1.2 计算机辅助工业设计

20世纪80年代以来，由于计算机技术的快速发展和普及，以及因特网的迅猛发展，人类社会进入了一个信息爆炸的新时代。

在科技与文化迅速发展的今天，工业设计得到了前所未有的发展机遇，设计的观念得以转变，设计的手法更是变得多样化，特别是计算机技术的迅猛发展和计算机辅助设计的广泛应用，极大地改变了工业设计的技术手段、程序与方法，使得工业设计师能更方便、更快捷、更透彻地表达自己的设计理念和创意。不断发展改革的计算机辅助设计技术，逐步改变着传统的设计方法。

1.2.1 概念和特点

计算机辅助设计与制造（ComputerAided Design/Manufacturing，CAD/CAM），是指利用计算机来从事分析、仿真、设计、绘图并拟定生产计划、制造程序、控制生产过程，也就是从设计到加工生产，全部借助计算机，因此，CAD/CAM是自动化的重要中枢，影响工业生产力与质量。

计算机辅助设计（CAD）的概念是在20世纪50年代由美国马萨诸塞理工大学提出的，目的是让计算机参与设计工作，完成设计中繁重的逻辑运算，提高工作效率，并应用于航空航天、工业自动化等领域。经过几十年的发展，计算机已成为设计工作中必不可少的工具，CAD/CAM技术使产品的设计制造和组织生产的传统模式产生了深刻的变革，成为产品更新换代的关键技术，被称为产业革命的发动机。在工业发达国家，CAD/CAM己经形成了一个推动各行业技术进步的、具有相当规模的新兴产业部门。因此，CAD/CAM技术已成为反映一个国家工业水平的标志。

计算机辅助工业设计（CAID）是采用计算机进行设计的CAD技术的一种，特别是指能够进行包含设计的系统。普通的CAD工具主要是用来制作产品内部零部件设计图等，而CAID工具的主要着眼点是开发设计全体的形状和外观。CAID装载了面向工业设计的建模功能，以及绘制完整图像的功能等。

由于工业设计是一门综合性的交叉性学科，涉及诸多学科领域，因而，计算机辅助工业设计（CAID）也涉及了CAD技术、人工智能技术、多媒体技术、虚拟现实技术、敏捷制造、优化技术、模糊技术、人机工程等许多信息技术领域。从广义上来讲，CAID是CAD的一个分支，许多CAD领域的方法和技术都可加以借鉴和引用。

CAID以工业设计知识为主体，以计算机和网络等信息技术为辅助工具，实现产品形态、色彩、宜人性设计和美学原则的量化描述，从而设计出更加实用、经济、美观、宜人和创新的新产品，满足不同层次人群的需求。

应用CAD/CAID技术进行产品设计，早已成为设计流程上标准作业的一环，设计师对于其原创的设计理念，并未因作业工具采用计算机化而有所改变，对于构想与创造力输出的质与量甚至有更高效率的提升，并且极大地增进了生产效益。

计算机辅助工业设计（CAID）有别于传统的工业设计，它有以下一些特点：

（1）系统性

工业设计是一个系统，计算机本身也是一个系统，它由中央处理器、存储器、显示系统及各种输入、输出设备组成，这些部分都是相互依赖、相互协调、共同完成信息处理工作的。计算机的软件也是一个系统，无论是系统软件还是应用软件，其自身都有一个非常严密的结构和功能，缺一不可。可以说，操作计算机的一切活动都是在这些系统中完成的。一旦某个环节出现问题，整个工作都会受到影响。所以，系统性是计算机辅助工业设计的第一个重要的特点。

（2）逻辑性

计算机进行的工作是一种逻辑运算，任何一个动作都要通过接受指令、高速运算来完成。逻辑性是计算机工作的本质特征。这促使我们在操作计算机时必须按照严格的顺序一步步操作，不能颠倒、省略，也不能有跳跃性。所以，在学习计算机辅助工业设计时要培养严谨的逻辑思维习惯。

（3）准确性

计算机的工作方式不同于人的工作方式。计算机是一个不知道疲劳的工作狂，只要操作平台和软件系统正常，它的结果不会有半点差错，对于绘图的尺寸都可以精确到小数点后四位。用这样的工具，无疑给设计带来了极强的可靠性，为将来的生产制造创造了必要的条件。

（4）高效性

计算机问世的初衷就是为了减轻人的工作量，提高工作效率。在设计中经常碰到一些问题，诸如要复制、阵列某一对象等，对于这类重复性的工作，计算机瞬间就可完成。原来需要几个月甚至更长时间完成的工作，现在利用计算机在几天甚至几小时内即宣告完成。随着网络的应用，设计工作还可分由不同的计算机完成，这样的效率是人工所无法比拟的。

（5）交互式

计算机辅助工业设计其实是设计师与计算机相结合，相互配合，各取所长，应用多学科的技术方法综合有效地解决问题的一种工作方式。这种方式需要在人—机之间相互交换信息，设计师操作计算机，计算机将运算结果反馈给设计师，设计师做出判断后再把自己的要求传达给计算机……如此循环往复。在这里，人的判断、决策、创造能力与计算机的高效信息处理技术得到了充分的结合。所以，交互式是计算机辅助工业设计的主要形式特征。

（6）周期性

计算机技术的高速发展，使计算机辅助工业设计的方式和方法也产生了周期性的变化，这使任何先进的东西都成了暂时的、相对的。计算机硬件及软件的迅速发展和不断更新，更是缩短了计算机辅助工业设计系统的生命周期。随着这样快速的步伐不断更新换代，设计工作也愈加变得轻松高效。

（7）标准化与学习的贯通性

随着计算机硬件换代周期越来越短，软件的开发速度也是毫不逊色。所有的软件开发商每隔一段时间就会推出新的版本，有的是局部完善，有的是全面更新，总的来说，软件的功能是越来越强。但是，无论其发展速度如何迅速，软件的更新换代总是有继承性的，绝大部分操作习惯和界面布局都保留了下来，新增的功能也有详尽的说明。因此，大可不必为其更新的速度感到无所适从，只要深入掌握了一个版本后，对新的版本会很快掌握和适应的。

这种学习的贯通性还表现在一旦熟练掌握了一个软件，在学习其他软件时就会容易很多，因为计算机的标准化使得大部分软件的一般操作都是类似的。计算机辅助工业设计牵扯许多软件，只要基础学得扎实，能够举一反三，有些软件的学习就能达到无师自通，变得非常轻松。这一点能使我们树立起学习软件的信心。

1.2.2 历史与现状

计算机辅助工业设计的历史其实就是一部计算机技术的发展历史。自从1946年第一台电子计算机出现以来，人们就一直致力于利用其强大的功能进行各种设计活动。20世纪50年代美国人成功研制了第一台图形显示器。60年代美国麻省理工学院的萨瑟兰（Ivan Sutnerland）在其博士论文中首次论证了计算机交互式图形技术的一系列原理和机制，正式提出了计算机图形学的概念，从而奠定了计算机图形技术发展的理论基础，同时也为计算机辅助设计开辟了广泛的应用前景。20世纪80年代以来，随着科学技术的进步，计算机在硬件及软件方面都产生了巨大的飞跃，计算机辅助工业设计也因其快捷、高效、准确、精密和便于存储、交流和修改的优势而广泛应用于工业设计的各个领域，大大提高了设计的效率。

CAID就是利用计算机的精确与快速方便的特性来辅助工业设计师完成产品造型工作的，凡是利用计算机来辅助设计工作的软硬件工具都可称为CAID。CAID相较于CAD的发展较晚，CAID的名称最早出现在1989年发行的Innovation杂志中，立刻引起工业设计者的热烈回应，至此，CAID的理论与应用技术不断得到扩充与发展。

由于计算机辅助工业设计的出现，工业设计的方式发生了根本性的变化，这不仅体现在用计算机来绘制各种设计图，用快速的原型技术来替代油泥模型，或者用虚拟现实来进行产品的仿真演示等，更重要的是建立起一种并行结构的设计系统，将设计、工程分析、制造三位一体优化集成于一个系统，使不同专业的人员能及时相互反馈信息，从而缩短开发周期，并保证设计、制造的高质量。这些变化要求设计师具有更高的整体意识和更多的工程技术知识，而不是仅仅局限于效果图表现。

在计算机等数字输入设备普及以前，所有的产品设计创意过程都是在纸张上展开的，借助湿性和干性介质及绘图工具进行设计表现是最为传统的产品设计表达方式。传统的设计表达方式基本保持在前期设计草图创意阶段，因为传统的表达方式具有工具简单、表现迅速、便于推敲和思维同步等数字技术无法比拟的优点。传统产品表现手法完全是依靠设计师的基本功来表现设计创意。随着CAD/CAID技术的出现，这些逐渐被淘汰，仅保留其中的马克笔或色粉等简单、快速的表现手法来帮助设计师来快速捕捉稍纵即逝的灵感。

数字技术下的产品设计表达方式，一般是将产品模型的形体转化为计算机中的数据，利用这些数据，配合与之配套的软硬件接口构建产品的虚拟模型，预览生产后的效果，模拟机构运动。同时，还能够与生产环节的上下游紧密地结合起来。由于数字化的产品设计空间是虚拟的，因此，对方案的评估与修改比较方便，这样有助于设计师对所设计的产品进行全方位、多角度的调整与把握。在虚拟阶段针对可能出现的生产问题进行解决，也是数字化设计方式的优势之一。

目前，计算机辅助工业设计在硬件上形成了三大主流：

①CAD工作站具有强大的信息处理能力，属于设计的高端设备，价格昂贵。它在20世纪70年代由著名的施乐（Xerox）公司首次推出，并实现了联网工作。现在SGI、SUN、IBM、DEC、HP等公司均已推出了高性能的工程工作站系统。工作站是企业设计、制造的主要硬件系统，与之相配的设计软件也是当今最优秀、最著名的软件，如Alias、Pro/Engineer、Intergraph、I-deas、CATIA等。

②苹果机是平面设计者最喜爱的产品，主要用于平面设计和桌面出版。由于其独具设计品位的操作界面具有较高的专业水准，因此，在出版、印刷界占有大量的份额，独树一帜。但由于其硬件的不兼容性和较高的价格，使得为苹果系统而开发的软件也相对较少。然而，最著名的一些平面设计软件却最早应用于苹果机上，如Photoshop、Freehand、Paiter、Illustrator等。

③PC自从进入了“奔腾”时代，发展速度惊人。由最初的P60到今天更高配置的酷睿系列，其良好的兼容性、低廉的价格和优良的性能，是推动PC迅速普及的三大动力。PC对于个人独立性较强的工业设计师来说无疑是首选。其品种繁多，型号齐全，既可根据自己的工作需要组装兼容机，又可选购服务较好的国内外品牌机，而且升级换代方便易行。PC的软件非常丰富，除了专为PC开发的软件外，许多工作站和苹果机的软件也纷纷移植到了PC上，加上网络、多媒体技术的发展，使PC市场达到了空前的繁荣。

1.2.3 计算机辅助技术对工业设计的影响

计算机辅助技术的发展与工业设计的关系是非常广泛而深刻的。一方面，计算机的应用极大地改变了工业设计的技术手段，改变了工业设计的程序与方法。与此相适应，设计师的观念和思维方式也有了很大的转变。另一方面，以计算机辅助技术为代表的高新技术开辟了工业设计的崭新领域，先进的技术必须与优秀的设计结合起来，才能使技术人性化，真正服务于人类，工业设计对推动高新技术产品的进步起到了不可估量的作用。

CAD/CAID技术的出现使工业设计产生了深刻的变革，CAD/CAID技术已渗透到工业产品设计的每一个环节中。借助CAD/CAM、CAID技术，工业设计正在日益蓬勃地向前发展，以工业设计产业的发展趋势而言，计算机化已是目前设计产业的趋势之一，而三维造型技术是现代工业设计中的主要手段之一。

与传统的工业设计相比，CAID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。传统设计技术及现代科学呈现不断融合的趋势，并对工业设计研究、教育和应用产生深远的影响。设计的工具发生了变化，设计师的工作也发生了变化，使产品设计变得更加人性化，传统工业设计师所需的专业技能，如草图的绘制到精密描绘的产品预想图，已然随着计算机软硬件技术迅速的发展，逐渐被CAD/CAID软件强大的功能所替代。

产品的设计开发与生产制造，因为计算机辅助技术（CAD/CAE/CAM）的导入与应用，使得原来的设计流程与方法发生了结构与观念上的改变，也影响了产品造形设计的趋势与风格。CAD/CAID技术的发展深刻影响着设计的流程，现在一款产品从设计、加工到最后的装配，每一个环节都可以通过计算机进行精准控制。

图1-7所示为工业设计简易流程示意图，图1-8是以3DModeling为基础开发的一套产品设计流程，是以类似于同步工程（Simultaneous Engineering）的平行开发观念，来进行产品设计的开发步骤。借助CAID技术，现代的设计开发与生产制造可进行应力/应变分析、质量属性分析、空间运动分析、装配干涉分析、模具设计、NC编程及可加工性分析、二维工程图的自动生成、外观效果和造型效果评价等工作。

现今，利用计算机辅助技术，设计师能直接以3D造型来思考设计；模型师也可依据3D几何模型数据完成Prototype的制作；工程设计人员，可直接采用相关的3D模型数据，进行机构的设计与模具的开发。整个设计的流程在时效上获得提升，设计的品质也可以更好地控制。现在应用CAD/CAID软件早已能做到逼真的产品预想呈现，甚至材质模拟、背景变换、贴图渲染等，大幅跨越了设计师手绘预想图的水平，更重要的是其模拟动态的功能，可以在立体空间以虚拟的几何模型（Virtual Model）呈现出以往图纸平面所不易表现的角度，以进行检查修正的工作。此外，利用计算机3D几何模型，设计师可直接在其建构的三维空间中进行思考，并且经由适当的平台界面得以直接转换为工程制造上的应用，缩减传统设计开发的时间。

而计算机工具的应用则加速了设计的发展与实现的可能，透过屏幕窗口内的虚拟呈现，不必等到制作出原型，即可预览产品的各部细节以便了解与修正，这对于制造程序而言，无疑大幅降低许多错误与开发时间。

CAID系统的导入可让设计师充分发挥自己的设计概念；在CAID系统内部由设计师设计的3D造型可在系统的透视视窗中以即时的方式显示在各种视角下。使得与客户及各部门间对此产品的沟通有很大的帮助，尤其是对一些立体概念及能力较欠缺的非相关专业人员。一个产品的3D造型数据资料更可通过各种合适的转换格式传输至机构模拟系统或CAE、CAD/CAM系统，不需绘制三视图，只要资料传输严谨，资料的失真率几乎等于零，不论是塑胶模流分析、机构设计模拟、机械结构应力分析、CNC码的产生、刀具路径的模拟等，皆可在计算机内依CAID3D模型的原始资料以极为精确的方式加以处理。