及輸出

2 實體油泥造型技術研究的展開及結果

2.1 使用現(xiàn)狀

工業(yè)油泥（圖1）是油質(zhì)的，但在室溫下硬化，加熱后會變軟，才便于塑形。目前，油泥有國產(chǎn)和進口兩種，國產(chǎn)油泥冷卻后可塑性差，進口油泥屬日產(chǎn)的J525油泥最佳，但價格較為昂貴。油泥往往具有特殊的氣味，對于外行人來說難于習慣。

圖1 工業(yè)油泥

在工業(yè)設計專業(yè)的基礎教學中，產(chǎn)品模型制作是一門重點實踐課程，但出于教學成本的考慮，國內(nèi)的絕大多數(shù)設計院校往往會選擇石膏、發(fā)泡塑料等較為廉價且易加工的材料來制作模型，只有部分有實力的設計院校才會使用油泥這樣價格較為昂貴的材料，導致了國內(nèi)的產(chǎn)品設計師普遍缺乏良好的油泥模型制作能力。

圖2 汽車新產(chǎn)品設計開發(fā)流程及模型制作順序

目前，油泥模型主要運用于汽車等新產(chǎn)品的設計開發(fā)階段，通常由專門的模型師完成，具體工作流程如圖2所示。當設計師完成線圖后，模型師開始制作比例模型（多為1:4模型）。在比例模型制作的過程中，首先將設計師的構思具體化，然后加強和推敲構思，最后讓設計師進一步檢討設計。如果制作多個模型，需要設計師決定哪一個模型制作成全尺寸模型。當設計被進一步細化時，模型師需要制作一個全尺寸模型，最終向設計師展示模型進行最終設計評審，在此時生產(chǎn)設計定稿，然后利用逆向工程獲取模型上的數(shù)據(jù)，由專門的數(shù)字建模工程師利用計算機輔助工業(yè)設計軟件完成數(shù)字模型的建立，向生產(chǎn)輸出必要的數(shù)據(jù)。整理后發(fā)現(xiàn)，汽車等新產(chǎn)品設計開發(fā)流程中的設計師分工比較細致（表2），這種合作完成的方式無形中增加了溝通成本，同時也很難保證產(chǎn)品設計師的創(chuàng)意能夠完美地表達。

表2 汽車新產(chǎn)品設計開發(fā)流程中的角色分工

2.2 用戶研究

結合前期的調(diào)研結果，最終選擇了南京某高校工業(yè)設計專業(yè)本科階段開設的汽車概念設計課程作為定性研究對象，該課程以團隊合作的形式展開，最終成果為1∶4的比例模型，學校邀請了汽車集團的的一位一線汽車產(chǎn)品設計主管作為客座指導老師。在課程開始前與任課老師、客座指導老師、學生們交流，了解他們的教育背景、愛好和模型制作經(jīng)驗。在模型制作過程中邀請同學們采用文字、圖片的方式記錄各自團隊的制作過程，記錄各自團隊遇到的困難和最終解決方案。

為了保證定性研究的客觀性，又選擇了一位雕塑專業(yè)出身的專業(yè)模型師作為定性研究對象，了解他的相關背景，采用視頻拍攝的方式記錄他制作汽車油泥模型的過程。通過整理分析，油泥模型制作者主要分為產(chǎn)品設計師、設計專業(yè)學生和模型設計師（表3，人物姓名均為虛擬）:

表3 油泥模型制作的用戶角色

續(xù)表3

2.3 制作流程研究

通過外部觀察的結果，分析整理出汽車油泥模型的基本流程為:準備圖樣和工具，制作帶有坐標線的截面樣板，制作內(nèi)骨架，安裝內(nèi)骨架，軟化油泥，上泥油泥，模型初刮，側面成型，車頭及車尾成型、前罩、車頂面、前后窗及后蓋成型，細節(jié)成型，貼膜，貼膠條。然后，邀請用戶采用卡片分類的方式對整個流程進行階段劃分，最終的結果為:準備、貼附油泥、粗刮油泥、精刮油泥、修飾5個階段（表4）。

表4 油泥模型制作的基本流程

研究發(fā)現(xiàn)在油泥模型制作過程中，精刮階段耗時最長，設計師通常會先構思再取樣刮削。最常見的順序是粘貼膠條進行設計構思→利用圖樣制作樣板→利用刮刀參照樣板刮削油泥→利用樣板校驗模型，這些動作需要身體的頻繁身體移動、雙手操作和眼睛多方位的觀察。

2.4 交互特點研究

按照上述的基本流程，抽取出油泥模型制作的關鍵環(huán)節(jié)貼附油泥、粗刮油泥和精刮油泥這三個階段，然后利用拍攝的圖片制作成如圖3的記錄。

通過圖片日記可以發(fā)現(xiàn)加工油泥過程中，主要的交互方式是雙手交互。設計師會在不同的階段，選擇合適的工具進行加工，例如貼附油泥時，設計師直接用雙手來加工油泥，主要的手勢是“推”和“勾”，“推”時用掌部的大拇指球向前推，“勾”時食指呈彎曲狀，用其內(nèi)側面向回勾拉;在使用刮刀時，通常是右手握刀，然后沿模型曲面進行刮削;而在使用大尺寸刮板、刮片進行刮削時，為了穩(wěn)定工具保證刮削效果，需要雙手緊握刮板。

圖3 油泥模型制作中的動作圖片記錄

3 結語

研究發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)品油泥模型的制作過程中，制作者雖然不全是設計師，但都是從事藝術相關的專業(yè)出身，有一定的產(chǎn)品模型制作經(jīng)歷，對于制作流程有著比較一致的認識。產(chǎn)品油泥模型制作過程中，精刮階段耗時最長，需要根據(jù)不同的刮削面，選擇合適的刮削工具，經(jīng)驗豐富的制作者往往還會制作一些工具，以滿足實際的設計需求。在制作過程中，為了保證制作精度，需要利用三視圖制作大量的樣板，同時結合多種測量工具反復測量模型。在進行油泥模型制作時，需要使用大量的工具，而在人們使用工具的行為中，手是最重要的身體部位，其中大量有目的的行動都是通過手與工具（包括油泥及模型）的操作部位的接觸或感應來完成的，使用不同形態(tài)、尺寸的工具時，手勢有著比較明顯的區(qū)別。

目前，虛擬油泥造型系統(tǒng)的輸入設備包括3類:鼠標、數(shù)據(jù)手套和自然手勢，其中最后一種利用計算機視覺解放了用戶的雙手，更符合設計師的操作習慣。傳統(tǒng)的手工制作油泥模型的建模思路可以簡單概括為“先加后減”，在這種建模思路的虛擬油泥造型系統(tǒng)中不僅需要提供現(xiàn)有的虛擬造型工具，還需要提供工具和樣板制作功能，幫助設計師更靈活地完成油泥模型的制作。

［1］山田泰里（日）.ClayMolding－ Techniques for GivingThree Dimensional Form to Idea［M］.東京:株式會社三榮書房，1997.

［2］陳雷.汽車油泥模型制作［J］.裝飾，2001（6）:15-16.

［3］潘榮，等.設計·觸摸·體驗［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［4］江湘蕓，等.產(chǎn)品模型制作［M］.北京:北京理工大學出版社，2005.

［5］陳震邦.工業(yè)產(chǎn)品造型設計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［6］石云愛，等.車身油泥模型制作（上）［J］.貴州航天，1996（1）:46-53.

［7］石云愛，等.車身油泥模型制作（下）［J］.貴州航天，1996（2）:33-42.

［8］趙鵬、陳虹.產(chǎn)品設計中的油泥模型制作技術研究［J］.機械設計與制造，2012（1）:240-242.

［9］汪成為，等.靈境漫話［M］.北京:清華大學出版社，1996（6）:35-69.

［10］汪成為，等.靈境技術的理論、實現(xiàn)及應用［M］.北京:清華大學出版社，1996（9）:1-69.

［11］張鳳軍，等.桌面虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的雙手交互技術研究［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2006（11）:1698-1702.

［12］寧志鵬，等.虛擬油泥造型交互方法研究［J］.計算機測量與控制，2009（7）:1371-1374.

［13］高雨辰，等.圖解產(chǎn)品設計模型制作［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.24-34

［14］戴國忠，等.筆式用戶界面［M］.北京:中國科學技術大學出版社，2009.199-216

［15］胡飛.聚焦用戶［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.