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气钉枪产品的计算机辅助工业设计技术研究 摘要 本文研究的是浙江省科技厅“面向产品创新的数字化工业设计平台 开发及在电动气动工具产品开发中的应用 项目中的一部分气钉 枪产品的计算机辅助工业设计技术研究，通过对企业现有的气钉枪工 业设计流程的分析，研究工业设计各个阶段的特点。以p r o e 软件为基 础，再结合其他计算机辅助技术，对气钉枪产品工业设计技术进行了 研究，并实现了工业设计模块的系统原型。本文研究的主要内容有： 1 、对气钉枪工业设计流程进行分析，阐述其中存在的问题。根据 设计流程、气钉枪工业设计特点以及产品结构树，分析具体的设计过 程及各阶段设计原理，提出基于配置的自底向上( b o t t o m u p ) 的气钉 枪工业设计。 2 、根据气钉枪产品计算机辅助工业设计的特点，分析其需求，并 结合基于配置的自底向上( b o t t o m u p ) 的工业设计方法，研究其系统 技术路线、系统组成、逻辑结构及数据库设计。 3 、从软件设计的角度，研究气钉枪产品计算机辅助工业设计中各 模块的设计原理及相关技术，并建立各模块实现流程。 4 、对气钉枪的计算机辅助工业设计模块进行系统原型实现，并通 过设计实例来阐述模块功能。 h 关键字：气钉枪，工业设计，自底向上的工业设计，软件开发 i i i 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c h e so nc o m p u t e ra i d e di n d u s t r i a ld e s i g nt e c h n o l o g y o fa i rn a i l e rp r o d u c t s a b s t r a c t t h i st h e s i si n v e s t i g a t e du n d e rt h ep r o j e c to f “p r o d u c td i g i t a li n d u s t r i a l d e s i g np l a t f o r m - d e v e l o p m e n t f o rp r o d u c ti n n o v a t i o na n da p p l i c a t i o no f e l e c t r i c - d r i v i n gt o o l a i r - d r i v i n gt o o lp r o d u c t - d e v e l o p m e n t 一r e s e a r c h e so na i r n a i l e rp r o d u c tc 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 ) t e c h n o l o g y b ya n a l y z i n g t h ei n d u s t r i a l d e s i g n ( i d ) t e c h n o l o g i c a lp r o c e s s o f e x i s t i n g a i r n a i l e r , c h a r a c t e r i s t i c so fe a c hs t a g eo fi n d u s t r i a ld e s i g nw a ss t u d i e d a s s i s t e dw i t ho t h e r c o m p u t e ra i d e dt e c h n o l o g y , t h i st h e s i ss t u d i e do na i rn a i l e rp r o d u c t i dt e c h n o l o g y w i t hc a ds o f t w a r ep r o f e t h es y s t e m a t i cp r o t o t y p ew a sr e a l i z e da tl a s t t h em a i n c o n t e n to ft h i st h e s i si s ： 1 t h ep r o b l e m so ft h ea i rn a i l e r si n d u s t r i a ld e s i g nt e c h n o l o g i c a lp r o c e s sw e r e e x p o u n d e db ya n a l y z i n gi n d u s t r i a ld e s i g np r o c e s s t h e nt h ee v e r ys t a g eo ft h e c o n c r e t ed e s i g np r o c e s sw a sa n a l y z e da c c o r d i n gt od e s i g np r o c e s s ，c h a r a c t e r i s t i c s o fa i rn a i l e r si n d u s t r i a ld e s i g na n dp r o d u c ts t r u c t u r e - t r e e f i n a l l y , ab o t t o m - u p m e t h o do ni n d u s t r i a ld e s i g nw a sb r o u g h tf o r w a r d 2 a c c o r d i n gt ot h ep r o d u c t sc a i dc h a r a c t e r i s t i c s ，t h em a r k e td e m a n dw a s i n v e s t i g a t e d ，a n dt h e nc o m b i n e dt h eb o t t o m - u pi n d u s t r i a ld e s i g nm e t h o d ，t h e s y s t e mt e c h n o l o g i c a lr o u t e ，s y s t e mc o n s t i t u t i o n ，l o g i c a ls t r u c t u r ea n dd a t e - b a s e d e s i g nw a sr e s e a r c h e d 3 f r o mt h ev i e wo fs o f t w a r ed e s i g n ，t h em o d u l e s d e s i g nm e t h o da n dr e l a t e d t e c h n o l o g i e sa b o u tt h ec a i do f a i rn a i l e rp r o d u c tw e r ee x p l o r e d t h e nt h e t e c h n o l o g i c a lp r o c e s so fe a c hm o d u l ea c h i e v e m e n tw a ss c h e m e d o u t i v 浙江工业大学硕士学位论文 4 t h es y s t e m a t i cp r o t o t y p eo fa i rn a i l e r sc a i dm o d u l e sw e r er e a l i z e d a n dt h e m o d u l e sf u n c t i o n sw e r ee x p l a i n e db yd e s i g n i n gar e a lc a s ea tl a s t k e yw o r d s ：a i rn a i l e r , i n d u s t r i a ld e s i g n ，b o t t o m - u pi n d u s t r i a ld e s i g n ，s o f t w a r e d e v e l o p m e n t v 浙江工业大学硕士学位论文 符号说明 1 、c a d - c o m p u t e r a i d e dd e s i g n 计算机辅助设计 2 、c a e - c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g 计算机辅助工程 3 、c a m - c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r e 计算机辅助制造 4 、i s o i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do r g a n i z a t i o n 国际标准化组织 5 、p r o e ：三维c a d 软件名称 6 、i d - i n d u s t r i a ld e s i g n 工业设计 7 、c a i d - 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 计算机辅助工业设计 8 、i c s i d i n t e m a t i o n a lc o u n c i lo fs o c i e t i e so fi n d u s t r i a ld e s i g n 国际工业设计协会联 厶z o 1 7 1z ； 9 、t o p d o w n 自项向下 1 0 、b o t t o m u p 自底向上 v i i i 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 气动工具概况 第一章绪论 气动工具是用空压机产生的压缩气体作为动力的工具，又称风动工具。气动 工具的种类很多，按运动部件的运动方式分为冲击式、旋转式、兼具冲击和旋转 等型式；按压缩空气发动机的构造方式分为活塞式( 容积式) 、旋转式( 偏心可动 叶片式) ；按用途分扳手类、砂轮类、钻头类、锤类及其它类型的气动工具【l 】。气 动工具有以下一些优点【2 】： ( 1 ) 输出力矩大、重量轻、效率高，适合各种轻重作业，可以有效降低劳动强度； ( 2 ) 适应工作环境范围广，可用于爆炸性、腐蚀性、高温及潮湿等各种复杂的工 作环境； ( 3 ) 构造简单、坚固耐用、易维护； ( 4 ) 可无限段调整转速及冲击力； ( 5 ) 可产生旋转、往复的冲击力； ( 6 ) 环保、卫生，压缩气体发生泄漏时不会污染环境，符合劳动卫生规范。 正是因为有如此多的优点，使得气动工具的使用范围更加广泛，也越来越受 到人们的关注。随着经济的发展和轻工行业的迅速发展，家电业、家具制造业、 装配制造业以及汽车修理等行业对气动工具的需求急剧增 j 1 3 , 4 j 。 气动工具的发展经历了简单铆接工具、广泛装配工具、精密定扭工具、适于 使用的人机化工具四个阶段，到目前为止只有百余年的历史【5 1 。随着经济的发展， 气动工具的应用领域越来越广，从建筑、家饰中的铆接到汽车、飞机等大型精密 机械的装配，气动工具在现代制造业中无处不在，与我们的生活紧密相关。自2 0 世 纪9 0 年代以来，我国气动工具行业通过采用国际标准、安全认证，产品质量不断 提高，出口量持续高速增长。2 0 0 4 年，我国气动工具产销量大约为2 0 5 0 0 万台， 比上年增长了1 4 ；而气动工具外贸出白则取得更为可喜的业绩。从出口的区域 分析，以2 0 0 0 年为例，美欧日三个经济体占气动工具全球份额的8 6 和手工具市 浙江工业大学硕士学位论文 场的绝大部分，发展中国家仅有1 1 亿美元的市场，我们的气动工具目标市场容量 约有3 个亿美元左右。 我国生产的气动工具主要销往欧洲市场，但主要集中在附加值较低的家用工 具市场，在附加值较高的高端专业市场上还未能占有一席之地；国内市场方面， 国产气动工具虽保持一定占有率，但许多高品质产品仍需从美国、德国、日本等 国家引进。我国气动工具行业的发展面临盈利空间不断减小、出口门槛不断提高、 自主品牌难以生存等严峻形势，这使得国内众多以贴牌加工为主要经营方式、以 降低价格为主要竞争手段的中小气动工具企业面临极大的挑战。在这种形势下， 我国气动工具行业对设计标准的依赖和对创新设计的迫切需求日益凸现，可以预 见，缺乏自主研发能力的企业在未来几年将逐渐被市场淘汰。基于对此现实的深 刻认识，许多国内企业纷纷走高档品牌化的经营路线，引进国内外名优产品，加 大技术投入，进行自主研发制造，以期从设计到生产走自主化的道路。 本课题的研究对象气动钉枪( 如图1 1 所示) 作为一种典型的手持式气动工具， 已广泛应用于建筑、家装、包装等行业。目前国产气动钉枪只能销往欧洲的家用 工具市场作为d i y ( d oi t y o u r s e l f ) 工具使用，很难进入专业市场，这是由于国内 气动钉枪企业的产品设计以照搬国外设计为主，缺乏整体设计和创新设计能力， 导致企业的设计生产存在诸多问题。 = j 图1 1 常见的几种气钉枪 1 2 计算机辅助工业设计现状 1 2 1 工业设计与计算机辅助工业设计技术 工业设计，其英文缩写i d ，英文全称为i n d u s t r i a ld e s i g n 。国际工业设计协会 浙江工业大学硕士学位论文 联合会( i n t e r n a t i o n a lc o u n c i lo f s o c i e t i e so f i n d u s t r i a ld e s i g n ) 是这样定义工业设计 的【6 】：“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、形态、色彩、表面加工以及装饰以新的品质和资格，叫做工业设计。 根据当时的具体情况，工业设计师应在上述产品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。 工业设计的内容包括：产品设计、视觉传递设计、作业环境设计。本文的工业 设计是指产品设计，它又可分成策划、构思草图、方案发展、模型制作、方案评 价、详细设计六个阶段【j 7 1 。 计算机辅助工业设计的产生立足于计算机技术和工业设计的不断发展。它希望 通过在整个工业设计活动中引入计算机辅助设计技术，研究计算机辅助工业设计 中各元素之间的内在联系和相互关系，寻找计算机辅助技术与工业设计要素的有 效结合方法，使整个设计过程实现更好的信息、知识、功能的集成。目前，计算 机辅助工业设计的着眼点往往是在设计师的“设计表达”，存在诸多限制，往往被 看作是一个方案形成以后的概念化工具，并没有真正进入工业设计的核心活动一 创新设计，而非真正的辅助设计手段。加强对计算机辅助技术在工业设计领 域的应用研究，使其支持工业设计全过程已经成为目前的研究重点悸j 。 计算机辅助技术在工业设计中的应用包括计算机辅助产品设计、计算机辅助的 视觉传达设计、环境设计、人机界面设计以及色彩设计等等【8 1 。c a d 技术在产品 设计中主要应用的是产品形态产生和快速、准确地表达设计师的创意构思建模方 法。目前的c a d 造型技术有几何实体造型、特征造型和参数化造型，上述三种造 型方式都源于机械c a d 系统，不太符合工业设计师的表达习惯，对自由曲面的绘 制和后期修改都不方便，还无法替代设计师的笔绘表达方式。c a d 技术在视觉传 达设计的应用，主要是指多媒体技术和网络的应用。多媒体的多信息通道特点和 网络的全方位信息交流方式，提高了设计的可传播性和影响力，同时建立通用多 媒体设计知识数据库，用过去的成功范例、色彩搭配知识、纹理方案、材料参数 库，可以使设计师脱离低层次重复工作，集中精力寻找好的视觉传达效果。 1 2 2 计算机辅助工业设计的研究现状 3 浙江工业大学硕士学位论文 随着计算机技术的不断发展，计算机辅助技术越来越多地被应用到产品设计 之中【9 】。经过多年的努力，c a i d 领域己取得了很多可喜的成绩，在引进人工智能 技术、多媒体技术、虚拟现实技术、优化技术、模糊技术、人机工程学信息技术 方面都做了有益的尝试，并取得了一定的进步。目前被用于工业设计目的的软件 系统主要有三种类型【l o 】：第一种类型是图形平台软件，也就是通常所说的二维图 形系统( 如h o m e d e s i g n ，c o r e l d r a w 等) ，处理的通常是二维图形，但不能把产品的 设计模型传递给后续的工程设计软件系统；第二种类型是c a d 软件( 如a u t o c a d 和p r o e n g i n e e r 等) ，这类软件功能强大，与后续的工程制造系统有良好的集成性， 但它们本身是为工程技术设计而编写的软件，没有提供工业设计所需的模型构造 及修改工具以及可视化功能；第三种用于辅助工业设计的软件系统类型如a l i a s s t u d i o ，p r o e 的d 模块等具有很强的模型构造及修改功能。 当然，这些软件系统也提供满足工程设计需求精度的造型数据，可以通过统一 的数据格式向后续的工程设计c a d 系统传递。但至今为止，c a i d 领域还没有形 成一套完善的理论体系，众彩纷呈的软件系统中也少有令工业设计师完全满意的 先例。在实际工作中，设计师还是宁愿手t n 模，而后将精确的模型交由工程师 进行数据测量，再用c a i d 模块，如p r o c d r s 进行数据编辑，最后利用p r o e n g i n e e r 等进行工程设计。这样，数据的传输可利用c a i d 模块实现，但c a i d 模块上反馈 给设计师的二维或三维效果往往不尽如人意，操作起来也过于程式化，并不符合 设计师的工作与思维习惯，所以仍不被设计师所接受。而且在三维建模这一部分 由于c a l d 与c a d 的相似性，现在还存在着将c a i d 与c a d 等同起来的错误观 点，这种观点忽视了工业设计与工程设计的区别，不利于c a l d 技术的发展。国 外的设计师和研究者普遍认为，c a i d 系统是设计师们交流思想的途径。c a i d 系 统必须给设计者一片自由的天空，让他们尽情表达自己的构思和情感，而不必受 任何细节的限制。同时，它必须能产生高质数字化的模型，能与别的系统集成， 使设计到制造一体化。这样c a i d 才能发挥作用，为设计师的灵感插上翅膀【1 1 。3 1 。 目前国内对c a i d 的研究和应用还处于起步阶段。而且我国的国情使国内的 c a i d 系统又有一些新的特点。在国外，工业设计这一行业己发展得比较成熟，设 计c n f 对计算机的运用也相当熟练了，所以他们的c a i d 软件一般只是为工业设 计师提供在设计过程所要用到的工具。而国内的设计人员很大程度上缺乏足够的 工业设计理论知识，因此国内的c a i d 系统软件除了要给设计人员提供工具，更 4 浙江工业大学硕士学位论文 要加强指导功能，即不仅要提供工业设计的工具，还要用工业设计理论指导他们 去使用这些工具【1 4 】。 随着社会实践的发展，设计领域日益获得丰富的、深刻的内容，迫切需要运用 先进科技作为设计的物质手段来展示新的审美观念和美学观念。在我国技术和艺 术的两方面结合工作进行得相当不够，远远落后于国际上科技发达国家。其关键 在于我国的国情，懂得美学艺术的不懂科学技术，懂得科学技术的又不不懂美学， 使得设计者的知识面过于狭隘。 1 3 目前气钉枪产品工业设计中存在的问题【5 q 随着计算机技术的发展和气钉枪应用的深入，一些潜藏在气钉枪设计中的一系 列问题也暴露出来。其主要存在的问题有如下几个方面： 1 、从现有国内气动工具行业出口情况分析，具有新造型、新材质的产品比较 畅销，特别是具有高附加值的工具产品将是未来行业发展的重要方向。气钉枪产 品，除了产品使用功能方面的设计要求以外，由于其产品直接面向用户，左右用 户购买，影响用户的使用，因此在设计中必须强调工业设计的分量，从视觉、触 觉和宜人性等方面考虑用户的感受，。从材料、色彩、形态等方面的设计来构成最 终为用户所接受和喜爱的产品【1 5 】。目前在气钉枪产品设计中，设计处于被动状态， 同时由于缺乏必要的工业设计支持手段和平台，大大制约了产品的开发和市场的 开拓。 2 、由于现代科学技术的飞速发展，气钉枪产品更新换代的加快已经成为企业 未来生存的必由之路。因此传统的设计和制造模式不得不面临着重大的改变，面 向客户、面向市场、具有创新设计的快速反应机制才能保证企业持续的竞争力。 由于市场变化万千，客户要求产品具有较短的交货期( t ) 、较高的质量( q ) 、 较低的成本( c ) 和较好的服务( s ) 。同时，客户的需求又呈现出多样化和个性 化的趋势。客户所要的气钉枪产品种类增多、专业技术要求增加，交货期越来越 短。企业之间的竞争也从以产品的品种和质量为中心的竞争，过渡到以核心技术、 市场和顾客为中心的竞纠1 6 】( 图1 2 ) 。产品设计时间和产品上市时间对企业利润 的重要性越来越明显，交货期往往成为一个主要的竞争因素。因此，如何快速地 5 浙江工业大学硕士学位论文 响应客户需求，成为提高企业竞争力所必须考虑的一个很重要的问题。 核心优势 快速设计能力 研发管理 技术资源掌握 成本控制管理 品牌支持 臣f ll - 2 未来企业核心能力建设【蚓 图1 - 3 传统气钉枪企业设计制造过程图【5 4 】 3 、传统气钉枪的设计制造过程方法往往是串联式的过程( 见图1 3 ) 。由于大 多数企业基本不具备工业设计及其概念设计能力，产品的开发基本为客户来样仿 型或者改良性设计，整个设计制造的过程，从产品详细设计、客户确认、加工制 造、装配到营销等各个阶段，对设计支撑技术要求相对不高，设计到制造的过程 相对比较简单，反复较少，产品可以基本按顺序进行。如果企业需要开发新产品， 传统的设计制造方法会严重制约研发心产品的时间，甚至导致开发的失败。 4 、由于气钉枪工业设计的复杂性，设计过程中既有大量创造性的感性的工作， 又有许多严谨的理性的工作，还牵扯到企业中不同部门、不同工作人员的协作问 题，纷繁复杂，其需要的时间占整个设计制造过程的3 0 。由此可见提高该阶段 效率的重要性。如何协调整个工业设计过程，及时对各个设计过程进行反馈，实 现数据共享都成为急待解决的问题。同时气钉枪的工业设计对工作人员也有相当 6 浙江工业大学硕士学位论文 高的要求，需要工作人员有一定的设计经验和扎实的艺术功底。如何积累这些经 验和技巧也是各个企业需要解决的。 5 、目前很多产品工业设计的抽象设计阶段大部分自顶向下( t o p d o w n ) 的工 业设计方法【17 ，j a , j g , 2 0 j ，就是从装配到零件，这种设计模式往往在针对功能设计时使 用的，但由于现阶段的气钉枪产品很多是用于家庭劳作，其功能上并不像专业气 钉枪要求那么高，反而比较注重外观造型，我们把这类气钉枪叫做d i y ( d oi t y o u r s e l f ) 产品( 其比较如表1 1 所示) 。这类气钉枪产品的功能己不再是主要设计 目标，因此这种自顶向下( t o p d o w n ) 工业设计方法并不是很适合气钉枪工业设 计前期设计。 d i y 气钉枪产品专业气钉枪产品 功能要求 低高 寿命要求一般高 外观造型要求 高一般 表1 1d i y 气钉枪与专业气钉枪的性能要求比较 从上述的问题来看，构建一个面向产品设计的数字化工业设计系统是现阶段急 需的，它的实现可以提高企业自主开发产品的能力，能够进一步提高企业的竞争 能力。 1 4 本文研究的内容及意义 1 4 1 本文的研究内容 本文的研究内容是浙江省科技厅“面向产品创新的数字化工业设计平台开发及 在气钉枪产品开发中的应用 项目中的一部分，本文从气钉枪的工业设计流程入 手，结合计算辅助技术，阐述工业设计理念，进而开发相应的设计软件，其研究 的主要内容如下： 1 、对气钉枪工业设计流程进行分析，阐述其中存在的问题。根据设计流程、气钉 枪工业设计特点以及产品结构树，分析具体的设计过程及各阶段设计原理，提出 7 浙江工业大学硕士学位论文 基于配置的自底向上( b o s o m u p ) 的气钉枪工业设计。 2 、根据气钉枪产品计算机辅助工业设计的特点，分析其需求，并结合基于配置 的自底向上( b o r o m u p ) 的工业设计方法，研究其系统技术路线、系统组成、逻 辑结构及数据库设计。 3 、从软件设计的角度，研究气钉枪产品计算机辅助工业设计中各模块的设计原理 及相关技术，并建立各模块实现流程。 4 、对气钉枪的计算机辅助工业设计模块进行系统原型实现，并通过设计实例来阐 述模块功能。 1 4 2 本文的研究意义 开展气钉枪产品计算机辅助工业设计技术的研究，对提高产品的设计效率以及 产品质量具有重要的意义。 1 、本文研究内容是省科技厅项目“面向产品创新的数字化工业设计平台开发 及在气钉枪产品开发中的应用 的重要组成部分，是项目的基础。通过研究开发 出的系统平台能有效地支持整个数字工业化设计项目。 2 、创新及灵感是人类思维区别于计算机系统的根本，本系统平台能帮助工业 设计人员充分发挥自己的创造能力，使创新变成最后产品的有力支撑工具。产品 的创新设计由工业设计创意设计支持系统支撑，而创意设计支持系统是根据设计 定位所形成的产品概念基础上，综合考虑了材料、结构、工艺、价值工程等因素 后，由设计师发挥创造性，最终形成产品形态塑造的工作平台。这一过程是工业 设计的核心过程，包括了以布局、形状和使用方式创新为主的概念创新过程，本 系统平台将提供一些常用的创意设计工具和产品方案的实时展示平台工具。设计 师可根据自己经验和实际需求，选择不同的创新工具进行产品创新。 本系统主要解决两大类问题：一方面是如何为设计师提供创意的来源；另一方 面是如何帮助设计师快速的表现设计创意。传统的表现手法受设计师自身表现技 法的影响很大，一个好的形态创意不一定能被准确地表现出来，而且传统的表现 手法对于企业内部参与设计决策的非设计专业人员来说是比较难以理解的，这就 造成了创意与表现脱节，导致决策的不准确性等问题。另外由于方案创意设计包 浙江工业大学硕士学位论文 括：草图、创意评审、初步方案效果图、设计初审、三维建模校验、设计评审、 正式方案图等阶段，如何有效地衔接这些阶段，如何最大程度地利用前期的工作 和知识，如何提高设计效率，成为创新设计的瓶颈，而在计算机辅助技术的支持 下，本系统能够大大改善方案设计的准确性、有效性、一致性及高效性。 9 浙江工业大学硕士学位论文 第二章气钉枪产品设计概述 2 1 气钉枪的结构组成、分类及工作过程 2 1 1 气钉枪分类 随着科技的发展和技术的成熟，市面上的气钉枪样式可谓五花八门，不仅美观 新颖，而且用途也越来越广，广泛应用于装潢装修、家具制造、木质包装、制鞋 以及建筑等。 根据枪钉的形状和功用不同，气钉枪大致可分为以下几种： 1 、直钉枪 直钉枪的枪身图样以及枪钉形状如图2 1 所示，该钉枪适用于装潢装修业、 家具制造业、木质包装业等行业。 2 、斜钉枪 斜钉枪的枪身图样以及枪钉形状如图2 2 所示，该钉枪广泛应用于建筑、 大型框架、托盘、木质包装箱、家具、木结构房屋等木材与木材之间的连接。 剐k l 薹弦 撵| | | 。蜘 图2 - 1 直钉枪x a g d 5 0 图2 - 2 斜钉枪x u k c 3 4 9 0 3 、码钉枪 码钉枪的枪身图样以及枪钉形状如图2 3 所示，该钉枪广泛应用于装潢业、 家具制造业、制鞋业等。 4 、卷钉枪 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 卷钉枪的枪身图样以及枪钉形状如图2 4 所示，该钉枪用于木结构房屋屋 顶的油毡钉钉、木包装箱制作、家具和沙发的制作、装潢等。 ， 1 ，晰i 1 3 m m 卜0 3 9 4 ”j 1 1 12 m m ( 04 4 ”) 12 m m 06 r a m 00 4 7 ”) f 00 2 4 ” g u a g e2 0 图2 - 3 码钉枪p e g d l 0 1 3 j图2 4 卷钉枪x r k c 7 0 5 、地板枪 地板枪的枪身图样以及枪钉形状如图2 5 所示，该钉枪主要用于木质地板 装潢。 6 、钢钉枪 钢钉枪的枪身图样以及枪钉形状如图2 - 6 所示，该钉枪适用于建筑，装修， 家具制造以及包装行业，木头与水泥，砖头等的打钉装拼作业。 ) 芹 f 4 ，2 t ，3 8 m m _ l ， f 5 0 m m g a l 6 厂 茅 t ； 1 1 2 ” i 3 8 m ” j ； b “ 5 0 m m g a l 55 g t 5 0 32 m m 3 0 r a m 0 1 3 ”1 0 1 1 8 。 图2 - 5 地板枪0 6 a 6 1 8图2 - 6 钢钉枪p g g d g t 5 0 a 7 、蚊钉枪 蚊钉枪的枪身图样以及枪钉形状如图2 7 所示，该钉枪适用于装潢业，家 具制造业，制鞋业等。 图2 7 蚊钉枪p d g d 6 2 5 1 0 m m 一1 2 m n l ( 1 5 1 3 2 。 一1 5 m n 彳1 9 3 2 一1 8 n w 惶曩3 。” 一峭”) 婴r嚣荨r 卉=9 l l 裟滁黧 一=i=：“iut 瞄 m 驴产翟 v一0 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 2 气钉枪结构组成 基于气钉枪的功能结构特点划分气钉枪的产品结构模块，气钉枪由上铝盖组 件、枪体组件、保险组件、枪夹组件、开关组件、进气盖组件等六大部分组成， 其产品结构树如下图2 - 8 所示【5 5 】： 气钉枪 l 上枪保 枪 开 进 铝体险夹关 气 盖组组 组组盖 组 件件件件组 件件 jil 上平 枪枪汽扳曲枪推枪 铝 衡 针 体 缸 机杆嘴钉夹 盖 阀组组组组组块 组件件件件件组 件件 lll 皿 0 枪活 。 汽 。 衡 型针 塞型缸型 阀 密 密密 封封 封 圈 圈圈 图2 8 气钉枪产品结构树 六大组件( 如图2 - 9 所示) 的主要结构形式如下： ( 1 ) 枪体组件：按外观形状和客户对象的不同可分为美式枪体、美式c h 枪 体、宏款枪体、c f 枪体、刘哥枪体、啄木鸟枪体等。 ( 2 ) 上铝盖组件：按排气的不同可分为固定式和旋转排气； ( 3 ) 枪夹组件：大多采用铝合金内外枪夹，塑料枪夹也逐渐采用；一般枪夹 装钉量为1 0 0 枚； ( 4 ) 曲杆( 保险组件) ：从结构形式上可分为包式曲杆和杆式；从打钉深度是 否可以调整分为可调式和不可调； 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 联接。 ( 5 ) 开关组件：击发模式可分为连发、半单发和全单发； ( 6 ) 进气盖组件：按客户要求可安装滤网，结构形式为整体螺纹联接和螺钉 保 枪夹 枪体 图2 - 9 气钉枪产品六大组件二维示意图 气钉枪内部具体结构如2 1 0 所示。 排气 平衡 活塞 阻尼 顶针 缓冲 枪嘴 图2 1 0 气动钉枪内部结构简图 2 1 3 气钉枪工作原理及工作过程分析 上铝盖 气嘴 手柄 小气道 四边形气道 枪夹 扳机 气缸 气钉枪是利用空压机提供动力，空气进入枪里先是保持枪体内的平衡，扣动扳 机后利用空气压力的不平衡提供动力。动力带动撞针，撞针打击枪钉，最后打出 浙江工业大学硕士学位论文 钉子射入需连接 的物体，以达到连刳 接固定的目的。 气钉枪具体 工作过程如下： 根据流场中 的气流运动情况， 将气动钉枪整个 工作过程分为储 气、打钉进程、回 程三个阶段。 团 图2 1 l 储气阶段 o 犁密封圈 大气压气体流场 讲气 1 、储气阶段( 如图2 11 所示) 首先气钉枪装有弹簧的枪夹推钉块将钉子推至枪嘴，空压机压缩空气。 2 、打钉进程阶段( 如图2 1 2 所示) 扳动扳机后，高压气体进入气缸，压力作用到活塞，从而推动枪针至枪嘴。 枪针射出排钉中的一颗钉子，钉入木头。 平衡阀 向上移动 活塞 阻尼孔 顶针与枪体间隙 有气体泄漏而出 图2 1 2 打钉进程阶段 囹高压气体 搿v 搿 霾鬻。7o 型密封圈 l 滋压缩气体流场 气嘴进气 小气道 压力降低 机阀杆 上移动 3 、回程阶段( 如图2 1 3 所示) 松开扳机，开关关闭。部分原来推动活塞的空气使活塞归位，并从枪嘴排 浙江工业大学硕士学位论文 出。剩余空气则从排气盖排出。枪针露在枪嘴外，下一颗钉子被推入枪嘴。 排气罩打开 活塞上部气体排 内缸上部流场 内缸下部流场 外缸气体经过通 气槽进入内缸 图2 1 3 回程阶段 2 2 气钉枪工业设计特点 圈高压气体 i 戆0 型密封圈 臻瓣 震压缩气体流场一 。压缩气体流场二 进气 体间隙 漏而出 气钉枪生产的最大特点是：业务流量大，产品规格型号多，产品的市场竞争 激烈，产品更新快，产品的生命周期变短，企业基本属于按订单生产。气钉枪产 品工业设计的主要特点是结构复杂、造型和安全要求高、设计周期短。目前气钉 枪产品大部分是d i y 产品，在功能上以继承为主，在外观造型上往往十分重视。 在气钉枪的产品工业设计中，不是所有零部件都需要再设计的，比如汽缸等，只 要它们能满足功能上的需求，一般不会做调整的，这类的零部件属于标准件一类。 气钉枪的产品工业设计主要是针对那些非标准件，比如枪体等，这类零部件是决 定气钉枪产品造型风格的主要因素。其三维模型图如图2 1 4 所示。由图2 8 将气 钉枪进行标准及非标准件分划，形成如图2 1 5 所示的产品设计结构树。产品结构 树如图2 1 5 所示。因此在气钉枪的产品工业设计前期设计阶段，可以采用基于配 置的自底向上( b o t t o m u p ) 的工业设计方法【2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 4 , 2 5 】，也就是从零件到装配体 的设计，从配置设计开始，将一些满足功能的标准件匹配并组装在一起，再根据 标准零部件来设计跟外观造型有关的非标准零部件，最后形成装配体。 浙江工业大学硕士学位论文 图2 1 4 气钉枪产品结构的三维模型图 图2 - 1 5 气钉枪产品设计结构图 设计气钉枪产品，除了产品使用功能方面的设计要求以外，由于其产品直接面 向用户，左右用户购买，影响用户的使用，因此在设计中必须从视觉、触觉和宜 人性等方面考虑用户的感受，不仅要从材料、色彩、形态等方面的设计来构成最 终为用户所接受和喜爱的产品，更重要的是把以人为本做为工业设计的核心思想。 国外先进水平气钉枪产品均开发了一批采用人体工程学设计的产品，产品外形美 浙江工业大学硕士学位论文 观，操作时振动小，操作舒适，低疲劳，避免长期手持操作而产生腕管综合症等。 2 3 气钉枪工业设计流程 产品开发包括产品战略、市场调查、产品计划、设计开发、技术设计、生产和 流通等阶段【2 6 1 。产品开发可以分三大类： l 、全新产品开发：采用新原理开发的产品，它主要根据新理论、新技术、新 专利等研究成果研制而成。新产品的诞生都是某种科学技术的新创造和新发明， 从完全新产品的概念形成理论到实践，从实验室试制到大批量生产需要大量人力、 物力、财力，且时间周期很长，因而不是一般企业能够胜任的。 2 、换代产品开发：换代产品是指设计原理基本不变，部分采用新技术、新结 构或新材料，从而使产品的功能、性能或经济指标有显著改变的产品。 3 、变型产品开发：变型产品是指采用技术措施改进老产品，使其性能、外观、 式样等有一定改变的产品。变型产品可以是基型派生出来的，也可以在原有变型 的基础上派生出来的。变型产品多是客户个性订单或企业技术进步的结果，它的 设计制造在新产品开发中占有很大的份额。 工业设计的主要工作是在产品战略、市场调查、产品计划和设计开发阶段，但 贯穿整个开发过程。传统的产品工业设计细化后可分为六个阶段【2 7 】：设计策划 阶段、构思草图阶段、方案发展阶段、模型制作阶段、方案评价阶段、详细设计 阶段。其流程如图2 1 6 所示【2 8 】。 1 7 浙江工业大学硕士学位论文 提出课题 上 市场调研 设 上 计 策 调查分析 划 上 阶 段 收集设计资料 上 产品设计策划 r j r构 7 i 倒心阪1 = i 早图 思 上 草 图 筛选设计方案 阶 上 1，段 具体细部设计 上 i 绘制产品效果图及外形尺寸图i 、 上 模型制作 上 分析评价 否 是 绘制工程图 上 后续设计 图2 - 1 6 传统产品工业设计流程图 现阶段大部分企业的气钉枪产品是d r y 产品，这也就决定了其气钉枪产品设 计在功能上以继承为主，辅以适当创新，同时造型设计在整个设计中的比重会相 应的增加很多。因此大部分气钉枪制造企业的生产经营活动主要围绕变型产品的 开发来组织的 2 9 , 3 0 。面向气钉枪的工业设计大体可以分为两种情况： 1 、仿形工业设计：由于大多数企业基本不具备工业设计能力，产品的开发基 本为客户来样仿型或者改良性设计，整个设计制造的过程，对设计支撑技术要求 相对不高，设计到制造的过程相对比较简单，反复较少，产品可以基本按顺序进 行。 2 、新产品工业设计：新产品的工业设计往往是企业自身发展的需要。此类产 1 8 详细设计阶段 _-_ii_lii_- 方案评价阶段 lii_i-i_ 模型制作阶段 浙江工业大学硕士学位论文 品往往没有样品可供参考，其需要满足特定的要求，如人机、造型等。这就对设 计者有了较高的要求，不仅要求有一定的设计素养，而且要有一定的设计经验。 因此该类设计对技术支持要求较高，设计流程较为复杂。 目前气钉枪产品以及其产品工业设计特点，可将其工业设计流程归纳如下： 图2 - 1 7 气钉枪产品工业设计流程 1 9 设 计 策 划 阶 段 构 思 苴 图 阶 段 方 案 发 展 阶 段 模 型 制 作 阶 段 浙江工业大学硕士学位论文 悸 详 细 设 计 阶 段 图2 1 7 ( 续1 ) 气钉枪产品工业设计流程 ( 1 ) 设计策划阶段 该阶段主要是对气钉枪产品工业设计需求进行分析，并形成产品任务书。需 求的来源可能来自客户的订单，也有可能来源于企业对市场的调研。 ( 2 ) 构思草图阶段 在该阶段本文采用基于配置的自底向上( b o s o m u p ) 的工业设计方法。气 钉枪产品工业设计流程图中的“产品配置设计根据设计要求以及产品结构树， 将符合要求的零部件匹配到产品设计中，其设计主要是针对气钉枪标准件。进入 到概念设计，首先对配置过来的零部件进行布局设计，将零部件组装在一起，初 步实现具有一定装配关系的产品装配体。然后再针对其主要影响气钉枪外观造型 的零部件进行形态设计、色彩设计以及人机设计。概念设计主要是针对非标准件 的设计。 ( 3 ) 方案发展阶段 浙江工业大学硕士学位论文 通过概念设计后，将产生初步的二维模型以及相应标准件的相关参数。根据 这些信息数据，再来进行具体的三维造型设计。 ( 4 ) 模型制作阶段 根据前阶段设计基础上，在c a d 设计软件中实现对产品的三维建模，最后利 用快速原型技术将实物做出来。 ( 5 ) 方案评价阶段 针对实物模型进行评测，并对此进行相关评价。 ( 6 ) 详细设计阶段 该阶段主要是完成最终所有零部件的三维建模以及工艺设计。 根据以上所讨论的结果，采用基于配置的自底向上方法的气钉枪工业设计， 首先要分析的气钉枪产品工业设计的需求，随后根据其需求来配置产品，完成对 产品标准零部件以及产品结构的设计；将配置好的产品零部件通过空间排布以及 尺度变换等手段来重新布局分配，并以此为基础进行气钉枪的创意设计，包括对 形态与色彩、人机等要素进行设计，最后通过三维造型方法，完成具体的设计工 作。 2 l 浙江工业大学硕士学位论文 第三章气钉枪的计算机辅助工业设计框架系统分析 3 1 面向d i y 的气钉枪产品的计算机辅助工业设计技术 产品工业设计可分为需求分析、概念设计、详细设计三个阶段( 如图3 1 ) 。产 品概念设计是设计过程的初始阶段，其目标是获得产品的基本形式或形状【3 。广 义上的概念设计是指从产品的需求分析之后，到详细设计之前这一阶段的设计过 程。完整意义上的概念设计包含了工程设计与工业设计两个阶段，工程设计指产 品设计的创造性设计思维阶段，目的至于求得满足功能需求的原理解，即产品的 功能设计、原理设计以及初步的结构设计。工业设计则是在功能、原理基本确定 的情况下，考虑产品结构，人机工程、形态、色彩、制造以及成本等因素在内的 产品外观造型的设计，即布局设计、形态设计、色彩设计与人机设计【3 2 】。这几个 部分虽存在一定的阶段性和相互独立性，但在实际的设计过程中，由于设计类型 的不同，往往具有侧重性，而且相互依赖，相互影响。 图3 - 1 产品工业设计定义 气钉枪的产品设计区别于一般产品的设计，这也是由气钉枪的产品特点决定 的。目前气钉枪大部分是d i y 产品，其产品的功能原理基本上相似，因此在功能 设计、原理设计、结构设计上，往往以继承为主。同时从现有的国内气钉枪行业 出口情况来看，从视觉、触觉和宜人性等方面考虑用户感受，从材料、色彩、形 浙江工业大学硕士学位论文 态等方面的设计来构成最终为用户所接受和喜爱的具有高附加值的工具产品，将 是未来行业发展的重要方向。由此可见，在气钉枪工业设计过程中的侧重点是不 同，气钉枪的外观造型设计将占很大一部分，同时我们还应看到产品概念设计作 为设计过程的早期阶段，其核心就在于产品创新。一旦概念设计被确定，产品设 计的6 0 7 0 也就确定了，而概念设计阶段所花费的成本和时间在总的开发成本和 设计周期中占的比例通常都在6 0 以下，并且很难或不能在详细设计阶段纠正产 品设计的缺吲3 3 1 。因此产品概念设计质量与效率不仅对产品的创新性、功能的合 理性、使用的宜人性和外观造型的美观性等起着决定性的作用，同时也直接影响 到整个产品的开发周期、上市时间、生产成本等重要因素。 综合以上的考虑，本文将结合气钉枪的产品结构树( 如图2 1 4 所示) 以及产 品工业设计流程图( 如图2 1 8 所示) ，重点对气钉枪产品