计算机辅助设计在工业设计教学中的应用

董冰洋

摘 要 阐明计算机辅助设计的内涵，在设计方法、设计过程、设计质量、设计效率等方面与传统的工业设计进行对比。把计算机辅助设计引入工业设计教学，可以培养学生的设计建模和产品表达能力。

关键词 工业设计；计算机辅助设计；SolidWorks；三维实体模型

中图分类号：G642 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）14-0026-03

Application of Computer Aided Design in Teaching of Industrial Design//DONG Bingyang

Abstract Clarifying the connotation of computer aided design， com-

pared with the traditional industrial design in the design method， the

design process， the design quality， the design efficiency. Introducing

computer aided design into the teaching of industrial design， culti-vate students ability of design modeling and product expression.

Key words industrial design； CAID； SolidWorks； solid model

1 引言

以计算机技术为代表的信息时代已经对人们的认知产生巨大影响。CAD技术作为创新活动重要的辅助工具，已经被广泛应用于机械、模具、电子产品，并在提高产品设计水平、推敲产品结构形态、优化产品性能等方面展示了突出的影响力[1-2]。

国内的计算机辅助设计（CAID）发展迅速，尤其是在设计院所和高新企业，而且近年来企业对于高校毕业生的质量要求中也越来越看重计算机辅助设计的能力。而在高校内部，各个专业对于学生的方向要求不一[3]，理工类学科对于学生的CAID能力的层次要求要高于艺术类学科。CAID涉及CAD技术、人工智能技术、快速制造技术、人机工程等多个学科，将CAID技术引入艺术类工业设计学科的教学计划，可以提高本专业学生的设计表达能力和工程应用能力。

2 CAID对于工业设计的意义

在产品市场竞争日益激烈的时代，缩短产品开发周期和增强产品创新性成为提升企业和产品市场竞争力的关键。提高产品设计效率、优化产品形态、预见产品性能正是计算机辅助设计的特点。所以，计算机辅助设计和工业设计进行学科交叉是很有必要的。

工业设计的过程是一个产品创新、蜕变的过程，是从产品、市场、设计、形态、制造等多个角度，对产品的形态、性能、外观进行全面设计，突出产品创新性和竞争力的过程。

CAID，即在软件和工业设计相结合所形成的一个设计系统内进行的产品开发活动。与传统的工业设计方法相比，CAID在设计方法、设计过程、产品开发周期、产品性能等诸多方面都产生质的变化。

在市场竞争越来越激烈的时代，不但企业要提升竞争力，高校学生也要提高自身竞争力。在对于工业设计的认识上，不能仅仅局限于产品外观设计，工业设计师的工作不能以外观设计、渲染出图为结束。在一个完整的产品开发过程中，工业设计师的作用和职责是非常重要的，必须要能够与结构工程师、模具工程师等设计人员进行沟通。这就要求工业设计的学生不仅要掌握产品的形态设计，而且要了解产品的结构、工艺、材料和表面处理技术。倘若设计脱离了生产实际，就会出现设计的产品在现有的工艺下无法实现，或者要花费大量的人力、物力在生产上面，这样的设计是不可取的。

3 计算机辅助工业设计的流程

利用计算机进行工业设计，必须清楚整个设计流程。同传统的工业设计流程有所不同，由于利用计算机的现代设计开发往往是在一个共享的数据库平台上面进行的，使得以往难以实现的并行设计成为可能。不同的设计团队或设计师同时对一个产品的不同内容进行设计，必须遵循一定的原则和标准，以实现并行设计的高效率的特征。这种由于现代设计方法所带来的设计的各个部分和阶段之间的密切关系，要求设计师清楚其所处的位置和工作内容。

CAID服务于产品设计的整个过程，产品设计的流程一般从产品的概念设计、草绘表达、三维建模到二維工程图，工程图用于指导工厂的生产。对于工业设计产品一般外观造型的要求很高，所以还要有外观造型设计阶段。在完成产品设计后，设计师还可以根据产品的特点进行大量的分析和仿真工作，以满足产品强度、运动、生产制造与装配方面的要求。

同时，在产品模型构建完成之后，可对产品进行材质、色彩的选取，进行产品的渲染和动画制作，用于下一阶段的产品市场推广。图1所示为一个典型的计算机辅助工业设计（CAID）的流程。

产品设计阶段要从产品设计的全局出发，着眼于产品设计的各个方面，做好产品设计的规划。通过市场调研、需求分析、可行性论证等，提出完整的产品设计任务书，服务于产品设计的全程。工业设计师在造型设计时必须以此作为形态概念设计的根据。草绘设计阶段由产品设计师手绘出大量的产品造型草图，从中进行对比优化，选出可行的方案。

产品三维建模阶段要进行三维关键线的绘制和三维实体模型的创建。三维关键线的绘制是把概念设计、草绘设计转化到三维实体设计的一个重要步骤，主要用于定义产品的形态轮廓和特征的连接过渡，服务于产品的外观造型设计。三维实体模型的创建阶段，利用前一阶段绘制的三维关键线，配合曲面造型工具，生产关键线所定义的曲面，然后利用曲面编辑工具处理曲面，以达到符合设计意图的设计效果。

在三维实体模型构建完成并经过论证，认为设计可行的前提下，就可以同时进行之后两个方向的工作——工程生产和产品市场推广。工程生产包含以下几项工作内容。

1）工程结构设计。一般情况下，三维实体模型都是从概念设计演化而来，它不可避免地会和工程生产的要求有若干不符，工程结构设计阶段就是要对实体模型进行相应修改。该阶段实质上就是要求概念设计和工程设计两者之间不断磨合，取其交集，得出最适合的方案。

2）工程图纸。在生产实践中往往要把实体模型转化为工程图。工程图是进行生产加工和技术交流的一个重要工具，是用于指导现场加工的重要依据，而且是设计师设计思维表现的技术文件。

3）CAD/CAM。CAD/CAM是使用计算机进行产品设计和制造，并可以利用计算机进行生产設备管理控制和操作的过程。输入零件的工艺路线和工序内容，输出加工路径和控制程序。CAM系统一般具有数据转换和过程自动化的功能，涉及计算机控制和计算机辅助过程设计。

产品市场推广是产品设计流程的后期工作，为设计产品最终进入市场做准备。该阶段一般包含以下几个环节。

1）产品材质、色彩。借助于计算机设计软件，可以对三维实体模型赋予实际生产所用的材质，增加产品的真实感；并可以对其进行色彩方面的构思、计划，通过材质、色彩的不同组合，利用计算机进行精确模拟，模拟结果可以作为材质、色彩选用的参考，和工程生产选用材料时的参考。

2）产品效果图渲染和产品动画制作。当前常用的工业设计软件如Rhino、Alias、SolidWorks等都自带渲染模块，并且和主流的渲染软件之间可以进行数据交换。使用软件的渲染模块或者将三维模型文件导入渲染软件，均可以对三维模型进行丰富、逼真的渲染，从而获取具有很强真实感的产品效果图。和产品渲染类似，也可以使用软件自带的动画模块或者将三维模型导入专业的动画制作软件，完成产品的动画制作。

3）市场推广。设计师或者企业为了提高产品的知名度和销量，而为产品设计一套适合的推广方案，用于有关产品或服务的信息传递给目标消费者，激发和强化其购买动机。对于工业设计而言，设计要用于服务生活，市场推广作为工业设计流程的后期阶段，在设计真正转化为产品的过程中发挥着十分重要的作用。

在以上所述的工业设计流程中，产品从设计阶段的参数模型到生产制造的工程参数之间的数据交换是最关键的步骤。工业设计的产品不能仅停留在纸面阶段或者模型阶段，工业设计师的价值在于将自己的设计理念转化为最终的产品。通过计算机辅助工业设计，使得工业设计的设计阶段和制作阶段高效、准确地衔接，提高了产品设计的效率和准确性。

4 计算机辅助工业设计应用

以SolidWorks软件的参数化设计为例，说明CAID在工业设计中的应用。该软件的参数化特征如下。

三维实体模型 产品设计的起步阶段是将设计者的头脑风暴用草图的形式表现出来，手绘草图对于产品设计的作用毋庸置疑，但是三维实体模型可以更好地推敲所设计产品体、面、线之间的几何关系，以及后续会涉及的部件之间的装配关系。所以说三维实体模型的建立，首先可以将设计师的设计思维以准确、真实的形式在计算机中展示出来，更重要的是用户可以随时对产品的特征结构、受力、装配关系进行分析，从而对产品进行进一步的优化设计。CAID使设计师可以在设计过程的每一个环节审视设计，随时调出设计参数，计算机可以节约大量的分析计算时间。

参数化联动 在SolidWorks中建立三维模型之后，可以通过该三维模型生成工程图，用于产品的制作。SolidWorks

建模采用的是参数化建模的方法，结构特征均是由尺寸驱动的，由三维模型生成的工程图继承了其参数化的特征。生成的工程图在软件内会自动标注尺寸，该尺寸即三维建模阶段使用的驱动尺寸。借助于SolidWorks强大的参数化功能，三维模型和生成的工程图之间是尺寸关联的关系，修改二者中的任一尺寸，另一个就会自动做出相应的修改。这样可以保证设计的准确性，可以让设计师从三维和二维、设计和加工制造等多个角度审视设计、优化设计。

以结构特征作为设计的基础单元 SolidWorks以最接近工程制作的方式从事设计工作，如拉伸、旋转、扫描、混合等基本特征，孔、壳、筋、拔模、倒角等工程特征。工程特征基于基本特征，在基本特征的基础上进行操作，进而形成复杂的模型。使用特征进行模型的构建使得设计更加简单明了，达到事半功倍的效果。在设计师将自己的设计思想植入产品模型的同时，实际的生成制造工艺特征也在模型中得以体现。在设计的中后期，设计师要和工程师不断沟通，甚至对模型结构进行调整，SolidWorks的特征编辑功能在此处表现得尤为突出。

参数式设计 参数式设计体现在CAID的全过程，结合软件强大的数据库，产品设计各个阶段的设计参数都得以完整保存，可随时对其中任一参数进行修改，而其所关联的三维实体模型、工程图、装配关系、模具等都会做出相应改变，使设计真正做到一致性。

5 结论

计算机辅助设计正成为工业产品设计过程中不可或缺的角色，将计算机辅助工业设计作为工业设计系学生的必修内容，是培养学生产品开发能力和工程应用能力的重要环节。根据专业培养计划和培养方案的要求，结合专业特点，整合各个教学环节，把CAID能力的培养融入教学工作的各个环节来具体落实，以保证学生能够真正把计算机辅助设计应用到工业设计的产品开发上来。

参考文献

[1]潘云鹤，孙守迁.计算机辅助工业设计技术发展状况与趋势[J].计算机辅助设计与图形学学报，1999（3）：248-252.

[2]叶修梓，彭维，何利力.从工业界的角度看CAD技术的研究主题和发展方向[J].计算机辅助设计与图形学学报，

2003，15（10）：1194-1199.

[3]李志峰，孙志学.面向需求的工业设计专业创新人才培养模式的构建[J].中国现代教育装备，2006（11）：57-58.