CAD及虚拟技术在挖掘机产品概念设计中的应用与实施

马　萌　李训迪　王　稳　高　峰　常文凯

（中国矿业大学艺术与设计学院，江苏徐州 221000）

CAD及虚拟技术在挖掘机产品概念设计中的应用与实施

马萌李训迪王稳高峰常文凯

（中国矿业大学艺术与设计学院，江苏徐州 221000）

随着科学技术的突飞猛进，特别是在计算机技术和生命技术的引领下，21世纪的设计也处在大反思的阶段。与此同时，虚拟设计随着科学技术的高速发展，特别是信息时代的到来应运而生。以虚拟设计平台为基础，结合计算机辅助设计技术，进行挖掘机概念探索与设计创新。利用了虚拟设计的数字化、交互性、沉浸感、虚拟制造、虚拟仿真等优点，对实际产品设计过程进行指导。

虚拟技术 CAD软件 挖掘机概念设计

1　CAD及虚拟技术在挖掘机设计中的应用现状

虚拟设计（Virtual Design）是一种新的设计概念和技术，它涉及众多学科和专业知识，广泛应用于企业的生产与制造之中。本质上讲，虚拟设计是将产品从概念设计到投入使用的全过程（PLM，产品生命周期）在计算机上构造的虚拟环境中虚拟地实现，其目标不仅是对产品的物质形态和制造过程进行模拟和可视化，而是对产品的性能，行为和功能以及在产品实现的各个阶段中的实施方案进行预测、评价和优化。它是产品开发的测试床。

全球化、网络化和虚拟化已成为制造业发展的重要特征，实现“虚拟设计”（Virtual Design）是制造业信息化的重要内容。近年来，为了缩短产品的开发周期、降低生产成本，人们提出了各种各样的制造模式。计算机技术的发展为这些制造模式的应用提供了有力的支持，提倡虚拟设计就是提倡无形设计和非物质设计，利用CAD软件辅助设计，在挖掘机等大型工程机械的设计概念构想阶段，草图阶段和最终效果呈现以及装配检验阶段起到了很好的助力作用，贯穿了可持续的设计理念。

2　虚拟技术平台分析

2.1人文平台

近年来，可持续设计成为设计主导趋势。三大方向之一就是虚拟设计，虚拟设计倡导以人为本，提倡无形设计，即从物的设计转变为非物质的设计、从产品的设计转变为服务的设计、从占有产品转变为共享服务。在设计的过程中，虚拟设计是沟通消费者和企业以及设计师的纽带，通过这个平台，顾客可以满足自己对于产品的独特审美需求，还可以得到个性化的服务。设计师基于虚拟技术平台可以高效率的进行设计探索，企业也可以降低自己的生产成本。

2.2科技平台

C A D是虚拟设计的主要手段，类似P R O/E n g i n e e r、Unigraphics、AutoCAD、Solid works、VRML、VR-PlatForm、Unit 3D等这类软件都为产品设计提供了很好的解决方案，对设计的影响涉及概念设计阶段，草图设计阶段，设计效果呈现阶段。随着社会逐步进入互联网时代，结合互联网技术，设计的过程更加透明化，用户可以参与到设计的整个流程，因此虚拟技术提高了产品的可制造性。与此同时，互联网平台提供了更多新技术的可接触性，加强了产品互动仿真体验。产品制造商和消费者借助这些平台可以实时参与设计，从而达到设计者和使用者情感共鸣，实现双赢。

基于这些平台，产品设计从模型阶段就进入了整体验证阶段，无论是虚拟模型的视觉性体验还是产品模块之间的虚拟装配测试都得到了充分的利用。

3　设计实践探索

3.1CAD——虚拟模型设计

3DS Max的优势是可以以可视化的方式快速搭建复杂的三维模型，并且为它们添加效果精良的材质贴图，环境效果和动画制作，但是它缺乏操作者对虚拟物体的控制能力，因而它不能满足我们系统要求实现的要求。所以本文要阐述的设计实践案例中主要利用的CAD软件是犀牛Rhino和Keyshot。而虚拟系统可以由VRML、VRPlatForm、Unit 3D等软件平台构建。

Rhino早些年一直应用在工业设计专业，擅长于产品外观造型建模，但随着程序相关插件的开发，应用范围越来越广，近些年在建筑设计领域应用越来越广，Rhino配合grasshopper参数化建模插件，可以快速做出各种优美曲面的建筑造型，其简单的操作方法、可视化的操作界面深受广大设计师的欢迎。另外在珠宝、家具、鞋模设计等行业也应用广泛。它可以将草图进行三维展现，以供设计师和工程师进行参考辅助设计，（如图1）通过定位各种挖掘机零件的位置，最终构建出立体的模型，为下一步设计的开展提供了可视化模型。

同时还可以模拟零件装配，对挖掘机的内部结构进行匹配，从而对实际生产情况进行虚拟仿真（如图2）。

作为虚拟制造的关键技术之一，虚拟装配技术近年来受到了学术界和工业界的广泛关注，并对敏捷制造、虚拟制造等先进制造模式的实施具有深远影响。本文通过建立产品数字化装配模型（如图3），取代了传统设计中的物理样机，从而方便的对产品的装配进行模拟和分析，预估产品的装配性能，及早发现潜在的装配空间、静态干涉、动态干涉（rhino在这个干涉检查等功能方面很弱，一般情况检查干涉等在proe等大型专用软件中去分析），并将这些反馈信息进行整理，指导优化再设计，从而进行设计上的创新与改进。运用该技术不但有利于并行工程的开展实施，而且可以大大缩短产品开发周期，降低生产成本，提高产品在市场中的竞争力。

虚拟模型通过Keyshot进行材质尝试和配色探索，3D渲染和动画过程模拟。通过KeyShot，用户就能更好地控制颜色选项，在当前场景的任何一个地方挑选颜色，并可将所选的颜色保存到一个新的调色板内。挖掘机的材质和颜色的虚拟匹配可以降低大量的人力物力的耗费，缩短设计周期，如图4。同时，产品使用场景的虚拟模拟可直观地反馈产品运行信息，如图5所示，设计者对此加以总结、改进，节省实验成本，达到预期成果。而且在渲染软件中，可以按照挖掘机工作的实际路况和光线环境进行参数设置，从而达到模拟场景的目的，然后将反馈信息进行处理，对设计进行改进。

利用CAD软件，对挖掘机的工作状态和行走方式进行虚拟仿真，挖掘机在行驶过程中有四种状态:第一状态（高速行驶状态）:使用轮胎行驶，挖臂和驾舱完全收回，保证最快速度；第二状态（机动工作状态）:使用履带行驶，挖臂展开，驾舱收回，可处理机动性工作；第三状态（完全部署状态）:前轮作为支架，车身后倾，挖臂完全展开，驾舱被抬高确保最大视野，可处理相对重型的工作；第四状态（高处挖掘状态）:前轮倾斜以适应坡度，挖臂完全展开，可处理相对高处的作业（如图6，如图7）。

3.2CAD——模型实物制作

利用CAD三维设计软件制作出的三维模型，通过快速成型工艺制作出挖掘机各部件，并拼装成型，从而检验设计概念的合理性与可改进处（如图8）。

4　结语

通过应用CAD及虚拟技术，我们完成了针对城市使用和雪地使用的挖掘机概念设计与探索，并发掘出适合各自环境特点的可行性解决方案，例如全收缩式挖臂，快速转换履带轮胎系统，雪橇履带系统等。通过运动虚拟仿真，检验设计的合理性，同时通过产品外观材质渲染，找到适合各自特点的配色和材质方案。

［1］袁名松，迟毅林，张淼.虚拟设计发展现状及未来发展方向.昆明理工大学学报（理工版）［J］.2002（2）：18-20.

［2］周赞.基于挖掘任务的挖掘机虚拟交互设计研究［D］.硕士论文. 2013.

［3］胡晓强.虚拟现实技术基础与应用［M］.北京：北京邮电大学出版社.2009.2.

［4］田颖，谷为民，周小均.浅谈超重超限车辆对城市道路的损害及应对建议［J］.城市道路与防洪2011（3）.

本文受国家大学生创新训练计划项目（项目号201310290063）资助。

马萌（1993—），女，河北人，本科，毕业于中国矿业大学，研究方向：工业设计。