前言：尋找寫作靈感？中文期刊網(wǎng)用心挑選的激光快速成型產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)研究，希望能為您的閱讀和創(chuàng)作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。

摘要:產(chǎn)品形態(tài)是吸引消費者購買產(chǎn)品的重要原因之一，為縮短產(chǎn)品研發(fā)周期優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，研究基于形態(tài)優(yōu)化的激光快速成型產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)。利用形態(tài)分析法獲取產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計要素，通過眼動追蹤技術(shù)統(tǒng)計產(chǎn)品形態(tài)的眼動數(shù)據(jù)，采用方差法提取與產(chǎn)品形態(tài)關(guān)聯(lián)度高的眼動數(shù)據(jù)，從而建立眼動追蹤數(shù)據(jù)與設(shè)計要素的關(guān)系模型，獲取形態(tài)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。根據(jù)設(shè)計結(jié)果運用數(shù)據(jù)處理軟件采集并處理產(chǎn)品數(shù)據(jù)，并通過反求軟件將產(chǎn)品以三維CAD模型形式展示，對三維CAD模型實施切片與程序處理獲取產(chǎn)品數(shù)控代碼，利用激光快速成型技術(shù)加載數(shù)控代碼制作出三維產(chǎn)品。實驗結(jié)果表明，采用該系統(tǒng)方法可獲取用戶滿意度較高的形態(tài)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計方案，設(shè)計效果逼真，且最終設(shè)計產(chǎn)品精度均在99%以上，充分驗證了該系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞:形態(tài)優(yōu)化;激光快速成型;產(chǎn)品設(shè)計;眼動數(shù)據(jù);CAD模型

1引言

激光快速成型技術(shù)是隨著激光技術(shù)不斷進步發(fā)展而來的新型技術(shù)，其主要利用CAD技術(shù)依據(jù)用戶不同需求構(gòu)建三維實體模型，通過激光快速成型技術(shù)分解三維模型，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)控制激光光束［1］，利用激光光束掃射二維斷面生成二維實體，最終合成三維實體。激光快速成型技術(shù)的一體化設(shè)計技術(shù)與分層制造思想得到眾多專家學(xué)者重視，激光快速成型技術(shù)已經(jīng)不僅應(yīng)用于CAD三維模型的設(shè)計與生產(chǎn)，更被應(yīng)用于快速工具和快速零件制作中。激光快速成型技術(shù)具有非常大的發(fā)展空間，前景良好［2－3］，因此研究激光快速成型技術(shù)對于產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)具有重要意義。目前，應(yīng)用較為廣泛的產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)主要有基于需求層次的產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)和基于符號學(xué)的產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)，前者主要針對目標用戶需求特征進行產(chǎn)品設(shè)計，基于要素構(gòu)筑產(chǎn)品的表現(xiàn)信息，并通過消費心態(tài)來描述目標用戶需求及特征，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建產(chǎn)品設(shè)計信息，實現(xiàn)對產(chǎn)品外觀的設(shè)計。該方法從用戶需求出發(fā)，具有針對性強的特點，但是設(shè)計產(chǎn)品的精度不高。后者指出產(chǎn)品設(shè)計與符號傳遞具有一定關(guān)聯(lián)性，以符號學(xué)為基礎(chǔ)，將產(chǎn)品設(shè)計當作符號傳遞系統(tǒng)，該理念能夠幫助設(shè)計者通過科學(xué)的編碼規(guī)則設(shè)計出產(chǎn)品，但是過于概念化，忽略了用戶需求，用戶滿意度不高［4］。針對上述問題，本文研究基于形態(tài)優(yōu)化的激光快速成型產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)。

2激光快速成型原理

激光快速成型技術(shù)是利用離散堆積思想將計算機、激光、材料和數(shù)控相結(jié)合的高科技技術(shù)。該技術(shù)是利用產(chǎn)品的CAD模型，通過激光掃射與計算機控制各材料的精確堆積獲取最終產(chǎn)品原型或零件，可通過由點成面或由面成體的方法制作，是目前設(shè)計與制造行業(yè)常用的制造方法。可知，激光快速成型技術(shù)需要先利用CAD軟件設(shè)計產(chǎn)品三維模型圖，依據(jù)工藝需求將模型分成不同厚度的層，通過分層使三維模型轉(zhuǎn)化至二維平面信息，通過數(shù)控代碼表示分層后的二維平面信息，利用激光掃描二維平面信息后通過平面加工方式依次加工各二維平面模型，全部加工完成后，利用各二維模型的聚合作用依次粘結(jié)，直至堆積完成最終的三維制件。

3激光快速成型產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)

以往產(chǎn)品完成設(shè)計后制備模具過程較長，需要大量資金，并且不利于設(shè)計師后期修改，激光快速成型技術(shù)因無需模具即可加工，具有無噪音、無生產(chǎn)振動等環(huán)保節(jié)能的效果，且具有節(jié)約成本，成型快的優(yōu)勢，將激光快速成型技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)過程中，不僅可以通過激光快速成型技術(shù)獲取模具，依據(jù)不同需求實時調(diào)整產(chǎn)品設(shè)計，降低產(chǎn)品開發(fā)周期，還可以幫助設(shè)計者改造設(shè)計方案，依據(jù)最優(yōu)產(chǎn)品設(shè)計方案大量加工，節(jié)省生產(chǎn)成本，提升企業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，維持企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。除此之外，傳統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)還存在忽視用戶需求的問題，因此本文以激光快速成型原理為基礎(chǔ)，將形態(tài)優(yōu)化設(shè)計方法與激光快速成型技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計基于形態(tài)優(yōu)化的激光快速成型產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。基于形態(tài)優(yōu)化的激光快速成型產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)是集合反求工程、形態(tài)優(yōu)化設(shè)計、激光快速成型技術(shù)、三維CAD技術(shù)、工業(yè)設(shè)計等技術(shù)為一體的高科技產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)［7］，其具體功能主要為:利用先進的測量系統(tǒng)獲取三維樣品或模型實體輪廓的集合數(shù)據(jù)［8］，通過CAD軟件建立模型，并通過形態(tài)優(yōu)化方法修改與編輯產(chǎn)品造型，獲取三維模型;近似于切片處理三維模型，生成數(shù)控代碼，利用數(shù)控程序疊層制造三維產(chǎn)品模型;采用CAD等高科技軟件依據(jù)形態(tài)優(yōu)化方法設(shè)計、裝配產(chǎn)品，利用激光快速成型設(shè)備實現(xiàn)所設(shè)計產(chǎn)品的功能試驗、快速評估等步驟。激光快速成型技術(shù)是結(jié)合新型材料應(yīng)用、快速翻制工藝和數(shù)控加工等新型技術(shù)［9］，可制造真空注塑產(chǎn)品、電加工成型產(chǎn)品等多種材料的產(chǎn)品。

4基于眼動數(shù)據(jù)的形態(tài)優(yōu)化

眼動數(shù)據(jù)的形態(tài)優(yōu)化方法是將眼動追蹤技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品形態(tài)優(yōu)化中，將產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計與眼動數(shù)據(jù)相結(jié)合，眼動數(shù)據(jù)的形態(tài)優(yōu)化方法流程圖如圖3所示。基于眼動數(shù)據(jù)的形態(tài)優(yōu)化方法需要先確定目標產(chǎn)品，依據(jù)產(chǎn)品形態(tài)特征差異性挑選樣本圖片，令所挑選樣本圖片為具有代表性的樣本圖片。產(chǎn)品顏色、尺寸與商標均會不同程度影響產(chǎn)品設(shè)計，因此需令樣本圖片中產(chǎn)品以相同背景和尺寸呈現(xiàn)［10］，去除圖片中商標并無彩化處理樣本圖片。通過形態(tài)分析法確定產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計關(guān)鍵，利用專家評估法選取最終設(shè)計要素。利用過濾后的樣本圖片實施眼動測試，并運用方差法分析獲取的測試結(jié)果，確定最終與設(shè)計要素具有顯著性的眼動指標［1］。將眼動指標與設(shè)計要素利用偏最小二乘法進行多元回歸分析，最終通過MATLAB軟件建立設(shè)計要素和眼動指標的關(guān)系模型［12］，獲取最終的形態(tài)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。眼動指標和設(shè)計要素分別作為因變量和自變量后實施多元回歸分析，排序設(shè)計要素權(quán)重系數(shù)大小［17］，設(shè)計要素特征參數(shù)選取令眼動指標變化較大的設(shè)計要素。建立模型后，選取其他樣本驗證模型的可行性，確定模型可行后利用該模型實施產(chǎn)品形態(tài)優(yōu)化設(shè)計。

5仿真實驗

為檢測本文基于形態(tài)優(yōu)化的激光快速成型產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)的有效性，將電吹風(fēng)機作為實驗對象，選取不同品牌的電吹風(fēng)機從中共選取50個測試樣本。結(jié)合以往電吹風(fēng)機形態(tài)設(shè)計要素，為獲取電吹風(fēng)機的最終設(shè)計要素，利用形態(tài)分析法分解并提取電吹風(fēng)機形態(tài)要素，獲取把手、出風(fēng)口、筒身與吹風(fēng)機上部4個形態(tài)設(shè)計要素。選擇20名受試者進行測試，要求受試者視力正常。采用RED桌面型眼動儀測試，并采用BeGaze軟件分析眼動數(shù)據(jù)。通過聚類分析方法將實驗樣本分為5組，每組3張圖片，受試者明確實驗?zāi)康暮笠罁?jù)自身喜好瀏覽樣本照片。通過凝視時間、掃視時間和注視時間作為眼動實驗吸引程度的評價指標。實驗結(jié)果中最大注視與最大掃視時間顯著性水平低于0.05，說明不同電吹風(fēng)的產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計差異存在顯著性，因此選取最大注視時間與最大掃視時間作為眼動實驗評價指標進行下一步實驗。設(shè)計要素的影響程度可通過設(shè)計要素的權(quán)重系數(shù)排序獲取，排序最大注視時間和最大掃視時間的權(quán)重系數(shù)，各設(shè)計要素水平系數(shù)的絕對值之和為權(quán)重系數(shù)結(jié)果。表2統(tǒng)計結(jié)果可以看出，最大注視時間與最大掃視時間兩個評價受試者吸引程度指標趨勢相同。通過以上評價指標可得電吹風(fēng)機的形態(tài)優(yōu)化最終結(jié)果為把手為圓潤的弧形，出風(fēng)口為環(huán)繞包裹狀態(tài)，筒身兩側(cè)圓滑，上下較窄，吹風(fēng)機上部形態(tài)為向下傾斜。為驗證形態(tài)優(yōu)化結(jié)果有效性，利用關(guān)系模型獲取預(yù)測值，與受試者實際檢測結(jié)果對比，最終顯著性水平為0.078，檢測結(jié)果大于0.05。表明不具有顯著性差異，驗證上文形態(tài)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果的有效性。說明用戶眼動客觀數(shù)據(jù)可作為形態(tài)優(yōu)化設(shè)計的主觀數(shù)據(jù)，能夠獲取滿足用戶需求的產(chǎn)品形態(tài)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。本文系統(tǒng)利用形態(tài)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果進一步設(shè)計產(chǎn)品，將上文形態(tài)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果輸入本文系統(tǒng)，檢測本文系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計情況。通過圖5可以看出，本文系統(tǒng)有效的將形態(tài)優(yōu)化設(shè)計方法與快速成型技術(shù)結(jié)合，可利用形態(tài)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果獲取符合用戶需求的設(shè)計結(jié)果，該系統(tǒng)可呈現(xiàn)不同角度的產(chǎn)品設(shè)計結(jié)果，且效果逼真，便于設(shè)計師依據(jù)不同需求隨時修改與調(diào)整設(shè)計方案。為進一步驗證本文系統(tǒng)的設(shè)計效果，采用本文方法設(shè)計電吹風(fēng)機、電水壺、電飯鍋、剃須刀等10種生活用品，統(tǒng)計采用本文系統(tǒng)設(shè)計10種產(chǎn)品的設(shè)計精度，并將本文方法與需求層次設(shè)計系統(tǒng)和符號學(xué)設(shè)計系統(tǒng)對比，對比結(jié)果如表3所示。通過表3實驗結(jié)果可以看出，采用本文系統(tǒng)設(shè)計電吹風(fēng)機、電水壺等10種產(chǎn)品的設(shè)計精度均在99%以上，而采用需求層次設(shè)計系統(tǒng)和符號學(xué)設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計精度均在99%以下，實驗結(jié)果驗證了本文系統(tǒng)的設(shè)計精度，說明該系統(tǒng)可靠性較高。

6結(jié)論

隨著科技不斷發(fā)展，誕生了越來越多的產(chǎn)品設(shè)計方法，形態(tài)優(yōu)化方法是通過眼動指標確定產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計要素，從而獲取最優(yōu)產(chǎn)品設(shè)計結(jié)果的方法，可輔助設(shè)計師以用戶認知視角優(yōu)化產(chǎn)品形態(tài)，本文將形態(tài)優(yōu)化方法與激光快速成型技術(shù)結(jié)合，研究基于形態(tài)優(yōu)化的激光快速成型產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)，利用用戶認知的客觀數(shù)據(jù)優(yōu)化設(shè)計產(chǎn)品形態(tài)，通過激光快速成型技術(shù)將所設(shè)計產(chǎn)品以三維實體形態(tài)展示。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)方便設(shè)計師依據(jù)不同需求修改設(shè)計方案，使所設(shè)計產(chǎn)品更具有合理性與科學(xué)性，提升產(chǎn)品市場競爭力，有效縮短了產(chǎn)品研發(fā)制作周期。

作者:楊洪 孫志偉 單位:桂林理工大學(xué)