第1章計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)概述工業(yè)設(shè)計(jì)的概念產(chǎn)品設(shè)計(jì)的流程產(chǎn)品設(shè)計(jì)的思維與方法計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)的概念和特點(diǎn)計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)的歷史與現(xiàn)狀計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)的影響1.11.21.31.41.51.61.71.1工業(yè)設(shè)計(jì)的概念

自1919年美國設(shè)計(jì)師西奈爾首次確立“工業(yè)設(shè)計(jì)”一詞開始，現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)便有了迅猛的發(fā)展。1964年，國際工業(yè)設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)聯(lián)合會(huì)（InternationalCouncilofSocietiesofIndustrialDesign，ICSID）將工業(yè)設(shè)計(jì)的定義闡述為：“工業(yè)設(shè)計(jì)是一種創(chuàng)造性活動(dòng)，它的目的是決定工業(yè)產(chǎn)品的造型質(zhì)量，這些質(zhì)量不但是外部特征，而且主要是結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系，它從生產(chǎn)者和使用者的觀點(diǎn)把一個(gè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B貫的統(tǒng)一。工業(yè)設(shè)計(jì)擴(kuò)大到包括人類環(huán)境的一切方面，僅受工業(yè)生產(chǎn)可能性的限制”。1980年，ICSID對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)的定義做出了如下修正：“就批量生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品而言，憑借訓(xùn)練、技術(shù)知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)及視覺感受，而賦予材料、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、色彩、表面加工及裝飾性的品質(zhì)和資格，叫做工業(yè)設(shè)計(jì)”。從廣義上講，工業(yè)設(shè)計(jì)是一門多學(xué)科有機(jī)融合的邊緣學(xué)科，它涵蓋科學(xué)、藝術(shù)、環(huán)境、技術(shù)、材料、工藝、心理、創(chuàng)造發(fā)明、人機(jī)工程學(xué)、美學(xué)等各個(gè)方面，將研究重點(diǎn)放在“人—產(chǎn)品—環(huán)境”三者的關(guān)系上。只要是以批量化大生產(chǎn)方式加工出的產(chǎn)品，都屬于工業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)對(duì)象。但從實(shí)用和狹義角度來看，工業(yè)設(shè)計(jì)是以立體的工業(yè)產(chǎn)品為主要對(duì)象的設(shè)計(jì)，因此有時(shí)工業(yè)設(shè)計(jì)也被稱為產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

2006年ICSID將工業(yè)設(shè)計(jì)最新定義為：“設(shè)計(jì)是一種創(chuàng)造性的活動(dòng)，其目的是為物品、過程、服務(wù)以及它們?cè)谡麄€(gè)生命周期中構(gòu)成的系統(tǒng)建立起多方面的品質(zhì)。因此，設(shè)計(jì)既是創(chuàng)新技術(shù)人性化的重要因素，也是經(jīng)濟(jì)文化交流的關(guān)鍵因素?！睆囊陨隙x可以看出，創(chuàng)造性是工業(yè)設(shè)計(jì)的核心，工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)際上已成為一門集當(dāng)代市場(chǎng)、經(jīng)濟(jì)、文化、藝術(shù)、科學(xué)技術(shù)等多種知識(shí)的交叉科學(xué)，是企業(yè)運(yùn)用設(shè)計(jì)創(chuàng)新開發(fā)產(chǎn)品的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是提高產(chǎn)品附加價(jià)值和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的有效手段，它實(shí)現(xiàn)了將原料的形態(tài)改變?yōu)楦袃r(jià)值的形態(tài)。工業(yè)設(shè)計(jì)師通過對(duì)人生理、心理、生活習(xí)慣等一切關(guān)于人的自然屬性和社會(huì)屬性的認(rèn)知，進(jìn)行產(chǎn)品的功能、性能、形式、價(jià)格、使用環(huán)境的定位，結(jié)合材料、技術(shù)、結(jié)構(gòu)、工藝、形態(tài)、色彩、表面處理、裝飾及成本等因素，從社會(huì)的、經(jīng)濟(jì)的、技術(shù)的角度進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)，在企業(yè)生產(chǎn)管理中保證設(shè)計(jì)質(zhì)量實(shí)現(xiàn)的前提下，使產(chǎn)品既是企業(yè)的產(chǎn)品、市場(chǎng)中的商品，又是消費(fèi)者的用品，達(dá)到顧客需求和企業(yè)效益的完美統(tǒng)一。1.2產(chǎn)品設(shè)計(jì)的流程

產(chǎn)品設(shè)計(jì)是時(shí)代的產(chǎn)物，與時(shí)俱進(jìn)、出新出奇是其最顯著的特點(diǎn)?，F(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)是有計(jì)劃、有步驟、有目標(biāo)、有方向的創(chuàng)造性活動(dòng)，每一個(gè)設(shè)計(jì)過程都是一種解決問題的過程。設(shè)計(jì)的起點(diǎn)是設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)的收集，其過程是各項(xiàng)參數(shù)的分析處理，而歸宿是科學(xué)地、綜合地確定所有的參數(shù)而得出設(shè)計(jì)的內(nèi)容。一般而言，產(chǎn)品設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)調(diào)研、設(shè)計(jì)創(chuàng)意、設(shè)計(jì)深入和設(shè)計(jì)完成4個(gè)階段。

1.2.1設(shè)計(jì)調(diào)研產(chǎn)品設(shè)計(jì)在一開始就需要以周密的市場(chǎng)調(diào)查、市場(chǎng)分析為依據(jù)，這樣才能做到有的放矢。這一階段的設(shè)計(jì)表達(dá)方式主要以PPT報(bào)告的形式呈現(xiàn)，通過視覺化、具體化目標(biāo)群體、使用環(huán)境、產(chǎn)品定位等內(nèi)容，建立起決策層與設(shè)計(jì)師之間的聯(lián)系，使其能夠明確設(shè)計(jì)師的初步意圖。產(chǎn)品設(shè)計(jì)意圖是根據(jù)實(shí)際需求來確定的，所以設(shè)計(jì)師需要明確消費(fèi)者需要什么樣的產(chǎn)品，滿足消費(fèi)者的需求才是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的目的。設(shè)計(jì)調(diào)研則是有效地把握設(shè)計(jì)需求的重要途徑

1.2.2設(shè)計(jì)創(chuàng)意設(shè)計(jì)創(chuàng)意是在確定的設(shè)計(jì)定位的基礎(chǔ)上，用視覺化的符號(hào)方式將符合定位的創(chuàng)意方案表現(xiàn)出來。1.2.3設(shè)計(jì)深入創(chuàng)意方案獲得通過后，需要對(duì)產(chǎn)品做更為深入、細(xì)致地設(shè)計(jì)，保證整體形式的呈現(xiàn)和相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。1.2.4設(shè)計(jì)完成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和整體效果圖為設(shè)計(jì)審核、模具制作、生產(chǎn)加工等部門提供產(chǎn)品最后完成的預(yù)期技術(shù)參考，工程設(shè)計(jì)人員可以依據(jù)這些參考在CAD/CAM軟件中構(gòu)建三維模型，同時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并以這些數(shù)據(jù)為依據(jù)試制產(chǎn)品手板和樣機(jī)。在設(shè)計(jì)概念數(shù)字化、實(shí)體化這一步驟完成后，基本可以得到產(chǎn)品生產(chǎn)后的預(yù)期效果，表現(xiàn)形式通常為三維效果圖、三維實(shí)體模型及工程結(jié)構(gòu)、裝配圖。1.3產(chǎn)品設(shè)計(jì)的思維與方法

恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用創(chuàng)造性思維方法能夠使設(shè)計(jì)者創(chuàng)造出更多更好的方案。方案創(chuàng)造的方法一般有以下幾種。（1）移植。所謂移植，是指把現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用到另外一個(gè)產(chǎn)品中去，或由一個(gè)東西引伸出其他的東西等。所謂“它山之石，可以攻玉”，運(yùn)用移植法可以促進(jìn)事物間的滲透、交叉、綜合。設(shè)計(jì)者可以提問：它像其他的什么東西嗎？它是否暗示了其他的設(shè)想？可以從這個(gè)產(chǎn)品中借鑒什么東西？如圖1-9所示利用了移植的手法，將剪刀的使用方式移植到制雪球產(chǎn)品中。（2）改變。改變?cè)瓉懋a(chǎn)品的某些形狀、色彩、聲音、運(yùn)動(dòng)、氣味等，以產(chǎn)生新的方案。如圖1-10所示，燈具改變了塑料或金屬材料設(shè)計(jì)燈罩，使燈具產(chǎn)生和諧安全的感覺。（3）放大。把現(xiàn)有產(chǎn)品加高、加長、加厚或加大，這都是產(chǎn)生新方案的途徑。能不能增加？能不能夸張？1.3產(chǎn)品設(shè)計(jì)的思維與方法

（4）縮小。能否使現(xiàn)有產(chǎn)品變得更輕、更短、更小，這也是對(duì)產(chǎn)品加以改變的方法?；蛘呤∪ツ承〇|西，把一個(gè)大的產(chǎn)品進(jìn)行分解等。如圖1-12所示，將傳統(tǒng)冰箱體積縮小之后，在辦公室、汽車駕駛室等場(chǎng)所大受歡迎。（5）替代。能否用其他的元素如構(gòu)造、材料、結(jié)構(gòu)、能源、資源等進(jìn)行替換？有沒有其他的東西來代替？如圖1-13所示，將鉛筆用軟性材質(zhì)替代后出現(xiàn)的新產(chǎn)品，使用起來別有一番風(fēng)味。（6）重組。交換產(chǎn)品零件，變換產(chǎn)品次序，調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，改變因果關(guān)系等都是產(chǎn)生新方案的手段。能否將組件重新安排？交換它們之間的位置是否可行？1.3產(chǎn)品設(shè)計(jì)的思維與方法

（7）倒置。倒置是把前后、左右、上下的位置、關(guān)系、順序顛倒后產(chǎn)生新的構(gòu)思。如圖1-15所示，汽車的驅(qū)動(dòng)輪從前輪換成后輪，或再相互轉(zhuǎn)換，可解決不同路況的駕駛問題。（8）拼合。拼合是將不同的單元、不同的功能或不同的結(jié)構(gòu)組合在一起，從而產(chǎn)生新的產(chǎn)品。把不同的構(gòu)思拼合在一起產(chǎn)生新的方案。如圖1-16所示，將充電、音樂播放、擴(kuò)音、攝像等多種功能集于一體，可滿足人們的多種需求。（9）剔除。由于某種新技術(shù)、新材料或新結(jié)構(gòu)的采用，有些零部件（或費(fèi)用）可以剔除，有些不必要的功能也可以剔除。從這個(gè)角度講，它是價(jià)值分析的基本方法之一。1.4計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)的概念與特征

計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)（ComputerAidedIndustrialDesign，CAID）是在計(jì)算機(jī)技術(shù)和工業(yè)設(shè)計(jì)相結(jié)合形成的系統(tǒng)支持下，進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)的各類創(chuàng)造性活動(dòng)。它是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為支柱的信息時(shí)代環(huán)境下的產(chǎn)物，是以信息化、數(shù)字化為特征，計(jì)算機(jī)參與新產(chǎn)品開發(fā)的新型設(shè)計(jì)模式。與傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)相比，計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)（CAID）在設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率等各方面都發(fā)生了質(zhì)的變化，其目的是提高效率，增強(qiáng)設(shè)計(jì)過程及結(jié)果表達(dá)的科學(xué)性、可靠性、完整性，并能積極適應(yīng)日新月異的信息化的生產(chǎn)制造方式。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（Computer-AidedDesignandManufacturing，CAD/CAM），是指利用計(jì)算機(jī)來從事分析、仿真、設(shè)計(jì)、繪圖并擬定生產(chǎn)計(jì)劃、制造程序、控制生產(chǎn)過程，也就是從設(shè)計(jì)到加工生產(chǎn)，全部借助計(jì)算機(jī)的助力，因此CAD/CAM是自動(dòng)化的重要中樞，影響工業(yè)生產(chǎn)力與質(zhì)量。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）的概念是在20世紀(jì)50年代由美國馬薩諸塞理工大學(xué)提出的，目的是讓計(jì)算機(jī)參與設(shè)計(jì)工作，完成設(shè)計(jì)中繁重的邏輯運(yùn)算，提高工作效率，并應(yīng)用于航空航天、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。

由于工業(yè)設(shè)計(jì)是一門綜合性的交叉性學(xué)科，涉及諸多學(xué)科領(lǐng)域，因而計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)（CAID）也涉及CAD技術(shù)、人工智能技術(shù)、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)VR（VirtualReality）、敏捷制造、優(yōu)化技術(shù)、模糊技術(shù)、人機(jī)工程等眾多信息技術(shù)領(lǐng)域。從整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的發(fā)展趨勢(shì)看，并行設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)、智能設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)、敏捷設(shè)計(jì)、全生命周期設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)方法代表了現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式的發(fā)展方向。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式在信息化的基礎(chǔ)上，必然朝著數(shù)字化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展。圖1-1和圖1-2所示為計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方式的改變。1-11-2計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)（CAID）有別于傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)，它有以下一些特點(diǎn)。(1)系統(tǒng)性。工業(yè)設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)本身也是一個(gè)系統(tǒng)。它由中央處理器、存儲(chǔ)器、顯示系統(tǒng)及各種輸入、輸出設(shè)備組成，這些部分都是相互依賴、相互協(xié)調(diào)、共同完成信息處理工作的。系統(tǒng)性是計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)的第一個(gè)重要的特點(diǎn)。(2)邏輯性。計(jì)算機(jī)進(jìn)行的工作是一種邏輯運(yùn)算，任何一個(gè)動(dòng)作都要通過接受指令、高速運(yùn)算來完成。所以，我們?cè)趯W(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)要培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S習(xí)慣。(3)準(zhǔn)確性。計(jì)算機(jī)的工作方式不同于人的工作方式。對(duì)于計(jì)算機(jī)來說，它是一個(gè)不知道疲勞的工作狂，只要操作平臺(tái)和軟件系統(tǒng)正常，它的結(jié)果不會(huì)有半點(diǎn)差錯(cuò)。(4)高效性。計(jì)算機(jī)問世的初衷就是為了減輕人的工作量，提高工作效率。在設(shè)計(jì)中我們經(jīng)常碰到一些問題，諸如要復(fù)制、陣列某一對(duì)象等，對(duì)于這類重復(fù)性的工作，計(jì)算機(jī)瞬間就可完成。隨著網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)工作還可分別由不同的計(jì)算機(jī)完成，這樣的效率是人工所無法比擬的。(5)交互式。計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)其實(shí)是設(shè)計(jì)師與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，相互配合，各取所長，應(yīng)用多學(xué)科的技術(shù)方法綜合有效地解決問題的一種工作方式。在這里，人的判斷、決策、創(chuàng)造能力與計(jì)算機(jī)的高效信息處理技術(shù)得到了充分的結(jié)合。所以，交互式是計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)的主要形式特征。(6)周期性。計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，使計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)的方式和方法也產(chǎn)生了周期性的變化，這使任何先進(jìn)的東西都成了暫時(shí)的、相對(duì)的。我們也隨著這樣快速的步伐不斷更新?lián)Q代，設(shè)計(jì)工作也愈加變得輕松高效。(7)標(biāo)準(zhǔn)化與學(xué)習(xí)的貫通性。隨著計(jì)算機(jī)硬件換代周期越來越短，軟件的開發(fā)速度也是毫不遜色。所有的軟件開發(fā)商每隔一段時(shí)間就會(huì)推出新的版本，有的是局部完善，有的是全面更新，總的來說，軟件的功能是越來越強(qiáng)。我們大可不必為其更新的速度感到無所適從，只要深入掌握了一個(gè)版本后，對(duì)新的版本會(huì)很快掌握和適應(yīng)的。1.5計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)的歷史與現(xiàn)狀

計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)的歷史其實(shí)就是一部計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷史。自從1946年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)以來，人們就一直致力于利用其強(qiáng)大的功能進(jìn)行各種設(shè)計(jì)活動(dòng)。20世紀(jì)50年代美國人成功研制了第一臺(tái)圖形顯示器。20世紀(jì)60年代美國麻省理工學(xué)院的薩瑟蘭（IvanSutherland）在其博士論文中首次論證了計(jì)算機(jī)交互式圖形技術(shù)的一系列原理和機(jī)制，正式提出了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的概念，從而奠定了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)發(fā)展的理論基礎(chǔ)，同時(shí)也為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)開辟了廣泛的應(yīng)用前景。20世紀(jì)80年代以來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)在硬件及軟件方面都產(chǎn)生了巨大的飛躍，計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)也因其快捷、高效、準(zhǔn)確、精密和便于儲(chǔ)存、交流和修改的優(yōu)勢(shì)而廣泛應(yīng)用工業(yè)設(shè)計(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，大大提高了設(shè)計(jì)的效率。1.6計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)的影響計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的發(fā)展與工業(yè)設(shè)計(jì)的關(guān)系是非常廣泛而深刻的。一方面，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用極大地改變了工業(yè)設(shè)計(jì)的技術(shù)手段，改變了工業(yè)設(shè)計(jì)的程序與方法。與此相適應(yīng)，設(shè)計(jì)師的觀念和思維方式也有了很大的轉(zhuǎn)變。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)與生產(chǎn)制造，由于計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)（CAD/CAE/CAM……）的導(dǎo)入與應(yīng)用，使得原來的設(shè)計(jì)流程與方法發(fā)生了結(jié)構(gòu)與觀念上的改變，也影響了產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的趨勢(shì)與風(fēng)格。CAD/CAID技術(shù)的發(fā)展深刻影響著設(shè)計(jì)的流程，現(xiàn)在一款產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、加工到最后的裝配，每一個(gè)環(huán)節(jié)都可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)控制。工業(yè)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易流程示意圖如圖1-20所示。圖1-20

圖1-21所示為以3D建模為基礎(chǔ)開發(fā)的一套產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程。可以發(fā)現(xiàn)，相較于如圖1-27所示的傳統(tǒng)的線性流程，圖1-27是以類似于同步工程（Simultaneousengineering）的平行開發(fā)觀念，來進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的開發(fā)步驟。借助CAID技術(shù)，現(xiàn)代的設(shè)計(jì)開發(fā)與生產(chǎn)制造可進(jìn)行應(yīng)力/應(yīng)變分析、質(zhì)量屬性分析、空間運(yùn)動(dòng)分析、裝配干涉分析、模具設(shè)計(jì)、NC編程及可加工性分析、二維工程圖的自動(dòng)生成、外觀效果、造型效果評(píng)價(jià)等工作。

圖1-21

目前常用的跟工業(yè)設(shè)計(jì)有關(guān)的軟件包括平面設(shè)計(jì)軟件如Photoshop、Illustrator、CorelDRAW等，三維設(shè)計(jì)軟件如Rhinoceros、3dsMax、Cinema

4D、Alias、Pro/E、UG、SolidWorks等。在眾多的三維設(shè)計(jì)軟件中，Rhinoceros以其建模方式簡(jiǎn)便，界面清晰，穩(wěn)定性好，針對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)等特點(diǎn)，受到廣大用戶的好評(píng)。本書將基于Rhino5.0中文版與Keyshot6.0中文版為基礎(chǔ)闡述計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)曲面建模的相關(guān)知識(shí)與技術(shù)。

對(duì)于學(xué)習(xí)工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)的學(xué)生來說，要想從全局的眼光來認(rèn)識(shí)工業(yè)