（设计艺术学专业论文）基于PROE的手机数字化设计方法及应用.pdf

摘要 摘要 手机作为个人信息交互的终端，在信息时代已经成为人们常用的产品之一，手机在 功能不断提高和完善的同时在外观造型上以复杂方式自由变化的曲而给设计和制造带 来了挑战。在这种背景下，如何快速总结出一套建立手机数字模型的设计方法和规则， 如何缩短设计周期、提高设计效率和质量，显得尤其重要。 论文对手机的数字化设计方法进行了充分的分析，并采用p r 0 e 作为数字化设计工 具，实现了手机产品由概念设计、原型设计到数字化样机设计的一体化。提出了手机数 字化原型的构建策略，分析了p r o e 环境下白顶向下的设计方法，并通过典型实例阐述 丫在手机数字化设计中的应用。 论文提出了基于数字化原型对手机的三维数字化模型进行评估和分析的思想，采用 软件系统提供的工具对模型的属性进行评估检测。这样不仅可以有效地减少手机实物模 型的制作成本，而且有利十对手机数字化原型进行设计变更，以快速获得新的设计效果， 这无疑是提高设计效率的重要途径之一。 在数字化原型的基础r ，进一步分析了建立手机数字化样机设计的关键要素，对可 加工和可装配设计方法进行了讨论。认为在手机模型从形态塑造到结构的设计过程中， 后期的深化设计，即保证设计的结构装配与零部件加工工艺的可行性也是十分重要的。 论文最后以一款老人用手机的设计为例，给出了其数字化样机的建立方法与步骤， 为手机的数字化设计提供了具有可操性的设计范例。 关键字：数字化样机、自顶向下设计方法、设计变更、设计评估、可加工和可装配设计 江南大学硕士学位论文 a b s h - a c t 1 nt h ed l g i 忸 a g e ，c e up b o n ea st h ep e r s o n a lc u n i c a t i o nt e m m a li st h em o s tp o p u l 甜 p r o d u c ti nc o m m 。nu s e w h e nt h em n c t i o n so fc e up h o n ea r eu p g r a d e da 1 1 db e c o m ep e r f e c t ， m o r ec h a u e n g e sa b o u th o wt om a k em o r cc o m p l i c a t e da n d 丘e ew 8 ys u r f h c ec o m eo u tf r o m t h e 印p e a r a l l c ed e s i g np a r ta n dm em a n u f 沁h 】r ep a r t a l s oh o wt os u i l l m 撕z el h ed e s i g n m e t h o d sa n dr e g 【l l a t i o n sq u i c k l y ? h o wt oc u t _ i l ed e s i g nc y c i e ? h o wt 0p r o m o t et h ed e s i g n e 伍c i e n c ya n dq u a l i t y ? a l lo f t h e s eq u e s l i o n sb e c o m em o r ei m p ) r t a n tn o w t h i sr c s c a r c hf o c u s e so nt h ed i g i t a id e s i g nm e t h o do f t h cc e l lp h o n ew h i c hu s e sp r 驯e a s 血em a i nd i g i t a 】d e s i g nt o o lt oi n t e 孕a l ec o n c e p td e s i g ，p r o t o t y p ed e s ig i 】卸dd i g i i a 】 m o c k - u po fc e l lp h o e i t p u t sf o r w a r dt h ec o n s t r u c t i o ns t m t e g yo fd i g i t a lc e l lp 1 1 0 n e p r 。t o 帅e ，a n a l y s e s 廿1 et o p d o w i ld e s 咖m e t h o di np r ( 托c i r c u r n s t a l l c ea 芏l da tl 鹬ts e t sf o n l l t h et l l e o r yo f c e l lp h o n ed e s i 印埘t 1 1a c t u a lm o d e l s t h er e s e a r c hb d n g sf o n v 盯d st h et 1 1 e o r yw h i c hb a s e do np r o t o t y p cd e s i g nt om a | ( e e v a l u a t i o na n da n a j y s ei nt h ep r e l i m i n a r yt e m lo f c e l ip h o n ed e s i g n f o i l o 、订n gt 1 1 et h e or ) w e w j l in o to l l l yr c d u c et h ec o s to fm o d e l sb u tm o r ee m c i e n n ym o d i f ym ed i g i i a lm o d e l st og e t a nu p 鲫d ed e s i g na t 叩yt i m ew ew a n t i tm u s tb eo n eo f t h em o s ti m p o r t a n tw a y sc op r o m o t e m ed e s l 印e f f i c i e n c y o nt h eb a s e m e n to fd i g i t a lp r o t o t y p e ，t h er e s e a r c ha n a l y z e sm ek e yp o i n t so f c e up h o n e d i g i t a lm o d e l sc o n s t m c t j o na n da r g u e st h ep r o b a b l ew a y so fm a c h j 面n ga n da s s e m b l y t h e r e s e a r c hs u g g e s t sm a tt h ef l n a ld e t a i l e dd e s i g ni sa l s ov e r yi m p o r t a n t ，w h i c hi n s i l r e st l l ep a n s a s s e m b l ya 1 1 d t e c h i l i c a lp r o c e s s e s d u r i l l g t h e d e s i g n p r o c e s s o f f o n l l a n ds 廿u c n 】r e t h er c s to f t i l ep a p e rs e t sa t le x 锄p i eo f t h ec e 儿p h o n e f o f t l l eo l d 谢m t b e m e 恤d 蛐d p r o c e s so fd i 西t a lm o c k u p ，w h i c hc a np r o b a b i yp r 0 v i d ea ne x a t n p l ef o rt h cd i g i t a ld e s i 伊o f c e l ld h o n e k e yw o r d ：d i g i t a lm o c k u p ，t o p - d o w nd e s i 驴m e t h o d ，m em o d 竹o f d e s 噜n ，d e s i g na n a l y s e ， t h ep r o b a b l ew a y so f m a c l l i n i n ga n da s s e m b l yf o rd e s i 印、 u 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：垒日期：m ，年j 月形日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：导师签名：纽i j 日期：硼年j 月酊日 第一章引言 1 1 课题研究的背景 第一章引言 在信息高度发展的今天，手机作为通讯终端已经占据了越来越重要的地位，人们对 手机产品的要求已不仅仅满足于基本功能的完备，同时更注重外观的美感。所以手机产 品在不断提高和完善其功能的同时，在外观造型上要求越来越高，多以复杂方式自由变 化的曲线曲面即所谓自由型曲线曲面组成。而这一类形状单纯用传统的二维工程图是不 能正确和完整表达的，这就给手机产品的设计和设计意图的表达提出了更高的要求。 从图卜l 可以看出国外著名的手机生产厂家都非常重视产品的外观设计。可以认 为，除了手机功能之外，在外观设计中产品的竞争核心之一就在于曲面造型独具匠心的 变化。所以，要快速高质地完成一个手机产品的造型设计，在形态创意的基础上，采用 数字化设计技术进行的曲面创建是非常必要的。 图卜1 手机外观设计分析 另一方面，计算机技术和计算机图形学的不断发展为人们提供了强有力的数字化设 计工具，三维c a d c a m c a e 集成化软件1 1 和数字化技术被广泛应用于设计和制造业。而 手机产品的数字化三维造型是整个产品设计过程中的重要环节，充分利用现代先进的 c a d 技术，不但可以有利于设计者快速表达其设计构思、提高造型效率和精度、改善视 曹红国产品牌手机市场分析与发展战略研究突破口：c d m a d 北京：北京理工大学，2 0 0 2 1 _ - - 盟塑些鲨塑 觉效果，而且为后续的分析、模具设计、n c 加工等奠定了基础。 在这种情况下，研究在手机研发中的数字化设计方法，使手机产品的工业设计与计 算机软件硬件技术的发展相适应是非常必要的。 1 2 课题研究的主要内容 本课题主要研究手机数字化设计方法和应用，主要包括从手机概念设计、手机原型 的建立和评估、面向制造和装配的到数字化样机设计等内容。 ( 1 ) 手机数字化样机的构建策略 以p r o e 为工具采用自项向下设计方法构建手机的数字化原型和样机。研究自顶向 下的设计方法在三维数字化模型设计中的应用、主要内容为参数的定义方法、设计意图 的体现形式和参数的控制策略以及产品基本结构的定义等。 ( 2 ) 基于数字化样机的评估方法 研究如何在p r o e 环境对手机的数字化原型进行评估检测，包括手机外观尺寸的约 束分析、外型面质量评测以及运动干涉分析等。 ( 3 ) 手机数字化样机的设计变更 研究在手机三维数字化模型的基础上，如何对原有设计进行快速修改，并防止在参 数更改后重新生成的三维模型出现异常等。 ( 4 ) 面向加工和装配的手机数字化样机的设计 研究在手机数字化样机的设计过程中，工业设计师如何考虑在满足形式和功能要求 的前提下，进行形状的可加工设计和结构的可装配设计方法和关键技术，以满足工艺的 可行性要求。 1 3 课题研究的意义及创新点 1 3 1 课题研究的创新点 ( 1 ) 理论层面上：针对手机数字化设计过程进行深入研究，提出了符合手机设计的数字 化原型构建的思维过程和在计算机支持下的设计过程所遵循的基本原则。 第一章引言 ( 2 ) 实践层面上：利用典型的数字化设计工具，提出基于自顶向下的设计思想，并具有 可操作性的手机数字化原型构建、设计评估、设计变更、面向加工和装配的设计方 法和规范流程。 1 3 2 课题研究的意义 在企业中，从事手机研发的设计人员在数字化设计时主要靠实践经验，很少能将经 验转化为一套行之有效的设计理论和设计方法。这就造成了每一个初学者和经验不足者 不能很快在一套理论指导下快速的掌握手机数字化设计。所以本课题研究着重对创新设 计技术的研究，研究一种手机数字化设计的思维过程和在计算机支持下的设计过程所遵 循的原则和规范，通过探讨各类创新技法，深入研究创新设计的原理、方法和技术。 同时将数字化设计技术与工具引入手机产品的设计，采用p r o e 作为数字化设计工 具，实现了由概念设计、原型设计到数字化样机设计的系统一体化。这对从事c a i d 设 计的设计师具有实践性、理论性很强的指导意义。 最后本课题研究内容也是其他数码产品数字化设计的延伸：由于手机是一种比较复 杂的数码产品，从结构上来讲，手机基本上具有了数码产品的关键要素，所以手机数字 化设计的研究结果可以为其他数码产品的数字化设计借鉴。 ( 1 ) 手机数字化模型的建立的意义 手机数字化模型根据三维c a d 造型的原理，应用软件中的造型方法。在进行产品 造型时，总结出造型方法的特点、相关参数及应用技巧，以此减少造型时的盲目性，能 快捷有效地获得满意结果。并且通过贯彻和应用自顶向下设计方法有以下几个优点：首 先减少了重复设计的工作量，缩短了设计开发周期，提高了设计质量，使产品进入市场 的时间得到了提前。并且可以有效管理装配组织复杂设计，最后总体的设计意图和方案， 可以得到有效的贯彻并保证一致性。 ( 2 ) 手机数字化模型设计分析的意义 手机的数字化分析对设计有一定的指导作用，这是因为在我们从事手机数字模型设 计中，能从数字模型中提取重要的分析信息是非常重要的，这样才能确保设计的正确性。 ( 3 ) 手机数字化模型设计变更的意义 手机数字化设计变更能够实现从产品到模具整个设计过程中信息的传递、继承和变 更；这种创新性的设计思想和方法不仅支持团队问的并行设计和相关设计，而且为有一 定设计经验的技术人员提供了基于参数化技术的自顶向下设计方法，它可以作为产品的 整体结构功能，以参考复制和设计变更的方式生成各子装配和零部件的细节设计，它们 ( 4 ) 手机数字化模型设计加工深化研究的意义 设计深化过程是对前期的概念设计进行形态和结构细化、统筹考虑的过程。在这个 阶段，工业设计师要利用材料、结构、工艺等的相关知识对概念设计进行拓展和优化， 在三维模型中体现出合理的造型及结构。 第二章手机数字化设计概述 第二章手机数字化设计概述 手机设计主要包括市场凋研、功能分析、外观设计、软件设计、硬件设计和机械结 构设计等部分，其中外观造型是设计的竞争核心部分之一。这就需要在数字化模型建立 过程中采用新的创新方法来满足手机外观设计的要求。本章通过对手机市场的研究，以 及对数字化内容以及关键技术的研究，提出了一套简洁有效的针对手机产品数字化模型 的构建流程。 2 1 国内手机市场现状概述 目前，外观的时尚化、个性化越来越成为通信终端产品制胜的法宝，在手机产品中 尤其如此。除了厂家自行设计以外，中围大陆与手机设计相关的公司主要有两类：一足 提供手机整体设计方案；二是提供外观设计。前一类有1 0 多家公司，其主要业务是根 据厂家的意图提供整体设计方案。男一类有近百家，其主要业务是专门从事外观设计。 除本土公司之外，活跃在中目大陆市场上的还有一些韩国和台湾的设计公司。随着市场 的成熟，专业分1 = _ 将曰益细化，手机设计公司的地位将越来越显著。1 1 9 7 9 年，a m p s ( 高级移动电话业务系统) 网络在美国芝加哥开通运营，宣告了世界上第个实用蜂窝 系统建立，人类进入了第一代移动通信技术时代。从第代模拟制式移动电话( 1 g ) 到如今人们使用的第二代o s m 、t d m a 数字移动电话( 2 g ) ，其发展只不过二十几年； 而今，它正大踏步的迈向下一个发展阶段第三代数字通信( 3 g ) 。 【3 虽然我国手机市场起步较晚，但发展速度却是惊人的。手机用户从1 9 9 1 年的4 7 5 万至2 0 0 2 年己突破2 0 ，0 0 0 万，这样的速度引起了全t 日= 界的广泛关注。国产手机厂商 从1 9 9 7 年进入市场到现在不过7 年的光景，2 0 0 3 年上半年国产手机销量已超过8 0 0 0 力台，市场占有率从原先的零到如今的“半壁江山”，显示出了围产手机的巨大发展潜力， 一批有实力的国内厂商依然在蓬勃发展。代表着3 g 标准的t d s c d m a 是由中国独自 制订的3 g 标准。 2 2 手机工业设计流程以及建立手机数字化三维模型的必要性 2 21 手机工业设计流程 哪侯斌中国手机市场研究 d 北京：北京理工大学2 0 0 0 p 】中国科学院生物学部专题咨询组，陈可冀老龄化巾国：问题与对策 啪北京中国协和医科大学出版社2 。0 2 5 江南大学硕+ 学位论文 罔：2 1 工业世计流程图 ( 1 ) 前期调研 前期市场调研的主要任务是市场分析，资料收集和研究等。通过对手机竞争品牌的 调研分析发现主要需要解决的问题，分析实例如图手机竞争品牌的调研分析所示：分析 的目的是了解其他公司生产的产品情况，以及所在行业的状况，从而找到所需解决的问 题。在此基础上，着手竞争性分析，即分析其它同类的竞争产品的特点，从而拟定策略， 研究探讨所要使用的技术，开发平台和媒介，最后得出结果。 n o k 限 m o t o s u m g s u n g 弦 。且雕 。肇一d 著一t j f ? ：“ ：磊 。si ，& ：t l r。 。 。o 一i ：者 “ 1 # j 。 - j z ， 图2 _ 2 竞争品牌调研分析 ( 2 ) 创意 设计公司将前阶段调查所得的信息资料进行分析总结，提出具有创新性的解决方 案。提出概念和创意设想，进行工作者环境，效率以及使用界面方面的调查，从而进一 步完善改进创意，同时选定材料，确定生产工艺和技术构成。如图2 3 我完成的双模 手机的设计的创意方案。 6 第二章手机数字化设计概述 图2 3 手机创意方案 ( 3 ) 定义 设计公司对其创意的可行性加以论证，并通过优化，协调该产品在外观、颜色、细 节、特性以及功能等方面的复杂关系，从而使该创意更具可操作性。运用三维辅助设计 完成具体的设计工作，制作出样品，用户使用检验。如图2 4 已完成的一款老人手机经 过创意的论证，最后运用了三维数字化设计，制作出了样机。 图2 _ 4 手机样机 ( 4 ) 实施 在产品设计方案已确定的条件下，讨论并制定出详细的生产计划书，提交最终的设 计样本，主要包括确定生产中所需的规格和技术、测算材料和制造成本、制定生产方案 和进行用户使用检测结果等。 2 2 2 建立手机数字化模型的必要性 采用二维c a d 软件进行手机设计，仅仅是甩掉了绘图板，所生成的图形也只是二维 图形信息，而不能直观地得到三维实体产品模型，也不能很好的进行产品的结构设计、 强度设计、外形设计以及优化设计。所以在手机设计中，如何应用好三维c a d 软件，如 何处理好二维与三维的关系，不仅仅关系到设计方式的表达，还将决定企业产品开发模 式。 h j 在手机设计过程中，设计经验、设计资料、标准体系、设计规范都将直接关系到 企业产品的系列化和可持续发展。显然，变形设计( 参数化、尺寸驱动) ，、产品模型的 建立和产品综合信息的管理模式的实现，也都必须建立在三维实体造型基础之上。 因此，从设计和管理两方面分析考虑，企业应通过对手机产品设计手段与设计过程 f 4 】 美 乔恩亨德里克斯，戴维斯- 亨德里克斯著，程越等译金色晚年老龄问题面面观 m 上海：上海译文出 版社，1 9 9 2 7 江南大学硕士学位论文 的数字化和智能化来缩短产品开发周期，促进产品的数字化提高企业台勺产品创新能力。 基于这种思想，一种全新的设计模式和开发体系也应运而生，即在企业数字化设计平台 支持下的产品数字化样机设计。，其实质是将二维图纸表达的构思演变成基于三维实体 模型的虚拟产品( 虚拟样机) 。 2 3 手机数字化设计相关术语的定义 数字化工业设计：以计算机硬件、软件、信息存贮、通讯协议、周边设备和互联网 等为技术手段，以信息科学为理论基础，包括信息离散化表述、扫描、处理、存储、传 递、传感、执行、物化、支持、集成和联网等领域的科学技术集合。 作者认为数字化工业设计实质是在数字化技术和工业设计相结合后形成的系统支 持下，进行工业设计领域内的各类创造性活动。与传统的工业设计相比，数字化工业设 计在设计方法、发计过程、设计质量和效率等各方而都发生了质的变化，数字化工业设 计将主要包括数字化建模、数字化装配、数字化评价、数字化制造以及数字化信息交换 等几方面。 数字化样机：( d i 豇t a lm o u k u p ) ：1 5 l 产品数字化样机即产品虚拟样机，是基于三 维c a d 的产物。虚拟样机技术是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，是各领域c a x d f x 技术的发展和延伸。虚拟样机技术进一步融合先进建模仿真技术、现代信息技术、先 进设计制造技术和现代管理技术，将这些技术应用于复杂产品全生命周期、全系统，并 对它们进行综合管理。 数字化原型：( d i g i t a lp r o t o t y p e ) ：用三维数字化模型定义的产品原型，是概念 模型的一种数字化表达形式。主要有只表现外观( 实心) 和外观和结构兼顾两种方式， 本文所指的手机数字化原型主要指前一种。在有些企业中往往将数字化手机原型称为数 字化手板，两种类型均用“d i g i t a lm o u k u p ”表示，这实际上混淆了数字化原型和样 机的概念。 2 4 数字化设计的关键技术 嘲数字化技术主要包括数字化建模、数字化装配、数字化评价、数字化制造咀及数 字化信息交换等方面内容。数字化建模是由编程者预先设置些几何图形模块，然后设 计者在造型建模时可以直接使用，通过改变一个几何图形的相关尺寸参数可以产生其它 几何图形，任设计者发挥创造力。 数字化装配是在所有零件建模完成后，可以在设计平台上实现预装配，可以获得有 关可靠性、可维护性、技术指标、工艺性等方面的反馈信息，便于及时修改。数字化评 价是该系统中袋中体现工业设计特征的部分，它将各种美学原则、风格特征、人机关系 1 5 1 魏玲，牡样岭手机的电磁辐射与人体安全问题的研究 j 辽宁工学院学报，2 0 。3 2 3 ( l ) ：4 0 4 1 【6 l 常风海t o p d o 帅设计技术在铁路费牟产品开发中的应用c a d ，c 脯与制造业信息化 8 翌三里王：! ! 塑兰些丝生堡堕 等语义性的东西通过数学建模进行量化，使工业设计的知识体系对设计过程的指导真正 具有可操作性。 比如生成的渲染效果图或实体模型，可以进行机构仿真、外型、色彩、材质、工艺 等方面的分析评价，更直观且经济实用。数字化制造是在数字化工厂中完成，它能自动 生成自动识别加工特征、工艺计划、自动生成n c 刀具轨迹，并能定义、预测、测量、 分析制造公差等。数字化信息交换是基于网络，使该设计平台能够实现与其它平台的信 息资源共享的一门技术。 2 5 数字化技术的发展状况及在手机设计中主流造型技术 计算机辅助造型技术经过2 0 多年的探索，己发展到特征造型和参数化、变量化设 计阶段，为实体模型向产品模型的转化铺平了道路。同时，c i m s 、并行工程、虚拟制造 等设计制造模式的发展，使得产品模型必须实现全生命周期中的信息共享、各种模型数 据的转换和网络传输等问题这些都对计算机辅助造型技术提出了更高的要求。 目前流行的c a i d 技术基础理论主要是以p m e 为代表的参数化造型理论和以 s d r c i d e a s 为代表的变量化造型理论两大流派，它们都属于基于约束的实体造型技 术。只有这两种理论是在近1 0 年产生并且赢得了广泛的认同的。在这两种理论之前， 基本上都是以表面及线框造型技术为代表的无约束自由造型技术。 而特征建模被誉为c a d c a m 发展的里程碑，它的出现和发展为解决 c a d c a m c a p p 集成提供了新的理论基础与方法。特征是一种综合概念，它作为协同 设计产品开发过程中各种信息的载体，除了包含零件的几何拓扑信息外，还包含了设计 制造等过程所需要的一些非几何信息，如材料尺寸、形位公差信息，热处理及表面粗糙 度信息和道具信息等。因此，特征不但包含了产品形状信息，还包含了丰富工程予以信 息。 特征建模是为了弥补传统的体素造型方法的不足而提出的。特征造型技术的研究主 要是在实体建模的基础上展开的。这种面向设计过程、制造过程的特征模型方法，克服 了几何模型的缺陷。因此，特征模型被公认为是几何模型发展的下一代，是集成制造和 智能制造一种理想的产品模型，是协同设计关键技术之一。 而在手机数字化模型主要应用前者：以p r o e 为代表的参数化造型理论，这是因为 在三维c a d 系统中，用参数化约束所设计零、部件的尺寸关系；进而使得所设计的产品 更易变更和修改，管理起来也较二维设计方便可行。在装配设计中除了在定义零部件之 间的关系时需要采用参数化、变量化设计以外，为了更好地表述设计者的构想意图，也 需要参数化和变量化技术来建立装配体中各个零部件之间的特征形状和尺寸之间的关 系，使得当其中某个零部件的形状和尺寸发生变化时，其他相关零部件的结构与尺寸也 随之改变。 江南大学硕士学位论文 26 1 手机数字化样机的特点 ”1 产品数字化样机即产品虚拟样机，是基于三维c a d 的产物。与二维c a d 相比，三 维开发设计模式具有无与比拟的优势。首先三维c a d 可视化程度高、形象直观、设计效 率高，能为企业数字化提供完整的设计、工艺和制造信息。三维c a d 可以更加准确的表 达技术人员的设计意图，使设计过程更加符合设计习惯和思维方式，从而使技术人员更 加专注于产品设计本身，而不是产品的图形表现。 三维c a d 系统具有高级造型曲面造型工具，能够构造各种复杂的产品形状。可以实 现产品的装配设计，进行干涉检查、运动仿真。进行产品结构分析和各种物理特性计算。 产品的三维模型可以直接的通过投影自动生成二维工程图。各视图之间完全相关，当三 维模型进行修改时，二维工程图可以自动完成更新；同时，设计结果也可以为后续设计 模块，如工程分析、数控加工等应用，实现c a d c a e c a p p c a m 的集成。最后携带产品 综合信息。 2 6 2 手机数字化样机包含的内容 三维c d 是产品样机的基石，但产品样机绝不仅仅是计算机内部所有零部件的装配 组合，一个完整的手机数字化样机应该包含如下几个内容： l 所有零部件的三维c a d 模型及各级装配体。三维模型应尽可能实现参数化驱动、 方便变形设计和部件的模块化。 2 与三维c a d 模型相关联的二维工程图。 3 三维装配体适合运动结构分析、有限元分析、优化设计分析。 4 形成基于三维c a d 的p d m 结构体系。 5 从虚拟样机制作过程中摸索出定制产品的开发模式及所遵循的规律。 6 虚拟样机的制作过程就是基于三维c a d 的产品开发体系建立的过程。 7 三维整机的检测与试验。 2 7 三维c 加软件在手机设计中应用分析 当前，世界上大型的g a d c a m c a f 软件系统，如p r o e n g i n e e r 、e d su n i g r a p h l c s 、 e u c l i d 、舳t o d e s k 、s 。l i 删o r k s 等都提供了有关产品早期设计的系统模块，它们称之 为工业设计模块、概念设计模块或草图设计模块。而美、法等国的c a d 技术一直走在 【7 刘文剑，金天国产品自顶向下设计的研究现状厦发展方向计算机臭成制造系统一c i m s ， j 0 0 6 - 5 9 1 l ( 2 0 0 2 ) o i c 0 0 卜0 7 ， 1 0 第二章手机数字化设计概述 世界的前沿，它们拥有许多世界闻名的c a d c a m 系统，这些系统均具备十分强大的 功能。 2 71 三维中端数字化软件分析 三维中端软件主要包括s 0 1 i d w o r k s 、s o l i d e d g e 和m d t 等软件：s o mf d g e 采用 p a r a s o l i d 造型内核，零件设计应用全参数化及基于特征造型的技术，提供了如扫描、提 拉、筋扳、螺旋、切割、薄壁等功能，钣余设计可自动折弯工艺孔、自动展开和 目折。 但是由于是中端软件，其局限性还是比较大，目前在国内多应用于火车的车内装饰设计。 2 7 2 三维高端数字化软件分析 ( 1 ) 美国p t c 公司的p r 0 e n 画n e e r ： ”1 以其参数化、基于特征、全相关等新概念闻名于c a d 界，其软件包含一个工业 设计模块p r o 邝e s i g n ，用于支持自上而下的投影设计，以及在复杂产品的设计中所 包含的许多复杂任务的自动设计此模块 _ 具包括产品设计的二绵非参数化装配布局编 辑器，用于概念分析的二维参数模型的布局以及用于组件的j 维布局编辑器。其曲面造 型集中在p m ，s u 褂a c e 模块。其曲面的牛成、编辑能力覆盖了曲面造型中的主要问题， 主要用于构造表面模型，实体模型，并且可以在实体上生成任意凹下或凸起物等。尤其 是可以将特殊的曲面造型实例作为一种特征加入特征库中。根据其灵活性和可修改性， 目在在国内土要应用于数码电子产品。 ( 2 ) 美国s d r c 公司的i d e a s 软件： 采用v g x ( 超变量化1 技术，用户_ j 以直观、实时地进行三维产品的发训和修改。 v g x 有如下好处：不必像参数化造型系统那样要求模型“伞约束”，在伞约束及非全约 束的情况下均可顺利地完成造型；模型修改不必拘泥于造型历史树，修改可基于造型历 史树，亦可超越造型历史树：可直接编辑任意3 d 实体特征，所有操作均为“一拖一放” 方式，操作简便。目前在围内，尤其是南方开始使用变量化设计软件设计j “品。 ( 3 ) 美国u n i 窖r a p h i c ss o l u t l o n s 公司的u g 和i d c a s ： 源于航空业、汽车业，以p a r a s o i i d 几何造型核心为基础，采用基于约束的特征建 模和传统的几何建模为一体的复合建模技术。其曲面功能包含于f r e e f o r mm o d e l i n g 模块之中，采用了n 1 爪b s 、b 样条、b c z i e r 数学基础，同时保留解析几何实体造型方 法，造型能力较强。总体r ，u g 的实体化曲面处理能力是其主要特征和优势。但在国 内目前应用还是主要在结构手板上。 ( 4 ) 美国】b m 公司的c a n a 忙a d a m ： 是一个广泛的c a d c a m c a e ，p d m 应用系统。该系统有关曲面的模块包括：曲面 设计、高级曲面设计、自由外形设计、整体外形修形、创成式外形修形、白车身设计等。 8 1 田蕴，张慧基于t o 口一d o 帆数宁化装配模式的产品设计机械设计与制造1 0 0l 一3 9 0 7 ( 2 。0 5 0 4 一0 0 6 0 0 2 1 i 一 坚查丕堂堡兰竺些丝苎 c a t i a 外形设计和风格设计解决方案对设计零件提供了广泛的集成化工具。该系统具 有很强的曲面造型功能。但其可修改性比p r o e 比较差，所以目前在国内推广的范围不 是很广。 ( 5 ) 中国广州红地公司开发的“金银花但o n i c e r a ) ”： 具有强大的高级曲面设计模块，提供灵活多样的曲线、曲面构造功能，与实体建模 实现无缝连接。设计者利用m d a 9 9 所提供的曲面工具，可随心所欲地构造任意复杂的 过渡曲面、自由曲面等；曲面编辑、修改、驱动非常方便。 2 8 手机产品数字化样机的构建过程 利用计算机进行手机数字化样机的构建，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甲台上进行 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进行一个产 品的不同内容的设计，他们必须遵守一定的原则和标准，以实现并行设计的高效率特征。 在手机数字化模型初期，应以三维c a d ( 例如c a t i a 、p r o e 等) 为设计平台，建立 典型产品的全参数化三维实体模型，进行干涉和碰撞检查、装配规划等。包括由三维模 型转化建立完全关联的二维工程图；建立描述产品的物理数据，如基本属性、明细表信 息等，为p d m 管理提供基础数据。 ( 1 ) 定义设计意图 手机产品设计都有一个设计意图f 或创意) ，不管它是创新设计还是改良设计。总 设计师最初的想法、草图、训划、规格及说明都可以用来构成产品的设计意图。它可以 帮助每个设计者更好地理解产品的规划和零件的细节设计。通过它可以确定子装配的数 量和单个零件设计所需要的产品顶层基本骨架。 目前，表达设计意图的先进方法之一是基于二维点阵矢量技术的概念表现方法。 传统的概念设计过程是设计师以手绘草图的方式进行创意，方案确定之后，在应用c a d 系统将其转换为计算机模型，以便进一步的设计分析和效果渲染。随着计算机在设计领 域的深入，利用计算机的概念设计方式得到了许多软件研发机构的重视，众多的相关产 品也得到了设计师的肯定和应用。 ( 2 ) 通过顶层骨架模型定义初步的产品结构 首先，骨架模型作为产品装配的三维空间规划，可阻被用来描述元件的空间需求、 重要的安装位置或运动，也可用来在予系统之间共享设计信息，并作为这些子系统之间 一种参考控制手段。 其次，产品结构包含了一系列的零件以及它们所继承的设计意图。产品结构可以这 样构成：下级的子装配和零件都可以只包含一些从项层继承的基准和骨架或者复制的几 何参考，而不包括任何本身的几何形状或具体的零件；也可以把子装配和零件在没有任 何装配约束的情况下加入装配之中。这样做的好处是，这些子装配和零件在设计的初期 是不确定也不具体的，但是仍然可以在产品规划设计时把它们加入装配中，从而可以为 蔓= 垦! ! ! 鏊兰些堡生壁堕 并行设计做准备。 ( 3 ) 数字化模型的详细设计 在定义了包括骨架模型在内的产品基本结构和清晰的产品框架之基础上，围绕设训 意图和基本框架展丌零件和子装配的详细设计。当代表顶层装配的骨架确定，设计基 准传递下去之后，可以进行单个的零件设计。这里，可以采用两种方法进行零件的详细 设计：一种方法是基于已存在的顶层基准，设计好零件再进行装配；另一种方法是在装 配关系中建立零件模型。 ( 4 ) 数字化原型的装配 数字化装配技术是建立在三维数字化产品建模的基础上，在计算机上完成产品零部 件的实体造型，进行计算机装配、t 涉分析等多次协调过程，并通过统一的产品数据管 理，实现产品数字化过程与产品零部件制造、装配过程高度统一。 通过产品的数字化装配，在计算机屏幕上装配零部件，查看和分析零件的配合情况， 这样i j _ 减少对物理样机的依赖，节约大量小件开发的费用。同时，在早期产品开发过程 中进行十涉检查等工作，可方便快捷地修正错误，将错误消除在设计阶段。设计阶段修 正错误的花费远低于后期装配时修正的费用是显而易见的。 2 9 小结 在手机产品设计中运用数字化技术的设计模式具有许多优点：其一，可以实到信息 共享。总体设计中的骨架线相关数据是定位各零部什和确定土要形状的依据，这样1 i 仅 可以在产品设计初期就把各组成部分之间重要的尺寸和位置约束体现出来，而且还可以 预先设定功能运动行为的约束，从而使整个产品的功能得到了很好的保证。 其一二，给后续产品的开发带来方便。在开发系列新产品时，可以方便地改变某一零 件的具体的形状，而不会影响到整个产品装配的实现。也可以改变自顶向下的设计模式 中的顶层基本骨架来改变整个产品的运动行为方式或调整各零部件的位置关系。 采用规范设计方法，保存有价值的资料，可以使研发部门的设计开发进入良性循环。 在保证了设计结果的准确性基础上，同时电有效地缩短了设计周期。这种设计方法对于 规模越大、产品结构越复杂的企业效果越明显。 拄甫大学砜士学位论文 第三章自顶向下设计在手机样机设计中的应用研究 本章主要描述基于p r o 厄n g i n b e r 的白顶向下设计方法的研究及在手机设计中的 具体应用。通过应用自顶向下方法进行手机的设计开发可以缩短产品的开发周期，并将 设计人员的经验知识以文档和规范的形式相对同定下来。项目负责人也能及时监控项目 的实施情况，协调各系统间的关系，有效的解决和处理部件的干涉或间隙，并最终形成 一个完整的手机装配结构。 3 ，1 概述 早期的t o p d 0 w n 设计系统( 交互式设计系统w a y t ) 是由t o p d o w n 的早期研究 人员、芬兰赫尔辛基大学的m a n t y l a 提出，并于1 9 9 0 年在i b m 研发中心研制的一套原 型系统。主要由功能设计、几何结构选择和约束求解三部分组成。 1 9 9 3 年，j i n k a n gg u i 等在w a y t 基础t 开了一套原型基于功能理解的设计 系统d e l t a 。该系统改进了产品模型的表达方法，增强了产品功能模型的建模方法，将 装配模型分为功能视图和结构视图两部分。同时增加了专家系统推理功能。 英国、芬兰、日本和美围等多所大学合作丌发了将功能与特征集成的产品建模系统 g n o s i s ，这时1 9 9 6 年研制的智能制造系统( i m s ) 的一部分，由功能设计系统s y s f u n d 和 子结构设计系统m c o e s 两部分构成。 美国国家标准与技术委员会( n i s t ) 组织，由s rg o r t i 等人提出了一种基于面 向对象表达的t o pd o w n 设计系统c o n g e n 。1 9 9 8 年实现了一个原型系统，主要实现产品 的概念设计，并对产品的功能、结构、行为进行统一建模。 例美国p j c 公司提出了一种更为实用的p r o t o p d o w n 设计系统。该系统先通过 1 a y o u t 模块存二维环境下定义产品的装配约束，并将这些约束传递到产品三维装配设 计及后续分析。 表3 1t o p d o w n 设计系统研究现状 荐系统名称装配模型推理方法系统特点研究人员 jw a y t 关系模型 手工交互式 最早原形系统 m a n t v l a 2d c l t a 层次模型专家系统侧重功能理解 j i n k a n gg u i 3g n o s i s 层次模型 专家系统 抽象结构表达 m c r v i r a n t a 4c 0 g 刚 面向对象模犁专家系统侧重产品建模 s r g o r t i 5 p r o t o d d o 咻层次模型手工交互式侧重基准约束 p l c 【9 l 齐从谦，崔琼瑶基于参数化技术的c de 新设计方法研究1 0 q 4 一1 3 2 ( 2 0 0 3 ) 0 8 怕8 1 0 3 1 4 第三章自顶向下设计在手机样机设计中的应用研究 3 2 自顶向下设计方法分析 3 2 1 自顶向下设计方法意义 九十年代初使用三维设计以来一直采取先设计零件后装配总成的设计方法，各系统 能完成自己的装配。但各系统间总成借用困难零件间的更改也可能造成更改的重复劳 动，且易导致系统间的干涉等现象。设计者不能很好地发布设计意图，也不能动态监控 和修改布局设计，不能形成一个完整的手机样本。最终导致由过去的积极参与造型设计 退化到只下发纸质设计任务书及总成布置简图，使项目负责人难以检测项目完成情况。 由于经验传递体系没有很好建立，有经验的设计人员没有将自己的设计方法和设计经验 固化下来，当出现人员流动时，后续人员又得从头开始摸索。 t o p d o w nd e s i g n 是一个产品开发过程，通过该过程确保设计由原始的概念开始逐 渐地发展成熟为具有完整零部件造型的最终产品，把关键信息放在一个中心位置，在设 计过程中通过捕捉中心位置的信息，传递到较低级别的产品结构中。如果改变这些信息， 将自动更新整个系统。 3 2 2 白顶向下设计方法的局限性 ( 1 ) 装配模型是实现产品t o p d o w n 设计的关键。目前，缺少一个支持产品t o p d o w n 设计，即支持概念设计、参数化设计再到详细设计的装配模型。 ( 2 ) 从概念设计阶段的功能模型到参数化设计阶段的结构模型的转化，是t o pd o w n 设计的最初演化阶段，目前缺少一个实现这种演化的有效方法，即缺少实现产品功能到 结构的映射推理方法。 ( 3 ) 参数化结构模型转化成详细装配模型，是t o p d o w n 设计的第二个演化阶段。 在这个阶段，需要对工件尺寸、装配位置进行调整，以获得最终的理想结构，而目前缺 少一个在对零件尺寸、位置进行调整时，保持装配模型中的工程约束和尺寸约束的有效 方法 ( 4 ) 为验证是否存在装配干涉问题。需要高效、快速的装配顺序规划方法，而当前 的装配顺序规划方法都很难达到这一要求 f 5 1 缺乏一个将c a d ，c a p p ，c a m 有效地集成起来，进行并行设计的系统框架。 3 2 3 自顶向下设计的原则及方法特点 ( 1 ) 自顶向下设计的原则 首先，应在产品设计的中心层面上集中地建立重要的设计信息，拓展设计师的思维 面，便于产品结构的优化。其次，把部件当成产品系统