王鐵球

摘要：產品設計原型的制作是設計創(chuàng)意產品化的重要途徑，也是設計方案驗證和完善的重要過程。數控技術的快速發(fā)展為產品原型的加工和制作提供了更為準確、快捷、便利的選擇。工業(yè)設計實踐教學環(huán)節(jié)中，同樣可以通過引入數控技術提升教學效果。先進技術不僅可以服務現代制造業(yè)，也可以服務于設計教學，以此縮小校企之間的實踐落差。

關鍵詞：數控技術;工業(yè)設計教學;產品原型

中圖分類號：G64

文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）04-0031-02

Abstract：The prototype of product design is an important way for realizing creative design to real products， and it is also an important process to verify and perfect the design idea.The rapid development of numerical control technology provides a more accurate， fast and convenient choice for the processing and manufacturing of design prototypes.To practical teaching of industrial design， numerical control technology can also be introduced to improve the teaching effect.Advanced technology can not only serve modern manufacturing industry， but also serve the design teaching， so as to narrow the practice gap between school and enterprise.

Key Words：Numerical Control Technology;Industrial design;Design prototype

工業(yè)設計是以產品設計為核心的，藝術與技術相結合的綜合性學科。工業(yè)設計很早就已成為發(fā)達國家制造業(yè)競爭的核心動力之一。產品設計原型是設計創(chuàng)意的準確再現，具有立體直觀化、真實準確化的特點。產品設計原型的制作是工業(yè)設計流程中創(chuàng)意產品化的重要途徑，也是設計方案驗證、完善的重要過程。將快速發(fā)展的數控技術結合到工業(yè)設計教學實踐環(huán)節(jié)中來，可以在最短時間內完成設計原型的加工與制作，更重要的是能夠讓學生的各種創(chuàng)意方案脫離華而不實的效果圖，快速、準確地轉換為真正意義上的產品。

1數控技術與數控設備的發(fā)展現狀

伴隨著工業(yè)的快速發(fā)展和升級，產品制作工藝也不斷革新。由于快速成型技術可以大大縮短產品的開發(fā)周期，滿足產品的個性化、多樣化需求，因此在工業(yè)設計領域得到了廣泛應用。數控技術作為快速成型技術的代表，也是現代制造系統(tǒng)的動力源泉，在實現制造自動化、集成化、網絡化的過程中占據著舉足輕重的地位[1]。我國數控技術研發(fā)工作開始于1958年，目前已具有一定的自主知識技術與生產規(guī)模，例如比較知名的自主品牌有：北京精雕數控、華中數控與沈陽數控等[2]。

數控機床（Computer Numerical Control，簡稱CNC），其控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，通過計算機將其譯碼，從而使機床執(zhí)行規(guī)定好的動作，通過刀具切削將毛坯料加工成半成品或成品零件。數控機床是由普通機床的基礎上發(fā)展而來的，能加工復雜異形零件，具有良好的柔性、高精度和可靠的穩(wěn)定性等優(yōu)點[3]。作為當代制造業(yè)的主流裝備，數控機床能夠大幅提高生產效率和產品精度，促進我國經濟發(fā)展。雖然國產數控系統(tǒng)在可靠性與功能性上與國外技術相比依然存在一定的差距，但是近年來我國在多軸聯(lián)合控制、系統(tǒng)的智能化與開放性等領域取得了一定的成績。

2數控技術應用于產品原型制作的優(yōu)勢

快速原型技術是一種涉及多學科的新型綜合制造技術。上世紀80年代后，隨著計算機輔助設計的應用，產品造型和設計能力得到極大提高。然而在產品設計完成后，批量生產前，必須制作出樣品以表達設計構想，快速獲取產品設計的反饋信息，并且對產品設計的可行性做出評估、論證。在工業(yè)設計的實踐教學中，從產品開發(fā)到快速原型的實現可以快速檢驗產品工藝性、結構設計、基本功能操作等現實問題。

隨著快速成型技術的發(fā)展，工業(yè)產品研發(fā)的過程中逐步出現以數控加工技術和3D打印技術為依托的模型實物呈現方式，其中的數控加工技術更是成為獲得樣機或產品實物最快捷、準確的手段。通過快速成型技術，設計者在設計初期階段就能拿到具體的模型或樣品，并可實現不同階段的快速修改重做，根據精確模型或樣機讓設計者及時判斷設計方案的各種問題，提出建設性意見，實現無障礙交流，從而為產品開發(fā)創(chuàng)造一個良好的設計環(huán)境[4]。

相比較3D打印或其他產品原型制作技術而言，數控技術呈現出不可比擬的優(yōu)勢：首先，數控技術的加工材料可選范圍比較大，可以為工程蠟、金屬、木材、亞克力與尼龍等等，基本能夠圍繞設計的構想和實際需求進行加工，最大限度的展現設計預期的材質視覺效果[5];其次，數控設備在加工強度與密度等參數均高于3D打印技術，而且在加工尺寸方面的限制小，同樣尺寸的實物制作，數控設備制作的成本遠低于3D打印，實物精度反而更突出，也更便于后期的表面處理。當然，數控技術在處理較為復雜的曲面或者包含復雜內腔的創(chuàng)意方案時，也會存在一定的局限性。

3面向工業(yè)設計教學中產品原型制作的數控技術應用

3.1數控技術的應用原理和流程

傳統(tǒng)工業(yè)設計教學中，因為設備或場地的局限，系列專題設計課程的最終教學成果大多停留在三維造型軟件的效果模擬階段，無法獲得實物感，難以滿足后期方案驗證和完善的要求，或者僅僅呈現簡單初級的模型成品，尺寸精度誤差較大，表面加工精度不高。鑒于上述現狀，我們嘗試將先進的數控技術引入到專題設計課程的設計原型加工制作中來。在教學前期，學生的設計創(chuàng)意方案經過課堂教學環(huán)節(jié)反復篩選并確定之后，切入數控技術原理和設備的相關介紹。隨后，學生根據數控加工的原理和特點，將前期設計創(chuàng)意方案利用三維設計軟件（例如3Dmax或Rhino3D造型軟件等）進行模型構建，通過材質的賦予提前獲取創(chuàng)意方案的預期視覺效果，這也是后期數控加工階段材質選擇和加工參數設定的基礎因素。在此階段過程中，由于三維設計軟件的數據不具備實體概念，數據直接導入到數控機床加工時往往會出現各種模型質量問題而導致最終的加工失敗。因此需要在三維設計軟件的模型基礎上，創(chuàng)建更為準確的計算機輔助設計（CAD）數據，用于后期數控機床設備加工數據的導入。最后，學生提交上述構建的設計數據，并與數控加工中心進行方案設計與設備加工之間的協(xié)調與溝通，就產品尺寸、形態(tài)、材料等設計因素進行最終確認與完善。

3.2數控技術的應用實踐

將數控技術引入到課程設計實踐環(huán)節(jié)中，確保了設計成果脫離紙上談兵，讓學生進入到實戰(zhàn)性質的設計環(huán)節(jié)，最終產出細節(jié)優(yōu)化、制作精良的成品。在本次基于東莞特色的非物質文化遺產――“莞香”為主題的設計創(chuàng)作教學過程中，經過前期的理論教學，設計方案討論、篩選和確定之后，最后的三周時間增加了數控加工制作環(huán)節(jié)。

圖1的設計創(chuàng)意是一款名為“凝香”的裝飾性U盤鏈，該方案巧妙地將莞香油脂凝結成香的過程，再通過心形的包裹形態(tài)進行仿生設計。在作品的設計階段，圖2分別采用Rhino3D造型軟件和計算機輔助設計CAD軟件完成了效果圖和尺寸圖的繪制，并確定采用黃銅和綠檀進行加工;后期在數控加工中心采用三軸機床進行工藝編程加工制作完成;學生拿到原型后，再進行上打磨、木蠟油、上漆、拋光等表面處理，最終獲得圖3中的成品，與預期效果相差無幾。

圖4的設計方案以東莞莞香博物館建筑為靈感，將博物館建筑形態(tài)簡化、重構之后設計成一款車載香水瓶，希望借此推廣普及莞香文化。圖5的作品是名為“纏香”的首飾設計，以莞香花為設計元素，采用黃銅加工制作而成。上述作品中，由于不同材料的選擇和使用，最終獲得的成品原型都能最大程度地還原設計初衷，這是3D打印等加工方式難以企及的表面效果。同時，即便是復雜造型的設計原型，也可以通過三軸甚至五軸加工機床實現一次定位、多軸加工，輕松實現負角位置加工。

數控技術的高效、便利讓教學成果得以最佳的方式呈現，反復修改、確認各種設計細節(jié)的辛勞最終換來的是產品化的實物原型，學生面對手中超預期的設計實物，所獲得的成就感是難以言表的。

4結語

產品原型制作是工業(yè)設計流程中不可或缺一個環(huán)節(jié)。數控成型技術的應用，使產品原型制作的速度和精度都大大提高了，同時提升了工業(yè)設計課堂教學教學效果。事實證明，數控技術不僅僅是直接面向制造業(yè)，同樣也可以服務于工業(yè)設計教學體系、輔助畢業(yè)設計成品快速表現等環(huán)節(jié)。工業(yè)設計教學應該通過積極引入各種先進技術、先進方法與工藝，不斷嘗試各種先進材料，從源頭縮小校企之間的實踐落差。

參考文獻

[1]黃筱調，夏長久，孫守利.智能制造與先進數控技術[J].機械制造與自動化，2018（01）：1-6.

[2]周曉楓，王子偉，張?zhí)熨x，張兆夕.數控技術的國內外分析與發(fā)展趨勢的展望[J].中國設備工程，2018（08）：195-196.

[3]冉蓓，張廣潮.工業(yè)設計中快速成型技術的應用[J].學研探索，2015（14）：145-148.

[4]吳慧蘭.三維打印技術在工業(yè)設計模型制作中的應用研究[J].設計，2012（02）：28-29.

[5]馬延斌，張化平.快速成型技術與數控技術在手版制作中的應用比較[J].現代工業(yè)經濟和信息化，2018（13）：084-085.