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产品工程技术设计和工业设计的衔接分析

时间:2020-03-24 13:24作者:中国铁建重工集团股份
本文导读:这是一篇关于产品工程技术设计和工业设计的衔接分析的文章,玻璃钢材料具有质轻、强度高、机械性能好、耐腐蚀、耐热性好、造型灵活等优点,在轨道车辆内外饰、风电产品及工程机械产品覆盖件等领域得到了很好的应用。

  摘    要: 本文分析了地铁车辆内装玻璃钢产品的工业设计与工程设计的衔接过渡问题,对比其造型设计、结构设计与工艺的相适性,提出了在玻璃钢产品设计过程中,要针对设计衔接问题的有用信息进行输入与分析,并通过基于工艺的创意构思与建模表现来实现工业设计与工程技术设计的衔接。

  关键词: 玻璃钢产品; 工业设计; 工程设计;

  0、 引言

  玻璃钢材料具有质轻、强度高、机械性能好、耐腐蚀、耐热性好、造型灵活等优点,在轨道车辆内外饰、风电产品及工程机械产品覆盖件等领域得到了很好的应用。然而玻璃钢材料本身易变形,尺寸难把控,以及手工糊制与后加工工艺的缺陷,导致产品的装配质量常常出现问题,而这不仅仅是产品制造的问题,工业设计阶段对工艺的考量,与工程技术设计之间的衔接质量也会影响最终产品的整体品质。一个产品从造型设计到工程设计阶段,隐藏了许多工程设计隐忧,当结构工程师克服了这些困难之后,到了模具设计又是更大的考验,最后到了制造成型阶段,唯一能修正的就是借由成型条件的更改来让产品过关,在这个过程中,越到后面的阶段所能修改的越有限;在产品试制阶段,通常参与的只有结构与工艺设计人员,很少有工业设计人员参与,若在设计阶段就考虑到生产制造的影响要素,在设计一开始就避免大部分问题,可以降低开发的成本和时间。工业设计和工程设计作为产品设计与开发过程中两个重要过程,二者相辅相成,并行协作,它们之间的关系处理得好坏将直接影响到产品设计的质量和效率。

  1、 设计衔接分析

  1.1、 工业设计与工程技术设计的区别

  首先,工程设计侧重于“内”,是高度专业化的纯技术性问题,而工业设计侧重于“外”,一般指产品的外观形态,是与人直接接触或看得见的部分,包括功能上的要求与形式上的要求;其次,工业设计相对工程设计来说是一个感性大于理性的过程,它研究产品与人以及环境的关系,它的最终目的是人,关注人的物质和精神的需求;而工程设计是研究物与物之间的关系,几乎是一个十分理性的设计过程;最后,工程设计师与工业设计师知识结构与思维方式不同,工程设计师必须具备较强的结构、机械知识,以收敛性思维思考问题,而工业设计师必须具备较强的想象力,以发散性思维思考问题。

  1.2 、衔接的重要性

  在现代产品开发过程中,工业设计与工程设计已成为两个不能分割、相互影响的过程,工业设计以工程设计为基础和实现手段,工程设计通过产品造型设计更好地满足人们的需求,加强两个过程的联系与交流非常有助于产品的开发,若不能处理好二者的衔接问题,可能会产生诸多后果,如导致造型设计与工程设计脱节,延长产品开发周期而增加了成本;或产生效果图的“欺骗性”而影响产品质量等等。
 

产品工程技术设计和工业设计的衔接分析
 

  以下通过对地铁客室内装玻璃钢产品———郑州线、无锡线、昆明线三种不同造型的门立柱罩与座椅设计,见图1进行分析,探讨其工业设计与工程设计的衔接过渡问题,对比其造型设计、结构设计与工艺的相适性。

  根据玻璃钢产品的刚性不足、易变形以及手工制作的缺陷,将从门立柱罩与座椅的配装的三个常见问题点出发进行分析,见图2。

  图1 三种不同造型的门立柱罩与座椅设计
图1 三种不同造型的门立柱罩与座椅设计

  图2 门立柱罩与座椅的配装
图2 门立柱罩与座椅的配装

  1.2.1、 门立柱罩分型缝

  结构上一般将门立柱罩进行分型,设计成两部分插接,便于检修。门立柱罩造型面主要有平面和曲面两种,而分型方式主要有中间分和侧面分,郑州线门立柱罩属于曲面造型中间分型,无锡线属于曲面造型侧面分型,而昆明线属于平面造型中间分型。从审美角度看,曲面型的门立柱罩较平面的美观,但根据产品制作与实际装配经验,平面造型中间分型的昆明线门立柱罩分型缝较其它两种装配品质有明显优势。因平板可通过机加工切割出很好的直线,这也是昆明线门立柱罩的接缝品质较高的原因;无锡线的门立柱罩是比较复杂的曲面造型,为了不破坏产品的整体美观,结构设计将分型缝设计在了侧面,因此需在产品侧面手工切割出一条曲线与另一曲线(模具保证)相匹配,难度较大,从现场装配效果来看,几乎找不到缝隙均匀的产品;郑州线的门立柱罩是中间分型,但其造型面为曲面,此处曲面上切割的直边是以侧面(平面)为基准,借助机加工来保证的,因此与模具保证的另一直边配合效果较无锡线的要好。

  1.2.2 门立柱罩与座椅端板的配合

  郑州线座椅端板与门立柱罩外侧相贴合,且贴合面为曲面,见图3,而玻璃钢本身的特性以及工艺的局限性通常导致两个产品的曲率无法完全匹配,因此在座椅端板上粘贴了橡胶条以弥补与门立柱贴合时的缝隙不均。然而橡胶容易粘灰变脏且视觉上与玻璃钢材料的油漆产生两种截然不同的效果,并且橡胶的端面常出现裁剪不均,因此对整体外观效果有一定影响,也降低了产品的品质。

  昆明座椅端板位置设计在了门立柱罩的内侧,避免了与其产生贴合装配关系,即使端板有不平整缺陷,也将其隐藏在了内部;而无锡线无端板设计,座椅直接嵌于两门立柱之间,用扶手直接充当端板。这两种设计都很好的隐藏了玻璃钢产品的缺点,而又没有损失产品的整体美观。

  图3 座椅端板与门立柱罩配装
图3 座椅端板与门立柱罩配装

  1.2.3、 扶手与座椅端板的连接

  扶手杆与座椅端板采用插接,连接处采用橡胶圈进行过渡。郑州线座椅的橡胶圈是沉于圆孔内,与端板上表面平齐,但端板上圆孔是手工加工,品质较难保证,嵌入其中的橡胶圈外表面打磨又不够平整,双重误差导致整体装配效果不佳,并且在人显而易见之处,极大的影响了外观品质;而昆明线的橡胶圈通过搭接的方式与端板连接,很好的将圆孔缺陷掩盖住,此细节设计很好的协调了玻璃钢、橡胶、金属材料之间装配关系,提升了整体外观品质。

  通过对郑州线、无锡线、昆明线三种门立柱罩与座椅端板设计的对比分析,可以看出昆明线的设计总体来说较其余两种设计要好,缓解了几种常见的装配问题,较好地协调了工业设计与工程技术设计的关系。

  2、 设计衔接措施应用

  对于设计衔接问题的解决,一般可以通过设计师适当加强工程技术知识的学习,促进设计师和工程师之间的交流,然后在产品设计程序的各个环节中主动将工业造型与工程技术因素进行协调设计,使二者顺利衔接协作。

  2.1、 针对设计衔接问题的有用信息输入与分析

  设计准备阶段实际上是一个设计信息输入的过程,信息输入的最大化、准确化是设计衔接顺利进行的有力保障。以移动冷库压缩机顶盖设计为例,要求保持原结构内部安装骨架不变,产品轮廓尺寸不变的基础上,将产品外罩改型,最终外观品质与国外某进口注塑产品相当,见图4,使之摆脱现有玻璃顶盖的呆板乏味。

  图4 现有产品与国外产品外观对比
图4 现有产品与国外产品外观对比

  此设计中材料与制造工艺对产品设计的影响很大,注塑成型的产品外观品质精致,装配精度高,较复杂的格栅细节可以很好的加工出来,但成本太高,因此最终选定玻璃钢材料。针对设计衔接问题的有用信息输入主要是玻璃钢制造工艺知识的学习。每种不同的工艺都有自身的优缺点,一但工艺方式确定了,设计要做的就要回避这些工艺缺陷,发挥这种工艺的优势。

  为了得到高质量的玻璃钢产品,必须在设计产品时充分考虑其结构工艺性,下面就玻璃钢产品的主要结构特点和与工业设计相关的内容,总结一些保证设计质量、避免材料缺陷的方法。

  拔模斜度适当的脱模斜度可以避免产品顶伤,一般应大于1°,所以做设计时应该尽量避免直筒型腔体形态,倒锥设计更是不行。

  圆角玻璃钢产品圆角不宜太小,一般R角大于3mm为宜,否则加工不出来;圆角很小的转折边在糊制时较容易形成空洞,较大的圆角能更好的保证玻璃钢产品的制作品质。

  孔孔的形状应该尽量简单,玻璃钢产品的孔基本是通过人工后加工处理,开孔位置要考虑手工加工的可操作性,孔的间距以及开孔位置到成型品边缘的距离都需考虑;玻璃钢产品不能开螺纹孔,需通过粘接嵌件来实现。

  玻璃钢的变形由于材料本身的特性导致玻璃钢易变形,设计时要尽量避免大块的平板结构,要合理设置翻边、凹凸结构,通过造型设计对其进行加强。

  2.2、 基于工艺的创意构思与建模表现

  通过设计准备阶段的信息输入与分析,对这款压缩机顶盖的一些相关知识有了一定的了解,在此基础上进行构思和设计表现就可以在一定程度上保证设计创意的工程可实现性。

  在这个压缩机顶盖的设计过程中,通过与结构及工艺人员的沟通,对设计经过反复修改,以保证最后的设计能顺利加工而又不损失造型美观。方案设计分析如下:由于产品尺寸较大,1852×532×2148mm,通过大面积的沉台设计,丰富整体造型,同时起到对产品加强的作用,此处沉台的深度考虑到与内部结构件的干涉问题,由20mm调整为10mm,通过涂装设计来弥补损失的造型效果;格栅设计采用斜坡过渡,增加立体感同时起加强作用,糊制时可将坡度填满,增加局部厚度以保证强度;因盖板结构分割为三块,分别与骨架通过螺栓连接,为了控制每一块的形变而保证装配质量,各边都进行了翻边设计,圆角为10mm,有利于糊制。

  通过草图方案初评,确定可以继续发展的造型创意方案,然后利用三维软件Rhino进行三维电子模型构建;造型方案的渲染表现尽量减少效果图的“欺骗性”,通过使用相同的场景或背景色,材质以及渲染相同的角度来控制。通过评审选出最终的造型方案,通过通用数据接口IGES传输到工程软件UG中,方便后续工程设计人员进行各种工程技术设计及分析。

  3、 结束语

  工业设计是面向制造的,好的设计体现最终体现在实实在在的产品上才算成功。首先,对设计所选用的材料及工艺有所了解,基于技术可行性的概念构思尤为重要;在绘制创意草图时设计要注意适当考虑工程技术的可行性以及制造的成本,尽量避免工程技术完全不可能实现以及天价的创意。其次,进入整体造型详细设计阶段,利用三维软件建模并渲染出预想效果图,并处理好与工程师的数据接口问题;造型设计阶段最好利用工程软件构建三维模型,这样可以在软件平台上和工程师保持一致,有利于和工程师的数据交接。工业设计所包含的范围非常广泛,产品设计开发所涉及到的人员也是来自各个专业,沟通显得尤为重要;因此工业设计人员必须参与到设计、生产、装配等各个环节中来,只有通过大家的共同努力才能圆满完成产品设计与开发。

  参考文献

  [1] 胡伟峰.产品设计中工业设计与工程技术设计衔接过程研究[D].长沙:湖南大学,2005.

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