多约束下的产品形态设计计算机辅助系统研究

李 博 余隋怀 初建杰 杨延璞 杜 微 杜鹤民

西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，西安，710072

0 引言

现代工业设计追求的是多约束下的创造性设计，设计师在产品设计的过程中必须进行分析推理、运筹决策和综合评价，才能获得满意的结果。这实际上是一种人的创造性思维与环境条件交互作用的智能行为。

在产品设计过程中，各种设计需求构成设计约束，从某种意义上说，产品造型设计就是对各类设计约束的协调和满足。

现在国外国内所进行的产品造型设计主要有两条途径：一是对已有产品的改良，称为改良设计；二是对市场预测或对新技术的整合，称之为概念设计［1］。在设计实践过程中，两者均要受到各种约束条件的影响。

目前，学术界对概念设计方面的研究成果相对成熟，在引入计算机和人工智能技术辅助后，已有的研究大部分侧重于对设计优化、评价、知识获取等某一具体领域的研究［2］，缺乏对设计师或用户的直觉、经验和情感等感性因素的有效处理；其次是研究注重对具体的用户需求的挖掘和满足［3］，但是对企业本身、对社会发展和对人文精神的需求的关注度不够。而关于改良设计方面所涉及的较为具体的约束影响，特别是设计参与后续制造各工艺环节的创意结合应用方面的研究更不多见。

产品形态设计要完美实现制造加工，必须满足形态因素和工艺因素的制约［4］。本文基于对企业中产品加工生产使用的材料特性、加工工艺、表面处理等设计约束因素的研究，建立有效的辅助工具为设计师提供可靠的设计依据，弥补工业设计师在结构、材料、工艺等方面的不足；建立常用结构的构件库，实现建模的自动化，减少设计中的重复性劳动；传承和积累设计经验，有效避免无效的设计工作，缩短产品设计周期，降低产品开发成本。

1 产品形态设计中的约束研究

产品设计是一个自顶向下的过程，即先确定产品的整体形态、色彩、质感，然后再设计出与整体风格相协调的局部［1］。这种设计方法常常忽视了一些工艺条件的限制或设计实例（经验）的重用，造成了一些部件或造型在制造过程中难以实施。如图1所示，产品设计过程受到诸多因素的约束［5］。同时，产品开发过程也是一个将各因素综合考虑，使综合效益达到最高的过程。产品形态设计作为产品设计的重要环节，也受到诸多因素的影响［6］，如图2所示。设计人员对相关因素的把握，尤其是材料、结构、工艺等方面的系统把握有利于设计工作的开展。如果能将这些知识及应用实例作为约束条件恰当地应用到新的产品设计过程中，从最初的创意设计阶段就加以考虑，无疑将提高设计效率，降低产品制造的风险。

1.1 材料对产品形态的约束

材料对形态的约束应从以下几个方面考虑：

图1 产品设计约束模型

（1）材料性能方面。每种材料都有自己固有的属性，如化学、物理、机械性能，其属性决定了材料本身的特点，也影响了产品的形态。

（2）材料的感觉物性方面。感觉物性是通过人的感觉器官感觉到的材料的性能。它只能是相对的判断，但它对人的作用是直接的，且影响很大。如金属的冷暖度、皮革的柔软程度、衣料的清爽程度等都属于材料的感觉物性。

（3）材料的加工工艺对形态的约束。不同材料的加工和成形方法各有差别，因此对产品的形态创新起到直接的作用。材料的固有属性在一定程度上限制了形态的设计，但随着加工技术的进步和新方法的产生，这种限制已经越来越少。

（4）新材料、新技术的发展对形态的约束。随着现代科技的发展，材料领域的科学家们不断发现和创造出新材料，每年都有多种新材料投入到生产中，这对于产品设计人员而言，无疑提供了更加丰富的想象空间，以前很多不能或很难实现的优美造型，在使用新材料后都能方便地实现。

材料及加工工艺经验的积累是设计人员的财富。综上所述，将现有的材料及加工工艺收集整理，然后通过分析，提取其中的设计要点，构建出材料及加工工艺管理库，在新的产品设计过程中作为材料选择的依据和材料加工方法选择的指导方法，将有助于产品形态的顺利实现。

1.2 表面处理工艺对质感的约束

产品表面处理工艺直接影响产品的外观质感。不同的材料和表面处理工艺可形成不同的质感，产品质感的约束因素如图3所示。如果对表面处理技术及材料的特性不了解，就可能造成设计出的产品质感和实际产品质感之间有偏差，甚至在现有工艺技术条件下无法实现产品的质感。

图3 产品质感的约束集

因此，有必要建立材料和表面处理工艺及效果的直接联系，并将常用的表面处理工艺及效果构建成数据库，该数据库由两部分组成，一是表面处理工艺及效果管理数据库，二是管理数据库的软件模块。表面处理工艺及效果管理数据库的基本功能是提供表面处理工艺及效果的储存和管理功能，可以实现浏览、修改、添加、删除等功能。

2 约束条件下的形态设计流程分析

2.1 产品形态设计初期设计流程分析

在以材料与加工工艺管理数据库为基础的形态设计模式中，设计人员通过搜索数据库，获得材料属性（包括材料的固有属性、加工工艺、连接方式、应用领域、设计要求等）的相关知识并掌握其加工成形过程中的影响因素、工艺过程等技术信息，通过这些信息来约束设计师对产品形态的初步设计，其过程如图4所示，如果材料已经给定，则可直接通过查询获得相关信息来约束形态的设计，降低后期制造过程的很多风险。

2.2 产品形态细化设计流程分析

约束条件下的产品形态设计以数据库为基础，配合三维平台的设计工具进行细化设计。经验数据作为结构设计时的参数约束，而经验原则作为特征构建顺序和设计原则的指导，在结构设计时给予设计人员知识辅助。此模块有两种模式：通用结构设计模式和特定结构设计模式。处于通用结构设计模式时，系统只提供通用的经验设计值和设计原则。处于特定结构设计模式时，通过获取当前产品或零件的材料属性，并根据材料提供相应的经验设计数据和设计原则来完成产品形态的细化设计。特定结构设计模式下所获得的约束数据更加具体，更加准确。为满足设计的灵活性可以在通用设计模式上启动特定结构设计模式。此模块的设计流程如图5所示。

图4 产品形态设计初期设计流程图

图5 约束条件下的产品形态细化设计流程图

2.3 产品质感设计流程分析

产品表面处理工艺及效果库既可以作为产品质感效果设计的依据也可以作为产品质感效果修改的依据。当设计出质感效果后可以通过语义搜索、基材搜索、工艺搜索等方式找到相关的设计实例，然后通过设计师对设计效果和真实效果的对比，来了解质感效果的可实现情况，不断地完善设计效果并为后续的产品质感效果的实现提供方法性指导，其流程如图6所示。

2.4 常用构件的参数化设计流程分析

在产品开发过程中，经常会用到大量的通用件、标准件、相似件，重复建模将浪费大量的人力和时间。将产品设计中常用的构件建库并实现参数化设计可以减少设计的工作量，简化设计流程。

参数化设计也称尺寸驱动，本质是基于约束的模型描述方法［7］。参数化设计技术采用参数预定义的方法建立图形的几何约束集，指定一组尺寸作为参数使其与几何约束集相关联，并将所有的关系式融入到应用程序中，然后以人机交互方式修改参数尺寸，通过参数化驱动实现对设计结果的修改［8-9］。

图6 产品的质感设计流程图

参数化实现的方式有编程方式和基于模板的方式两种［10］。基于模板的方式利用CAD系统的参数化建模功能建立构件的模板文件，把构件的系列参数存入参数库中，调用时通过相应的参数映射机制生成实例化零件。这种参数化驱动的意义在于对具有相同特征的构件均可以用同一个模板文件来构造，而不必为每个尺寸的变化重新构建。使用参数化驱动技术可以增加构件库的灵活性和丰富性，它可以利用同一个模板经过改变尺寸参数而构造出无数个构件实例。本文就使用了这种模板文件加参数驱动的机制，其参数化设计过程见图7。

图7 参数化设计过程

2.5 形态设计多约束数据库的构成分析

在产品设计的三维建模和形态细化设计阶段，有很多重要的工艺经验和设计原则对于工业设计人员和工程师有重要的参考价值，但很多有用的工艺经验和设计原则没有被很好地再利用。重用已积累的经验和设计原则，是提高设计效率的重要手段。本文提出一种将有用的设计经验和原则收集、整理、分类，形成约束库的方法。将该方法应用到新产品形态细化设计中，能够降低产品形态实现过程中的风险。该数据库包含塑胶类、钣金类、玻璃、木材、陶瓷等五大类材料在制造时的加工工艺约束信息［11-13］，图8为具体的工艺约束构成示意。

图8 各类材料加工工艺约束的构成

为了方便各种设计原则和设计经验数据的获取和再利用，利用数据库技术将这些原则和数据设计为底层的支持模块，通过它们可以对产品的形态细化设计进行约束。该数据库主要包含五部分：钣金件信息库、塑胶件信息库、玻璃信息库、木材信息库、陶瓷信息库。各库都包含了所述类别的设计原则和设计经验数据。通过数据库管理系统统一管理数据，可以对数据库中的数据进行调用、查询、增加、删除和修改，以提高设计效率。

3 构建产品形态设计CAD系统

3.1 需求分析

产品形态设计CAD系统需求包含多方面的内容：首先，产品设计是一个复杂过程，其设计过程涉及多方面知识，系统必须能为设计师提供全面的知识和经验辅助；其次，系统建立在工业设计理论之上，必须符合设计师的思维习惯和工作方式，在操作方式上，要采用人性化、自然的方式来辅助设计师完成操作；再次，从实现方面看，要求系统具有可扩展性，并易于升级，因为随着新材料、新工艺的发展，结构、材料、工艺等也在不断发展更新，而设计人员的经验也在不断积累；最后，系统性能必须稳定、可靠。

3.2 系统框架设计

在系统需求分析的基础上设计系统框架。框架的构建采用基于组件的思想，整个系统由多个组件模块构成，如图9所示。

图9 系统框架图

3.3 系统各模块的实现

构建产品形态设计辅助系统（CAFDS），以基于工艺约束的产品形态细化设计模块为例，说明系统各模块的实现方法。该模块实现形态细化的约束设计的工作流程如下（图10）：①在Pro／E平台下启动系统的特征设计工具；②开启相应辅助设计工具，访问数据库，获得相应的经验值和设计原则；③根据经验值和设计原则确定合适的参数；④输入参数，完成特征创建。

图10 产品细化设计模块的工作流程图

此模块的数据库亦使用Microsoft Access建立。基于工艺约束的产品形态细化设计数据库包含五个表，分别是塑胶类表（PlasticTable）、金属类表（MetalTable）、玻璃类表（GlassTable）、木材类表（WoodTable）、陶瓷类表（ChinaTable）。以塑胶类数据表的设计为例，说明其构建过程，如表1所示。

表1 塑胶类表的构成

通过ADO数据访问技术访问工艺约束库的流程如图11所示。

图11 工艺约束数据库访问流程图

4 系统应用验证

4.1 系统的运行

本系统采用手动注册的方式。其步骤如下：启动Pro／E三维设计平台，选择“工具”下拉菜单的“辅助应用程序”菜单项，出现如图12所示对话框。单击对话框“注册”项，选中形态设计辅助系统的注册文件，系统将显示应用程序名称，选中应用程序名称，单击启动后，CAFDS系统已经加载到系统中，如图13所示。系统注册完成后菜单如图14所示。

图12 注册辅助应用程序对话框

图13 CAFDS成功运行显示

图14 系统注册完成后的菜单

4.2 系统的验证

本节将以一款载人航天试验舱舱内控制柜的外壳造型及钣金件设计为例对系统的各个模块进行验证。钣金件造型包含的主要造型因素有外壳、中框、底框、柜门、整体色彩、整体质感等。

钣金部分功能的验证：从图15可以得到相应工艺的设计原则并可以根据原则对当前设计尺寸进行评估，核实其是否符合设计经验。

图15 钣金件冲裁工艺辅助设计界面

钣金件设计中涉及的其他结构内容较多，本文只对一款载人航天试验舱舱内控制柜外壳所涉及的一些内容进行了验证，其他功能验证未列出。

5 结语

本文在研究产品与形态设计相关的结构、材料、工艺等相关多约束条件的基础上，根据设计人员的需求构建了产品形态设计辅助系统，并将其集成到三维设计平台Pro／E 2.0上，对各模块的功能进行了应用验证。该辅助系统能使设计人员加深对结构、材料、工艺的理解，有利于在产品设计初期就把握产品形态设计实现的技术方向，有效减小概念创意和实际产品的偏差，提高设计人员工作效率，减少设计的重复性工作，从而可以缩短产品的开发周期，降低开发成本，提高产品的市场竞争力。

［1］陈汉青.产品设计［M］.武汉：华中科技大学出版社，2005.

［2］王伟伟，余隋怀，杨刚俊，等.约束驱动的产品形态概念设计智能优化模型研究［J］.中国机械工程，2011，15：1770-1775.Wang Weiwei，Yu Suihuaii，Yang Gangjun，et al.Research on Intelligent Optimization Model for Constraint-driven Product Conceptual Design［J］.China Mechanical Engineering，2011，22（15）：1770-1775.

［3］Mohannad M，Manohar D，Cheok Ka C.Modeling and Simulation of an Advanced Intelligent Restraint System［C］／／2009IEEE International Systems Conference Proceedings. Vancouver，BC， Canada：ISCP，2009：333-337

［4］Sun Liqing，Lin Yi，Sun Fengchun.Simulation of Restraint System Performance upon the Occupant’s Response during Impact［J］.Journal of Beijing Institute of Technology，1999，6：207-213.

［5］李婕静.TCL波轮洗衣机造型设计工艺实现的应用研究［D］.北京：清华大学，2006.

［6］John W.Creswell.Research Design Qualitative，Quantitative，and Mixed Methods Approaches［M］.Thousand Oaks，Calif.：Sage Publications Inc.，2008.

［7］孟祥旭，徐延宁.参数化设计研究［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2002，14（11）：1086-1090.Meng Xiangxu，Xu Yanning.A Survey of the Research Works on Parametric Design［J］.Journal of Computer-aided Design ＆ Computer Graphics，2002，14（11）：1086-1090.

［8］丁炜.家电产品的三维造型设计方法的研究［J］.机械开发，1999（1）：37-40.Ding Wei.Research on Three-dimensional Modeling Design Method for Household Electrical Appliances［J］.Machinery Development，1999（1）：37-40.

［9］郑飞.基于Pro／E的网络标准件库系统的研究与开发［D］.武汉：华中科技大学，2006.

［10］蔡波，陆长德，余隋怀，等.自顶向下的计算机辅助工业设计几何建模研究［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2001（12）：1129-1132.Cai Bo，Lu Changde，Yu Suihuai，et al.Research on Top-Down Geometric Modeling in Computer Aided Industrial Design ［J］. Journal of Computer-aided Design ＆ Computer Graphics，2001（12）：1129-1132.

［11］Zhou Q，Chinb K S，Yarlagaddaa P K D V.Internet-based Intensive Product Design Platform Forproduct Design［J］.Knowledge Based System，2003，16：7-15.

［12］张毅，郭钢.产品设计中多维工程约束的研究［J］.机械工艺师，2000（9）：52-54.Zhang Yi，Guo Gang.Research on Multidimensional Engineering Constraints for Product Desingn［J］.Mechnical Process Engineer，2000（9）：52-54.

［13］吴斌.基于Pro／E平台的标准件库系统研究及管理工具开发［D］.武汉：华中科技大学，2004.