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產品工程技術設計和工業設計的銜接分析

時間:2020-03-24 13:24作者:中國鐵建重工集團股份
本文導讀:這是一篇關于產品工程技術設計和工業設計的銜接分析的文章,玻璃鋼材料具有質輕、強度高、機械性能好、耐腐蝕、耐熱性好、造型靈活等優點,在軌道車輛內外飾、風電產品及工程機械產品覆蓋件等領域得到了很好的應用。

  摘    要: 本文分析了地鐵車輛內裝玻璃鋼產品的工業設計與工程設計的銜接過渡問題,對比其造型設計、結構設計與工藝的相適性,提出了在玻璃鋼產品設計過程中,要針對設計銜接問題的有用信息進行輸入與分析,并通過基于工藝的創意構思與建模表現來實現工業設計與工程技術設計的銜接。

  關鍵詞: 玻璃鋼產品; 工業設計; 工程設計;

  0、 引言

  玻璃鋼材料具有質輕、強度高、機械性能好、耐腐蝕、耐熱性好、造型靈活等優點,在軌道車輛內外飾、風電產品及工程機械產品覆蓋件等領域得到了很好的應用。然而玻璃鋼材料本身易變形,尺寸難把控,以及手工糊制與后加工工藝的缺陷,導致產品的裝配質量常常出現問題,而這不僅僅是產品制造的問題,工業設計階段對工藝的考量,與工程技術設計之間的銜接質量也會影響最終產品的整體品質。一個產品從造型設計到工程設計階段,隱藏了許多工程設計隱憂,當結構工程師克服了這些困難之后,到了模具設計又是更大的考驗,最后到了制造成型階段,唯一能修正的就是借由成型條件的更改來讓產品過關,在這個過程中,越到后面的階段所能修改的越有限;在產品試制階段,通常參與的只有結構與工藝設計人員,很少有工業設計人員參與,若在設計階段就考慮到生產制造的影響要素,在設計一開始就避免大部分問題,可以降低開發的成本和時間。工業設計和工程設計作為產品設計與開發過程中兩個重要過程,二者相輔相成,并行協作,它們之間的關系處理得好壞將直接影響到產品設計的質量和效率。

  1、 設計銜接分析

  1.1、 工業設計與工程技術設計的區別

  首先,工程設計側重于“內”,是高度專業化的純技術性問題,而工業設計側重于“外”,一般指產品的外觀形態,是與人直接接觸或看得見的部分,包括功能上的要求與形式上的要求;其次,工業設計相對工程設計來說是一個感性大于理性的過程,它研究產品與人以及環境的關系,它的最終目的是人,關注人的物質和精神的需求;而工程設計是研究物與物之間的關系,幾乎是一個十分理性的設計過程;最后,工程設計師與工業設計師知識結構與思維方式不同,工程設計師必須具備較強的結構、機械知識,以收斂性思維思考問題,而工業設計師必須具備較強的想象力,以發散性思維思考問題。

  1.2 、銜接的重要性

  在現代產品開發過程中,工業設計與工程設計已成為兩個不能分割、相互影響的過程,工業設計以工程設計為基礎和實現手段,工程設計通過產品造型設計更好地滿足人們的需求,加強兩個過程的聯系與交流非常有助于產品的開發,若不能處理好二者的銜接問題,可能會產生諸多后果,如導致造型設計與工程設計脫節,延長產品開發周期而增加了成本;或產生效果圖的“欺騙性”而影響產品質量等等。
 

產品工程技術設計和工業設計的銜接分析
 

  以下通過對地鐵客室內裝玻璃鋼產品———鄭州線、無錫線、昆明線三種不同造型的門立柱罩與座椅設計,見圖1進行分析,探討其工業設計與工程設計的銜接過渡問題,對比其造型設計、結構設計與工藝的相適性。

  根據玻璃鋼產品的剛性不足、易變形以及手工制作的缺陷,將從門立柱罩與座椅的配裝的三個常見問題點出發進行分析,見圖2。

  圖1 三種不同造型的門立柱罩與座椅設計
圖1 三種不同造型的門立柱罩與座椅設計

  圖2 門立柱罩與座椅的配裝
圖2 門立柱罩與座椅的配裝

  1.2.1、 門立柱罩分型縫

  結構上一般將門立柱罩進行分型,設計成兩部分插接,便于檢修。門立柱罩造型面主要有平面和曲面兩種,而分型方式主要有中間分和側面分,鄭州線門立柱罩屬于曲面造型中間分型,無錫線屬于曲面造型側面分型,而昆明線屬于平面造型中間分型。從審美角度看,曲面型的門立柱罩較平面的美觀,但根據產品制作與實際裝配經驗,平面造型中間分型的昆明線門立柱罩分型縫較其它兩種裝配品質有明顯優勢。因平板可通過機加工切割出很好的直線,這也是昆明線門立柱罩的接縫品質較高的原因;無錫線的門立柱罩是比較復雜的曲面造型,為了不破壞產品的整體美觀,結構設計將分型縫設計在了側面,因此需在產品側面手工切割出一條曲線與另一曲線(模具保證)相匹配,難度較大,從現場裝配效果來看,幾乎找不到縫隙均勻的產品;鄭州線的門立柱罩是中間分型,但其造型面為曲面,此處曲面上切割的直邊是以側面(平面)為基準,借助機加工來保證的,因此與模具保證的另一直邊配合效果較無錫線的要好。

  1.2.2 門立柱罩與座椅端板的配合

  鄭州線座椅端板與門立柱罩外側相貼合,且貼合面為曲面,見圖3,而玻璃鋼本身的特性以及工藝的局限性通常導致兩個產品的曲率無法完全匹配,因此在座椅端板上粘貼了橡膠條以彌補與門立柱貼合時的縫隙不均。然而橡膠容易粘灰變臟且視覺上與玻璃鋼材料的油漆產生兩種截然不同的效果,并且橡膠的端面常出現裁剪不均,因此對整體外觀效果有一定影響,也降低了產品的品質。

  昆明座椅端板位置設計在了門立柱罩的內側,避免了與其產生貼合裝配關系,即使端板有不平整缺陷,也將其隱藏在了內部;而無錫線無端板設計,座椅直接嵌于兩門立柱之間,用扶手直接充當端板。這兩種設計都很好的隱藏了玻璃鋼產品的缺點,而又沒有損失產品的整體美觀。

  圖3 座椅端板與門立柱罩配裝
圖3 座椅端板與門立柱罩配裝

  1.2.3、 扶手與座椅端板的連接

  扶手桿與座椅端板采用插接,連接處采用橡膠圈進行過渡。鄭州線座椅的橡膠圈是沉于圓孔內,與端板上表面平齊,但端板上圓孔是手工加工,品質較難保證,嵌入其中的橡膠圈外表面打磨又不夠平整,雙重誤差導致整體裝配效果不佳,并且在人顯而易見之處,極大的影響了外觀品質;而昆明線的橡膠圈通過搭接的方式與端板連接,很好的將圓孔缺陷掩蓋住,此細節設計很好的協調了玻璃鋼、橡膠、金屬材料之間裝配關系,提升了整體外觀品質。

  通過對鄭州線、無錫線、昆明線三種門立柱罩與座椅端板設計的對比分析,可以看出昆明線的設計總體來說較其余兩種設計要好,緩解了幾種常見的裝配問題,較好地協調了工業設計與工程技術設計的關系。

  2、 設計銜接措施應用

  對于設計銜接問題的解決,一般可以通過設計師適當加強工程技術知識的學習,促進設計師和工程師之間的交流,然后在產品設計程序的各個環節中主動將工業造型與工程技術因素進行協調設計,使二者順利銜接協作。

  2.1、 針對設計銜接問題的有用信息輸入與分析

  設計準備階段實際上是一個設計信息輸入的過程,信息輸入的最大化、準確化是設計銜接順利進行的有力保障。以移動冷庫壓縮機頂蓋設計為例,要求保持原結構內部安裝骨架不變,產品輪廓尺寸不變的基礎上,將產品外罩改型,最終外觀品質與國外某進口注塑產品相當,見圖4,使之擺脫現有玻璃頂蓋的呆板乏味。

  圖4 現有產品與國外產品外觀對比
圖4 現有產品與國外產品外觀對比

  此設計中材料與制造工藝對產品設計的影響很大,注塑成型的產品外觀品質精致,裝配精度高,較復雜的格柵細節可以很好的加工出來,但成本太高,因此最終選定玻璃鋼材料。針對設計銜接問題的有用信息輸入主要是玻璃鋼制造工藝知識的學習。每種不同的工藝都有自身的優缺點,一但工藝方式確定了,設計要做的就要回避這些工藝缺陷,發揮這種工藝的優勢。

  為了得到高質量的玻璃鋼產品,必須在設計產品時充分考慮其結構工藝性,下面就玻璃鋼產品的主要結構特點和與工業設計相關的內容,總結一些保證設計質量、避免材料缺陷的方法。

  拔模斜度適當的脫模斜度可以避免產品頂傷,一般應大于1°,所以做設計時應該盡量避免直筒型腔體形態,倒錐設計更是不行。

  圓角玻璃鋼產品圓角不宜太小,一般R角大于3mm為宜,否則加工不出來;圓角很小的轉折邊在糊制時較容易形成空洞,較大的圓角能更好的保證玻璃鋼產品的制作品質。

  孔孔的形狀應該盡量簡單,玻璃鋼產品的孔基本是通過人工后加工處理,開孔位置要考慮手工加工的可操作性,孔的間距以及開孔位置到成型品邊緣的距離都需考慮;玻璃鋼產品不能開螺紋孔,需通過粘接嵌件來實現。

  玻璃鋼的變形由于材料本身的特性導致玻璃鋼易變形,設計時要盡量避免大塊的平板結構,要合理設置翻邊、凹凸結構,通過造型設計對其進行加強。

  2.2、 基于工藝的創意構思與建模表現

  通過設計準備階段的信息輸入與分析,對這款壓縮機頂蓋的一些相關知識有了一定的了解,在此基礎上進行構思和設計表現就可以在一定程度上保證設計創意的工程可實現性。

  在這個壓縮機頂蓋的設計過程中,通過與結構及工藝人員的溝通,對設計經過反復修改,以保證最后的設計能順利加工而又不損失造型美觀。方案設計分析如下:由于產品尺寸較大,1852×532×2148mm,通過大面積的沉臺設計,豐富整體造型,同時起到對產品加強的作用,此處沉臺的深度考慮到與內部結構件的干涉問題,由20mm調整為10mm,通過涂裝設計來彌補損失的造型效果;格柵設計采用斜坡過渡,增加立體感同時起加強作用,糊制時可將坡度填滿,增加局部厚度以保證強度;因蓋板結構分割為三塊,分別與骨架通過螺栓連接,為了控制每一塊的形變而保證裝配質量,各邊都進行了翻邊設計,圓角為10mm,有利于糊制。

  通過草圖方案初評,確定可以繼續發展的造型創意方案,然后利用三維軟件Rhino進行三維電子模型構建;造型方案的渲染表現盡量減少效果圖的“欺騙性”,通過使用相同的場景或背景色,材質以及渲染相同的角度來控制。通過評審選出最終的造型方案,通過通用數據接口IGES傳輸到工程軟件UG中,方便后續工程設計人員進行各種工程技術設計及分析。

  3、 結束語

  工業設計是面向制造的,好的設計體現最終體現在實實在在的產品上才算成功。首先,對設計所選用的材料及工藝有所了解,基于技術可行性的概念構思尤為重要;在繪制創意草圖時設計要注意適當考慮工程技術的可行性以及制造的成本,盡量避免工程技術完全不可能實現以及天價的創意。其次,進入整體造型詳細設計階段,利用三維軟件建模并渲染出預想效果圖,并處理好與工程師的數據接口問題;造型設計階段最好利用工程軟件構建三維模型,這樣可以在軟件平臺上和工程師保持一致,有利于和工程師的數據交接。工業設計所包含的范圍非常廣泛,產品設計開發所涉及到的人員也是來自各個專業,溝通顯得尤為重要;因此工業設計人員必須參與到設計、生產、裝配等各個環節中來,只有通過大家的共同努力才能圓滿完成產品設計與開發。

  參考文獻

  [1] 胡偉峰.產品設計中工業設計與工程技術設計銜接過程研究[D].長沙:湖南大學,2005.

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