（机械工程专业论文）卧式加工中心防护装置的设计.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 虽然数控机床的性能主要取决于其内部结构，但外观造型也不容忽视。产品外观造 型不仅体现了企业外观造型设计上的特点，也提高了企业产品的竞争力。新颖的造型设 计有利于体现产品功能的合理性、技术的先进性、操作宜人性，从而大幅提升产品的附 加值，增强产品的竞争力。产品外观设计的统一性，也体现了企业的形象。 针对大连机床集团h d r 6 3 卧式加工中心整体防护的要求，对防护装置的设计，设 计与加工和装配之间的问题进行研究，提出应对措施。以现代工业设计方法为理论基础， 应用人机工程学，形态设计、色彩设计、安全设计和绿色设计等技术完成了卧式加工中 心防护装置的设计。通过现场的试制，修改和装配，加工中心防护装置得到了预期的效 果。 关键词：加工中心；外观造型；防护装置；p r 0 e 辅助设计 卧式加工中心机床防护装置的设计 p r o t e c t i v ed e v i c e sd e s i g no f h o r i z o n t a lm a c h i n i n gc e n t e r a b s t r a c t t h ep e r f o r m a n c eo fn cm a c h i n et o o l sd e t e r m i n e db yi t si n t e m a ls t r u c t u r e ，b u tt h ee x t e r i o r d e s i g nd o e sn o ta l l o wt ob ei g n o r e d e x t e r i o ro ft h ep r o d u c tc a ni n c a r n a t et h ec h a r a c t e r i s t i c s o fe x t e r i o rd e s i g no fe m e r p r i s e ，a n dc a l li n c r e a s e st h ec o m p e t i t i v e n e s so ft h ep r o d u c t s n o v e l e x t e r i o ra d v a n t a g et or e f l e c tt h ef u n e t i o r t , t e c h n i c a l ，a d v a n t a g e sa n do p e r a t i o n a la g r e e a b l e n e s s o f p r o d u c t s ，t h u sg r e a t l yi m p r o v e a d d i t i o n a lv a l u eo f p r o d u c t s a n d e n h a n c e si t s c o m p e t i t i v e n e s s t h eu n i t yo fe x t e r i o rd e s i g no fp r o d u c t sc a ne f f e c tt h ei m p r e s s i o no f e n t e r p r i s ea tt h es a m et i m e a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fu n i t a r yc o v e rf o rh o r i z o n t a lm a c h i n i n gc e n t e rh d r 6 3o f t h ed a l i a nm a c h i n et o o lg r o u p ，r e s e a r c h e dt h ep r o t e c t i v ed e v i c ed e s i g na n dt h ep r o b l e m s w h i c hb e t w e e ne x t e r i o r d e s i g na n d i t sp r o c e s s i n ga n da s s e m b l y ，a n dp r o v i d e st h e c o r r e s p o n d i n gc o u n t e r m e a s u r e s t h ee x t e r i o rd e s i g nw a sf i n i s h e db a s e do nt h em o d e r n i n d u s t r i a ld e s i g nm e t h o d ，a n du s e dt h et e c h n o l o g yo f e r g o n o m i c s ，s h a p ed e s i g n , c o l o rd e s i g n , s a f e t yd e s i g na n dg r e e nd e s i g ni nt h ed e s i g no fn cm a c h i n et o o l s t h r o u g ht h ef i e l d e x p e r i m e n t a l l yp r o c e s s i n g ，m o d i f i c a t i o na n da s s e m b l i n g ，t h ep r o t e c t i v ed e v i c ed e s i g no f h o r i z o n t a lm a c h i n i n gc e n t e rg a i n e dt h ep r o s p e c t i v ee f f e c t k e yw o r d s ：m a c h i n i n gc e n t e r ；e x t e r i o rd e s i g n ；p r o t e c t i v ed e v i c e s ；p r o e c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：垦赵塑! 三生! 兰：盛主主蓥墨丝遮i 作者签名：茎：盗垩日期：立里三年l 月j 坐日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 垄8 盎塑：= 至= 圭：兰：盛拦墓量鱼垒i 鱼i 日期：1 2 年l 月二旦日 日期：狸里年：月二羔日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的提出 随着工业的发展，工业产品由传统的机械产品向机电一体化产品、信息电子产品方 向发展，技术含量大为提高；社会的消费观念也不断发生变化，产品的功能已不再是消 费者决定购买的最主要因素，产品的创新性、外观造型、宜人性、环保性等因素愈来愈 受到重视，并在产品的竞争中占据突出地位。 这种发展形势下促使企业在着手进行新产品开发时把面向产品的创新性、外观造 型、人机工程等的设计提到一个新的高度，从而也迫切要求对工业设计的研究能有进一 步的突破，以提高企业形象、产品设计水平和市场竞争力。 加工中心是在数控技术基础上，根据多品种小批量加工工艺的要求，结合当代新技 术、新材料、新工艺和新的机床功能部件以及人们发展了的新的审美意识与需求，运用 产品造型的形式美、色彩美、材质美以及人机工程学的基本法则、理论和现代设计观念 与技巧等多种高技术设计结合而成的具有高精度、高速度、高效率和高自动化的现代化 生产设备。它不仅在结构性能方面相对于普通机床发生了根本的变化，而且在外观造型 设计的方面也形成了自身独特的风格与特点加工中心造型设计的特点，旨在提高加工 中心外观造型质量，以求进一步提高其在国内外市场的竞争力与附加值，使产品立于不 败之地。 因此现在的机床行业的竞争不仅是核心技术的竞争，比如机床的转速，扭矩，精度， 加工范围等。而且机床的外观设计( 即防护) 在机床的竞争中也对机床起到了决定性作 用。并且加工中心外观防护的设计也能提升机床的性价比。好的防护不光有利于操作者 的操作，使操作者心情愉悦等而且在现代化的厂房里也会使厂房变得整齐，漂亮。 数控机床是主导性的机床产品，其外观设计是机床制造行业的一项重大课题【l 】。所 以研究加工中心整体防护的设计，以提高加工中心外观造型质量，从而进一步提高其在 国内外市场的竞争力与附加值，使产品立于不败之地。大连机床集团是我国传统的机床 企业。集团以传统的车床和专用机床为主，但是随着各行业产品的快速变形，产品小批 量生产化，所以企业面临着从传统车床转换为以数控机床为主，专用机床线转换为柔性 线。加工中心就是典型的数控机床。所以本文针对大连机床集团h d r 6 3 卧式加工中心 要求，对防护装置设计，设计与加工和装配的问题进行研究。并提出应对措施。 卧式加工中心机床防护装置的设计 1 2 加工中心防护设计的重要性和必要性 加工中心具有高速主轴、高性能数控系统、高精度快速进给系统、高效冷却系统、 高精度和高速的的检测技术、高性能刀具以及高安全性能。h d r 6 3 卧式加工中心主轴 速度有4 0 0 0 r m i n 和1 0 0 0 0 r m i n 两种转速。在高速加工时，安全性问题也是必须考虑的。 在高速加工时，高温飞溅的切屑、润滑油的飞溅、刀具损坏后高速飞出等因素，都是防 护装置必须考虑的。 因此，合理、可靠的机床设计就成为设计中的一个重要环节。所以在即充分全面地 考虑到对机床本身的安全保护，又能做到以人为本，避免因设计的不合理带来对操作使 用者潜在的危险，而且使加工中心外观上给人以亲切感，宜操作性，美的感觉。通过机 床防护要表达出机床的一种稳重，刚毅等感觉。从而表达出加工中心独有的特点。 1 3 机床及其防护外观造型的发展过程 加工中心是科学技术发展的必然产物。随着工业化革命的开始，发展了机床；计算 机的迅速发展和广泛应用，又使机床发生了根本的变革，由传统的机械化发展到现代的 自动化，进而发展到当今的由数控技术发展起来的加工中心；功能和结构的变化又带来 了机床造型的变化。分析机床造型的演变，为设计具有时代特色的加工中心造型提供了 理论基础。最初的机床是由一个电机驱动或分组由几个电机驱动，一根天轴把运动传给 若干台机床，即所谓的“天轴传动 ，完全是外露式的皮带传动。机床上所有零件机械 地集合在一起，单纯满足功能需要，总体布局凌乱、粗糙、丑陋，无暇顾及外观、色彩 和人机关系，安全性能差。 随着机床的变速机构由皮带轮传动发展为齿轮传动，整个机构集装于床头箱内，机 床的造型发生了根本的变化。2 0 世纪3 0 年代，流线型在世界上风靡一时，与空气动力 学无关的机床上也广泛地应用，直到4 0 年代前后，开始提倡包络法的设计原则，即外 形跟着内部结构走，以曲线、曲面及大圆角过渡为基调。这种造型给人们以圆润、流畅、 活泼、亲切的感觉，为人们所喜爱。由于包络设计法使机床外表面曲线、曲面过多，产 生臃肿、笨拙的视觉效果，因此，5 0 年代机床多采用直线为主的方形或方形小圆角过 渡的造型风格，受到了人们的青睐。6 0 年代至7 0 年代，机床的主体造型风格增加了平 面和直线要素，给人以挺拔、浑厚、规整、均衡、庄重的感觉。从平面构成中线的性格 来讲，垂直线刚强、单纯、直接；水平线平衡、安定、永恒。机床造型采用“水平线+ 垂 直线 ，与机床运动部件的基本方向一致，从而加强了机床的动势，达到方整、稳定、 简洁的视觉效果，符合时代的潮流。8 0 年代前后，方正之中又逐渐增加了梯形，这是 大连理工大学专业学位硕士学位论文 由于过分追求方直形而使机床的外形严肃有余而活泼不足，使人产生单调、贫乏的心理 状态。9 0 年代机床的造型增加了斜面，线与线、面与面之间用小圆角过渡，给人以有生 气、活力、轻巧之感。由于科学技术的发展，新材料、新结构、新工艺的出现，机床外 形给设计者以更大的选择余地。在满足机床功能的前堤下，机床的造型朝着简洁、明快、 协调、统一、整体感强的方向发展。 1 4 以前国内机床造型设计概况 1 4 1 形式要素 1 缺乏整体感，线条使用不当，形式美法则运用效果差【2 】 传统的机床设备是以传统的“形式服从功能”的设计理念设计的，但基于对“形式 服从功能 的片面理解，过于注重保留功能部件的原始形，极少对其加以美化，整体造 型过于“功能主义。各部件没有做到有机的结合，仅仅是被机械地连接在一起，整体 造型非常松散、杂乱，缺乏整体感，同时给清洁维修等工作人员带来了困难。罩壳仅仅 是顺应内部结构设计，线条运用单一，过多地采用直线、平面、直角，使整体造型过于 古板、陈旧。各种形式美法则，例如，变化与统一、比例与尺度、均衡与对称、节奏与 韵律等等均没有得到很好的体现。一些机床的比例尺度设计不佳，致使视觉平衡性较差， 影响了整体效果。 2 造型语意表达不明 造型对功能的传达不够明显、确切、恰当，并且没有很好的表达其操作特征。大部 分机床都需要使用者经过长时间的学习培训才可以了解其各部件用途，掌握其操作方 式。这种语意不明的机床使操作过程变得繁琐，给机床操作人员带来了心理压力，增加 了操作人员的紧张感，致使其容易疲劳，降低了操作安全性。 3 造型尺寸不符合人机工程学原则 由于一些机床功能的特殊性，工人操作时，操作姿势非常不自然，例如过度地弯腰， 上身过度前趴等，这些不自然的姿势都会加速工人疲劳，给工人的身体健康带来伤害。 同时，在造型设计时，对于维修界面没有提供太多的关注，致使维修工人对机床进行维 修时，身体姿势别扭，不合理的维修空间增加了维修工人碰伤、擦伤的可能性，维修工 作因此变得困难，维修工人的身体健康无法得到保证。 1 4 2 色彩要素 大部分机床主色调采用低纯度，低明度的暗色调以增加机床的沉稳特性，缺乏稍高 明度的亮色调加以对比，致使机床显得较为陈旧，给人一种无法接近的冰冷感，无法体 卧式加工中心机床防护装置的设计 现出设备的精密性和高科技性。一些机床采用高明度的亮色调作为主色调，加以低纯度、 低明度的暗色调色块以形成对比，体现变化与统一的形式美法则，但是色块大小把握得 还是不好，使整体效果显得较为杂乱，没有统一感，没有视觉中心。同时各个部件的用 色没有恰当的表现出此部件的功能与运动特征。 1 4 3 细节设计要素 整体主要由钢板焊接或铸造而成。表面处理工艺较落后，比较粗糙，边角毛糙，表 面涂漆效果不理想。操作件多用金属制成，质感较为冰冷，有些形状设计不合理，长期 操作会致使四肢疲劳甚至受伤【3 】。 1 4 4 安全隐患 通过这些年的产品检验，发现机床产品存在的安全隐患和问题有： 隐患一：工件刀具飞出危险暗藏杀机。机床是属于高速运转的机械。机床的主轴旋 转速度低则每分钟数百转，高则每分钟上万转至几十万转。高速旋转的工件和或刀具存 在飞出危险。可造成人身伤害甚至死亡。具体表现在：一是工件或刀具的装夹不牢固， 造成工件或刀具飞出。二是防护装置或装配不符合要求，对飞出的工件或刀具防护不住。 三是在产品上或技术上缺少对用户必要的警告内容。 隐患二：静止危险不容忽视静止危险主要是指产品外漏部件的结构，外型上对人 的伤害。如外漏部件的尖棱、尖角、毛刺等对人可能造成划伤。产品上出现尖棱、尖角 和毛刺现象，不仅仅给人一种“产品粗糙 的印象，更重要的是对人员( 操作者) 可能 造成不同程度的划伤或刺伤1 4 j 。 另外钣金件加工质量参差不齐，板面不平整，过渡不圆滑，错边错位现象较多，油 漆较差；常缺少各种警示标牌，缺少日常维护标牌例。 1 5 数控机床造型的发展方向 通过对近年来数控机床形态和色彩设计的发展来看，数控机床基本外形和色彩设计 的发展趋势是： 1 5 1 总件集成风格的迅速发展 总体集成风格( 形态风格、色彩风格) 在未来造型设计中所占比例将加大。双色制风 格可能更趋于成熟、规范化。 模块化设计已成为机床设计的主要模式，模块集成后使机床本身以及各种系列的机 床造型风格统一。此外，由于工业工程的推行，使以机床为中心的生产环境集成一个适 一4 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 宜人劳动的集成系统，要求机床的造型风格与环境等集成一种和谐、统一的风格。因此， 不是从单机角度而是从总体集成角度来确定数控机床造型风格设计，这是现代风格设计 导向性的新特征。 1 5 2 企业特色风格将规范化和多元化 由于c i 在市场竞争中具有战略性作用，企业产品的形象风格将构成企业形象的主 体内容，应将其规范化，以保证形象风格的统一性、连续性及创造性。为了保证本企业 形象的特色，同类数控机床，配套数控系统等在形态风格和色彩风格的处理上又要强调 自己的特异性。 1 5 3 色彩的宜人性将得到更好的运用 随着工作环境中照明条件的改善，数控机床今后的色彩风格可能向明度差大、对比 鲜明的趋势发展。 1 5 4 硬性、冷漠的高技术化风格将出现“软化 趋势 高技术化设计风格的风行，使人们产生“高技术恐俱症。高技术化风格的优点是 突出了功能、技术对形式的制约，但过于冷漠，缺乏心理上的宜人性。从当代设计发展 趋势看，外观具有亲切感的设计能争取购买力。 1 5 5 人、机、环境的协调性进一步提高 造型设计风格将更注重人机关系。 1 5 6 外观造型设计将体现出绿色设计的内涵 时代的变化，会带来人对材料需求和加工工艺的变化。数控机床的造型材料、加工 工艺和面饰工艺将有所改进，体现环保意识。 1 5 7 注重肌理设计 机电产品的表面加工、表面处理不仅仅是物理性的作用。还有增强形态个性的精神 作用。 1 5 8 简洁化程度加深 纵观国内外机床、仪器等博览会，近年来产品的造型设计，绝大部分呈平面立体构 成的形态，刚劲有力，其色彩明快、工艺简单、视觉效果简洁感人。 以上只是在现有的数控机床外形和色彩风格基础上提出的发展趋势，并非发展规 律。随着数控技术、材料科学、加工工艺等的发展，可能会使数控机床的结构产生根本 卧式加工中心机床防护装置的设计 性的变革，从而带动数控机床外形和色彩设计的新变化。每一个工业设计人员都应该关 注数控机床的发展和变化，以便对数控机床外形和色彩设计的研究进一步深化【6 j 。 1 5 9 形式服从功能的设计逐渐转变为形式和功能在设计初一起考虑 在加工中心设计的初步阶段，就考虑机床的外观形状，机床的防护怎么与机床内部 部件的搭接。同时防护设计也要考虑机床的起吊与维修等问题。这样避免因内部功能部 件都设计投产了，防护才设计出来，没有连接防护的安装面或连接孔，只能现场配做孔 等。造成装配时间的延误，有的防护由于机床毛坯的制造精度低，影响防护，防护重新 制作等问题。这样也造成了一定的损失。 1 6 现代工业设计与计算机辅助技术 随着现代工业设计的发展，传统工业设计的研究与服务对象发生了深刻变化，其内 涵与外延也不断得到扩充和发展。产品设计将不再一定需要开模生产。随着数字技术的 发展，出现了诸如数字动画、数字音乐、数字舞蹈、数字美术、数字电影、数字博物馆 等新的产品表现形式，以及网络化设计、协同设计、虚拟设计、智能设计等新的产品设 计方式。数字科技与工业设计工程的融合产生了许多新的研究方向。工业造型艺术设计 是科学与艺术相结合的创造性劳动，其宗旨是在兼顾合理性、经济性、审美性、独创性 的基础上，对产品的功能、构造、材料、工艺、色彩、装璜等，从社会、科技、经济、 艺术等方面加以综合处置，以确定和提高工业产品的外形质量，创造出功能与美感、技 术与艺术相统一的造型艺术形象，反映出工业产品的科技面貌和时代风格。工业造型艺 术设计是一门综合性很强的学科。它的基础学科包括美学、心理学和构成理论等，应用 学科包括人体工程、传播理论、生产工艺经济学等。此外，还涉及到设计、制作、印刷、 绘画和摄影待实用技术。 近年来，工业设计逐渐运用到数控机床外观造型设计方面，标志着工业设计学科从 新兴的边缘学科发展成为制造业的关键共性技术之一。 随着计算机技术特别是计算机辅助设计( c a d ) 技术的迅速发展，计算机已经与工程 技术的所有领域密不可分。计算机辅助工业设计( c a i d ) 是工业设计( i d ) 和c a d 的有机 结合，正改变着许多行业中设计的完成方式。应用c a i d 技术可以建立虚拟产品，使产 品模型可视化，也可进行仿真模拟等。所以能提高设计质量，使造型设计的更改更为方 便，缩短设计周期，减少设计人员的工作量，在工业造型设计领域有广泛的应用前景。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 因为通过三维进行产品的设计，正改变着许多行业中设计的完成方式，相对于物理样机 而言，数字模型可以全方位的表现设计成果的各个方面，从而提供更有价值的功能，实 现可视化，仿真模拟【7 】。 1 7 本论文所做的研究内容 1 7 1 研究工作 1 针对数控机床外观造型的设计和防护中经常出现设计与制造及装配问题进行研究 分析和论述，提出加工中心机床整体防护设计的总体思路及设计中的一些注意细节。并 在外观设计中应用人机工程，使人机系统实现高度协调统一，形成高效、经济、安全的 有机系统。并应用p r o e 进行外观虚拟设计、并行设计。本文通过三维虚拟进行产品 设计，融入现代工业设计美学等，进行数字建模。从而使其可以应用到其它类似的工业 产品设计中。 2 结合大连机床集团的h d r 6 3 卧式加工中心整体防护设计为例，利用现代工业设 计方法进行设计研究，为其提供科学客观的设计依据。 3 利用计算机辅助设计方法，结合现代设计理论，对卧式加工中心整体防护进行计 算机辅助设计，并对虚拟的设计方案进行讨论、研究、改进，以达到整体防护的设计要 求。 1 7 2 设计方案 1 熟悉并掌握卧式加工中心的工作原理，工作环境，设计要求。了解本厂加工中心 外观设计的特点。调研市场的设计现状等。 2 运用工业设计的方法对产品进行设计。研究防护装置的设计，设计与加工和装配 的问题，并提出解决措施。 3 应用p r o 】s 对产品进行初步设计并达到讨论方案要求，然后对产品进行细节设 计，达到防护装置设计要求。 1 7 3 预期结果 对产品整体功能进行全面的了解，掌握当前产品的外观的现状，设计出得到市场认 可的产品；且先进的设计理念已经成为产品设计的趋势；采用先进的设计方法，可以使 企业产品的设计周期大大缩短，提高设计效率，节省产品研发成本。能够有效地提高企 业产品的核心竞争力。 卧式加工中心机床防护装置的设计 2 现代工业设计与外观造型的联系 工业设计是科学技术与艺术有机结合的创造性活动【引。近几年来，工业设计逐渐运 用于数控机床的外观造型设计方面，标志着工业设计学科从新兴的边缘学科发展成为制 造业的关键共性技术之一。服务于机床行业的产品开发设计。 2 1 国外外观设计的范围和内容 外观设计主要针对的是现成工业产品的外形，有其自身的独特性，与发明和实用新 型所针对的新技术、新产品完全不同。世界上大多数国家( 尤其是欧美发达国家) 都是 将外观设计单独立法予以保护。这样更明确了外观设计保护的范围及内容，使消费者能 够准确识别和判断。 外观设计所表现的主要是对工业产品新的形象设计，它所保护的对象应朝着国际上 评判优秀工业设计的十大标准( 创造性、实用性、便利性、耐久性、抵陋性、自然性、 整体性、简洁性、审美性、与环境的配合性) 看齐。 2 2 工业设计的描述 工业设计是一个外来名词，由英语i n d u s t r i a ld e s i g n 直译而来。在我国曾被称为工 业美术设计、产品造型设计、产品设计等。近年统一称为“工业设计 。 国际工业设计协会联合会自1 9 5 7 年成立以来，加强了各国工业设计专家的交流， 并组织研究人员给工业设计下过两次定义。在1 9 8 0 年举行的第十一次年会上公布的修 定后的工业设计的定义为：“就批量生产的产品而言，凭借训练、技术知识、经验及视 觉感受而赋予材料、结构、构造、形态、色彩、表面加工以及装饰以新的品质和资格， 这叫做工业设计。根据当时的具体情况，工业设计师应在上述工业产品的全部侧面或其 中几个方面进行工作，而且，当需要工业设计师对包装、宣传、展示、市场开发等问 题的解决付出自己的技术知识和经验以及视觉评价能力时，也属于工业设计的范畴。 工业设计是企业发展，商业竞争的产物和工具，具有动态性和模糊性。它在2 0 世纪7 0 年代前基本指产品造型设计，到7 0 至8 0 年代，由于科技进步及企业和商业需求，工业 设计的含义有所变化，在设计产品时，必须考虑它的科技含量、功能、材料、结构、人 机工程学等。到2 0 世纪9 0 年代，工业设计要与市场营销、消费者、使用者、心理学、 管理学等紧密关联。而如何解决“物 与人相关的各种功能的最优化，创造出与人的生 理、心理机能相协调的“物”，这是当今工业设计中在功能问题上的新课题桫j 。2 0 世纪 大连理工大学专业学位硕士学位论文 末信息时代的到来，工业设计已深入到生产、管理、品牌、营销系统，几乎和工业产品 设计有关的方面都产生了联系和互动，有效的为企业设计出更具竞争力的产品。 工业设计包含产品造型设计，但是工业设计需要研究的对象范畴更为宽泛，种类更 多，而且专业境界更高。因为工业设计的宗旨不止是满足商业竞争的需求，它的目的是 以改善创造人们未来的生活方式为理想的。从这个层面上说，工业设计不光是经济市场 的产物，它是引领人们生活方式的教育属性。 据美国的一项权威研究测算表明：工业产品外观每年投入l 美元可带来1 5 0 0 美元 的收益。日本日立公司的数据显示：该公司每增加1 0 0 0 亿日元的销售收入，工业设计 比例占5 2 ，而设备改造只占1 2 1 1 0 j 。 现代设计或工业设计之区别于传统设计，不在于它们有任何造物目的不同，而是在 于造物的生产手段与量的不同，而带来了设计方式与方法上的不同【l 。 2 2 1 工业设计包含3 个工作领域 从以上定义可以看出，工业设计贯穿了工业产品制造的全过程。 工业设计( i d ，i n d u s t r i a ld e s i g n ) 是一个新兴的、具有文理渗透特征的综合性学科， 包含3 个工作领域： 1 产品设计：主要以立体工业品为主要对象的造型活动，是追求功能和使用价值的 重要领域，是人与自然的媒介。 2 视觉传达设计：以平面为主的造型活动，是人与人之间实现信息传播的信号、符 号设计。 3 环境设计：是以整个社会和人类为基础的大自然空间为中心的设计。是自然与社 会间的物质媒介。一般在工业设计的角度别具现在人类能够生存和生活的场所。 在工业设计的3 个领域中，产品设计是主体与核心，且唯有产品设计与以机械工业 为基础的制造业直接相关、密不可分。 批量生产的工业产品，无论是日常生活消费品还是生产资料，都属于工业设计的范 畴。如：日用陶瓷、玻璃器皿、文具、家具；各类家用电器；机床、医疗器械、计算机； 自行车、摩托车、汽车、火车、飞机、轮船；建筑物及其内外装饰等。 2 2 2 工业设计活动主要思路 工业设计活动主要思路是：提出问题解决问题完善问题结果。 工业设计的最终目的是满足人的生理与心理多方面的最大需求。工业产品是满足手 工艺时人们生产和生活的需要，无疑工业设计就是为现代人服务的，它要满足现代人们 的要求。所以它首先要满足人们的生理需要一产品功能。一对音响是必须用来听音乐的， 卧式加工中心机床防护装置的设计 一把椅子是必须用来坐的，一个u 盘是必须能存储东西的，一个文具盒是必须能装笔的。 工业设计的第一个目的，就是通过对产品的合理规划，而使人们能更方便地使用它们， 使其更好地发挥效力。在研究产品性能的基础上，工业设计还通过合理的造型手段，使 产品能够具备富有时代精神，符合产品性能、与环境协调的产品形态，使人们得到美的 享受。 工业设计是工业现代化和市场竞争的必然产物，其设计对象是以工业化方法批量生 产的产品，工业设计对现代人类生活有着巨大的影响，同时又受制于生产与生活的现实 水平。 产品设计构思的方法也是多元的，既要创新美观，又要能被现有的生产技术快速复 制，设计才能谈的上是为大众服务的原本。设计的原则就是在满足使用功能的前提下， 充分激发浪漫的潜质，为生活增辉添彩。因此，工业设计师不能片面地一个人美学喜好 来做取舍，设计的产品应当是以满足大多数人所接受。设计师只有根据这些基本原贝l j 去 延伸和扩张，才能取得比较满意的设计效果。好的产品设计必须满足功能明确，形态美 观，使用方便，易于加工，材料节约，符合市场需求和趋势等诸多条件【l 引。 2 2 3 工业设计在企业中的地位和作用 工业设计是企业与市场的桥梁：一方面将生产和技术转化为适合市场需求的产品， 一方面将市场信息反馈到企业促进企业的发展。 工业设计是产品增值的手段：对企业的最大作用是提高产品的附加价值。这种附加 的价值不是有形物质存在，更多表现在无形之中。外观、产品形象等。 工业设计是企业的一项重要资源：好的设计会使企业具有更好的信誉、使得企业更 具有活力、成为公司发展工具。 工业设计是建立完整的企业视觉形象的手段：企业视觉形象是公司建立品牌形象最 好的外观，也就是公司一种特有的风格。 工业设计过程可分为收集和选择信息、选择产品目标、构思产品形象、制定研究开 发计划，产品具体设计这几个阶段。工业设计不仅涉及到一系列传统学科，如材料力学、 结构力学、强度理论等，还涉及到许多新兴学科，如人机工程、价值工程、仿生学、设 计美学等。计算机工业辅助设计( c a i d ) ( c a d ，p h o t o s h o p ，3 dm a x ，r h i n o c e r o s ) 已成 为现代工业设计的最重要的手段。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 2 4 工业设计要注意遵循以下原则 创造性原则；市场需求原则；使用者优先原则；企业目标原则；易于掌握原则；美 观性原则；保护生态环境原则。 2 3 现代设计方法的应用 社会的不断发展使传统设计面临新的挑战，设计人员从以技术水平为主，转变为不 但以技术水平为主，更加注重兴趣的质量和快速的设计时间，。而计算机的发展在社会 的不断发展的同时为传统设计提供了新的机遇。 从广义上将：设计是发展过程的安排，如：方向、程序、细节、目标。另外设计也 是满足客观需求的活动，且设计过程是一个创新过程。 设计方法学是研究产品的一般设计过程、设计规律、设计思维、工作方法和设计工 具的综合性学科。 2 3 1 设计方法学研究内容 1 确定设计对象如何确定最佳的技术系统 2 设计过程产品总功能、分功能、功能元 3 设计评价对设计方案进行评价、决策 4 设计思维研究能激发创造性思维的方法 5 设计工具建立各种设计信息库 6 现代设计理论与方法的应用 卧式加工中心机床防护装置的设计 2 3 2 现代设计的特点 1 系统性设计方法学是专门研究设计方法的学科。而传统设计是经验、类比。 2 社会性产品的整个生命周期是满足社会、市场的要求 3 创造性现代设计方法强调创新是设计方法学、反求工程等。竞争的需要。而传 统设计过早地进入封闭收敛的设计思维。设计的是指就是创造，现代设计更加突出人的 创造性，发挥集体智慧，充分运用创造性思维和探索突破| 生方案，开发新产品，创造性 设计贯穿于设计过程的始终，是提高产品设计水平和竞争能力的根本手段和措施。 4 最优化由于手段的提高，很容易得到最优解( 硬件软件条件) 。传统的次优，只 限于相对简单的系统。 5 动态化更接近产品的实际使用情况，使设计更合理，设计效率更高。传统设计通 常用各种系数来考虑动态影响。 6 宜人性人机工程、工业设计。强调人机协调，与环境协调。 7 智能化各种专家系统、智能在线故障诊断系统等。 8 c a d 优化整个设计过程与计算机紧密结合。如c a d 、虚拟设计、仿真设计等。 2 3 3 机械产品设计 一 现代的机械产品是机、电、液一体化的系统。其设计的三个阶段是： 1 功能原理设计 a 任务：特定功能的抽象描述 b 重点：创新思维 c 特点：应用新原理、新材料、新技术、新工艺等 2 实用化设计 a 任务：完成总体设计、部件设计、零件设计等全部技术资料。 b 重点：结构、布局 c 特点：具体、可操作 3 商品化设计 a 任务：在技术成功的基础上，市场上成功 b 重点：功能、原理的新颖性，外形、包装对市场的适应性 c 特点：经销策略 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 3 4 现代设计方法 现代设计方法种类繁多，内容广泛，有些方法内容互相包容利用。我国现有的现代 设计培训教材就有：计算机辅助设计、优化设计、反求工程技术、有限元法、价值工程、 疲劳设计、模块化设计、智能工程、机械动态设计等。 而在工业设计方法学中描述为：用工艺手段，按美学法则，对工业产品进行造型， 使其在保证使用性能前提下，具有美的、富于表现力的审美特征。 1 按造型的性质，产品可分为三类 a 视觉艺术品如：绘画、雕塑 b 纯实用功能产品如：各种机械零件 c 实用、艺术功能兼有的产品如：工作、生活所涉及的工业品 2 三个要素 使用功能，艺术形象，技术条件，外观的物质基础、结构、材料、工艺。 3 设计原则 设计应该考虑设计物品的实用、经济、美观上的原则。 4 内容 合理的运用美学法则： a 比例与尺度：造型物各部分之间、各部分与细部之间、各部分与总体之间的尺寸 大小关系。如矩形长短边比例一整数比、均方根比、黄金分割比( o 6 1 8 ，0 3 8 2 ) 。在 同一造型中，为了整体的和谐，应选取同一类矩形。造型物与人体的有关尺寸之间在比 例上的协调关系。 b 均衡与稳定 均衡使造型物各部分在体、量上的均等或大致均等。对称造型使端庄、严谨、稳重、 安定。不对称造型能使玲珑、活泼、富于变化。造型设计应注重视觉稳定。采用宝塔造 型，利用色彩对比法，利用质感对比法。 c 统一与变化 统一是造型物群体之间或造型物各组成部分之间在形、色、装饰、布局等方面的统 一性、类似性、和谐性。变化一上述诸方面的差异性、和谐性。对机械产品：外露的零 部件尽量整合为有条理的统一体，达到明确的统一形象。总原则：统一中有变化，在变 化中含有统一。 d 节奏和韵律 节奏是有规律的重复。韵律是节奏作有规律的渐变。灵活应用节奏和韵律可以制造 出某种注目性、运动感、方向感。 卧式加工中心机床防护装置的设计 e 色彩的运用 人们对色彩的心里感受来源于生活印象的积累。冷暖感、胀缩感、进退感、质量感、 动静感、浓淡感、干湿感、朴素华丽感等。原则：注意使用规范的色彩用语。注意满足 功能要求，应符合国内、国际通用的用色标准，应满足人机学的协调要求，要注意时代 的流行色，配色要富有装饰性，了解不同人的色彩审美要求。 2 4 计算机辅助工业设计技术发展状况与趋势 9 0 年代以来，随着以计算机技术为支柱的信息技术的发展，世界经济格局发生了巨 大的变化，逐步形成了一个统一的一体化市场，经济循环加大、加快，市场竞争日趋激 烈。同时，工业产品由传统的机械产品向机电一体化产品、信息电子产品方向发展，技 术含量大为增高；社会的消费观念也不断发生变化，产品的功能已不再是消费者决定购 买的最主要因素。产品的创新性、外观造型、宜人性、环保性等因素愈来愈受到重视， 在竞争中占据突出地位。 这种趋势促使企业在着手进行新产品开发时把面向产品的创新性、外观造型、人机 工程等的设计提到一个新的高度，从而也迫切要求对工业设计的研究能有进一步的突 破，以提高企业形象、产品设计水平和市场竞争力。 正因如此，对于工业设计领域的研究逐渐受到了国内外学者的关注。特别是近几年 来，随着计算机软硬件技术的日新月异，计算机图形学、计算机辅助设计、多媒体、虚 拟现实等技术的发展和c a d c a m 应用的逐步深入，现代工业设计理论与方法的研究有 了长足的进步，计算机辅助工业设计( c o m p u t e ra i d e di n d u s t r i a ld e s i g n ，c a i d ) 技术 已成为c a d c a m 、先进制造与自动化技术领域的研究热点。 2 4 1 计算机辅助工业设计内涵 1 c a i d 基本内涵 计算机辅助工业设计- - - - c a i d ，即在计算机及其相应的计算机辅助工业设计系统 的支持下，进行工业设计领域的各类创造性活动它是以计算机技术为支柱的信息时代环 境下的产物与传统的工业设计相比，c a i d 在设计方法、设计过程、设计质量和效率等 各方面都发生了质的变化。 计算机辅助工业设计技术，是计算机辅助工业设计系统的内部支撑技术。由于工业 设计是门综合性的交叉性学科，涉及到诸多学科领域，因而计算机辅助工业设计技术 也涉及到了c a d 技术、人工智能技术、多媒体技术、虚拟现实技术、优化技术、模糊 大连理工大学专业学位硕士学位论文 技术、人机工程学等信息技术领域。广义上，c a i d 是c a d 的一个分支，许多c a d 领 域的方法和技术都可加以借鉴和引用。 计算机辅助工业设计是计算机辅助设计( c a d ) 的一部分，即设计人员在计算机及 相应的计算机辅助工业设计系统支持下，进行工业设计领域的给类创造性活动。包括产 品造型设计，视觉传达设计，展示环境设计等。c a i d 是一种先进的设计手段和设计方 法。它的特点是将人的创造能力与计算机的高速运算能力，逻辑判断能力，及大的存储 能力相结合，计算机可以代替或辅助设计师进行复杂的数学运算，绘图，力学分析，图 表处理性的工作。从而使设计师的创作得到更大的释放空间和自由。 计算机辅助工业设计在设计领域的应用与推广不是可有可无的，而是工业设计步入 信息社会所采取的必要手段，也是充分发挥工业设计在现代制造业中特殊作用的必要条 件。 未来设计模式将会由科技的进步而变得更加人性化，产品设计将是基于计算机辅助 设计系统的作业方式，设计师将可以在全球范围进行协同设计，距离将不是障碍i l3 1 。 2 c a i d 与创新设计 创新是工业设计的灵魂。以知识为基础的产品创新竞争是2 1 世纪初全球制造业竞 争的核心。一个新产品在功能、原理、布局、形状、结构、人机、色彩、材质、工艺等 任一方面的创新，都会直接影响产品的整体特性，影响产品的最终质量和市场竞争力。 当前，关于产品创新原理、创新设计技术等的研究已成为c a d 、c i m s 领域的一个 研究焦点。创新设计是c a i d 研究的一项重要内容只有在创新设计的研究上取得突破性 进展，才能使c a i d 的研究迈上一个更高的台阶。 2 4 2 计算机辅助工业设计技术发展状况 当前，国内外c a i d 的研究主要集中在计算机辅助造型技术、c a i d 中的人机交互 技术、智能技术以及新兴技术的应用研究等方面以下分别对这4 个方面作一综述，并介 绍当前一些著名的c a d c 创w c a p p 商品化软件中的工业设计模块。 1 计算机辅助造型技术的研究 计算机辅助造型技术经过2 0 多年的探索，已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。 2 在c a i d 技术领域，计算机辅助造型技术的研究主要体现在造型的自由曲面设计 和草图设计等方面。 卧式加工中心机床防护装置的设计 3 由曲面设计：产品外形自由曲面设计的研究是c a i d 的一个重要内容采用曲面 特征设计是自由曲面设计的一个重要发展曲面特征设计包括了3 部分，即基本表面、移 动特征和串通图形。 4 草图设计：草图设计技术是随着实体造型技术的发展，为满足工业设计师传统的 手绘习惯而发展起来的造型技术。它是用来弥补传统c a d 系统与工业设计之间鸿沟的 有效手段。该技术的重点在于2 个方面：一是设计过程中的人机交互技术，即设计系统 如何有效地模拟设计手绘；二是草图重建技术当前，国内外已建立了一些基于草图的 c a d 系统。 2 4 3c a i d 中人机交互技术的研究 人机工程技术研究的真正兴起、并有组织地进行仅为数十年的历史。当前，人体标 准数据库、三维人体模型以及一些人机设计系统、评估系统已得到广泛应用。在c a i d 技术领域，人机交互技术的研究主要体现在人机界面技术和虚拟仿真技术等方面。 人机界面技术：随着计算机技术尤其是多媒体、虚拟现实等技术的发展，人机交互 的界面已发生了巨大变化。当前，人机界面模型、虚拟界面、多用户界面、多感官界面 是人机界面技术的几个重要研究方向。 虚拟仿真技术：通过计算机软硬件系统的虚拟仿真，可以有效地进行人机关系的设 计、评估、检验等工作。当前，虚拟仿真技术的研究主要体现在触觉反馈、压力反馈等 基础技术以及人机交互的模拟、人机虚拟环境的构建等方面。 2 4 4c a ld 中智能技术的研究 当前，智能c a d 、智能设计已有相当程度的发展集成化智能设计系统，可对设计 全过程提供一体化的计算机支持。在工业设计中，由于其涉及到创造性设计思维以及频 繁的人机交互，尤其需要人工智能技术的辅助。 1 创造性设计思维 设计活动是一个创造性设计思维的过程，在工业设计过程，设计师将其构想快速转 化为草图的过程是一种相当复杂的行为。这一过程被称为观念作用阶段。 不少学者针对设计师的创造性设计思维，设计知识的表达，对观念作用阶段进行了 研究，并结合草图设计，提出了自己的见解。 2 设计文法 大连理工大学专业学位硕士学位论文 设计文法是从设计方法学的角度，对物体的造型、色彩、形状等构成要素及其生成 原理进行提炼、抽象而形成的形式化描述方法。它是实现计算机辅