概念设计，产品创新原动力——Pro/ENGINEER Wildfire2.0激情燃烧

    特别是在汽车、手机等持续火爆的产品市场中，产品的外观造型是否美观且有新意已成为该产品成败的关键因素之一。有媒体调查显示，3G手机之所以仍没有被广大消费者所接受的一个重要原因就是其外观比较朴素，与目前市场上流行的手机相比，显得笨拙。

    前车之鉴还有很多，幸运的是，产品外观的重要性已经被越来越多的制造商认同：创新、时尚、独具风格的产品不仅可以创造利润、树立品牌、赢得客户，更能降低市场风险。那么如何使产品的外观更具吸引力，这就是“概念设计”要完成的任务了。

    一、产品创新路漫漫

    一般意义上的概念设计是指在产品的功能和原理基本确定的情况下，对产品外观造型的设计过程。概念设计位于详细设计之前，对整个产品开发、市场拓展及企业经营目标的实现起着至关重要的作用。概念设计一旦确定，产品设计的60%～70%也就基本完成，而且详细设计阶段很难纠正概念设计产品的缺陷。

    但有些时候，概念设计仅仅被视为工业设计的一个分支，没有得到足够的重视。当然这与我国制造业发展的现状有关。加入WTO后，中国正逐渐朝着“世界制造中心”的目标迈进，但我国制造业在技术含量和附加值较高的中、高档产品上仍缺乏国际竞争力，其中一个主要原因就是新产品开发水平的落后。以汽车工业为例，中国的汽车设计开发一直被认为是汽车工业的“软肋”。尤其是轿车，一向被认为只有少数发达国家才能开发，虽然很早就有人提出要自主研发，但是这么多年过去，大街上跑的绝大多数依然是引进的外国车型，中国专门进行汽车设计的公司更是寥寥无几。

    相比之下，国外许多车型的设计都是通过设计公司来完成的。美国、日本和德国都有数百家大小汽车设计公司，全球最大的设计公司MSX约有1.6万员工，年营业额超过20亿美元。美国三大汽车公司的新产品开发中，有50％的设计任务交由设计公司完成；德国大众公司约60％的设计任务出自设计公司。而在中国，专门的设计公司还远没有形成规模，大部分企业的设计部门要兼顾概念设计、详细设计、工程分析等几乎全套的设计流程，再加上落后的设计习惯和设计工具，“以产品创新制胜”似乎成为纸上谈兵。

    制造业是一个国家经济发展的命脉，它的发展反映了国家的综合实力，对国家的经济地位和政治地位也具有至关重要的影响。正因为如此，世界各国纷纷加大投入，研究先进制造技术，如美国提出的“敏捷制造”研究计划，日本提出的“智能制造计划”，我国政府也看清了这一发展方向，不失时机地提出了信息化带动工业化的战略构想，并以“863/CIMS计划”作为实际技术推动力量。随着数字化、智能化、三维建模、虚拟制造等先进技术进入应用阶段，产品创新的技术基础已经稳固；再加上愈加开放的市场环境，使越来越多的制造业企业认识到产品的重要性，“产品至上”的理念已经被广为接受，产品创新也不再是一句空话。

    二、概念设计从头跃

    产品创新的核心在于构思创新的产品概念，既概念设计。只有在这一过程中把握了产品的个性化和创新性，该产品才能在市场中更具竞争力。这也迫使企业在着手新产品开发时，必须把概念设计水平提升到一个新的高度。

    概念设计是产品设计中创造性设计的思维阶段，在这一过程中，设计师将构思快速转化为草图是一种相当复杂的行为。因为一个好的设计方案既要有合理的功能结构、美观的造型、简便的操作，同时还要富有创新性。因此，设计师一般需要计算机辅助设计工具的帮助，既CAD软件系统来完成这一过程。

    但是，传统的CAD软件主要应用在产品造型方面，还停留在“三维绘图”的应用状态，不能满足创新的需求，使用者需要经长时间抽象严格的投影视图和CAD系统复杂命令的训练，将用传统纸笔构思完成好的设计方案通过计算机“造型”表达出来，并没有帮助设计人员真正实现创新设计，只是从二维草图开始，由抽象的点、线、面按照严格的几何约束关系和造型方法“绘制”成期望的三维图形，对于已完成设计的任何改动都将成为令人头疼的问题。

    针对以上问题，近年来研究人员和各CAD软件提供商做了大量工作，以求从根本上改变这一现状。三维建模技术的崛起和虚拟制造技术的出现为概念设计和产品创新提供了一种极好的工作平台，设计者可以直接从三维概念和构思入手，进行概念设计，形成产品的初步框架，然后进一步通过工程分析、数字仿真、虚拟现实等高新技术手段来分析和评价设计方案的可行性及未来产品的质量、可靠性。这种设计方法尤其能充分发挥设计者的智慧和创新能力，不必拘泥于平面图纸的限制和束缚，而把主要精力聚焦于创造性的劳动——创新。

    如今的CAD软件，不仅在三维造型上已经不能与以往同日而语，更加强了美学设计和渲染能力，使其在概念设计方面的表现更加突出。

    三、CAD软件显峥嵘

    CAD软件给人们的印象是作为计算机辅助工具，主要应用于产品的详细设计阶段，其实，目前市场上主流的CAD软件都拥有强大的概念设计功能。

    在CAD领域叱咤了近20年的PTC公司，于近日推出了其产品设计和开发解决方案的最新版本——Pro/ENGINEER Wildfire 野火版2.0。在新版“野火”中，PTC在概念设计方面大做文章：通过类型齐全的扭曲功能，设计人员可以方便地对内置几何和导入几何进行修改并妥善处理，从而达到在模型上即可改变设计的目的；野火版2.0的重新造型功能是根据扫描所得数据快速创建3D CAD模型的功能（即通常所说的逆向工程），它可以帮助设计人员把握设计意图并维护重要数据，供后续设计阶段使用，而其中新增的“自动表面平整”功能，使野火版2.0生成3D模型的过程更加便捷；而且，野火版2.0进一步完善了实时渲染功能，使设计人员可以快速地动态渲染各种 Pro/ENGINEER 模型；值得一提的是，由于“造型”(Style) 特征为设计者提供了一组交互式曲线和曲面工具，使得设计人员能够在最短的时间内轻松创建复杂形状，而曲面效果的完美和真实更是远远超出了同类软件的水准。

    其实，在Pro/ENGINEER的早期版本中就包含了一个工业设计模块——Pro/Design，用于支持自上而下的投影设计，以及在复杂产品的设计中所包含的许多复杂任务的自动设计。此模块工具包括概念设计的二维非参数化的装配布局编辑器，用于概念分析的二维参数模型的布局，以及组件的三维布局编辑器。此次推出的野火版2.0更增加了许多新功能，提高了软件的易用性，使得设计人员能够更加方便快捷地开发出令人耳目一新的产品。

    下面以Pro/ENGINEER Wildfire 野火版2.0为例，简要介绍CAD软件在概念设计上的一些应用。

    1.交互式曲面创造完美造型

    产品的外观是由曲面和曲线组成的，一个吸引人的产品更是多种形状的曲面和曲线的完美组合。要在计算机中表现这些复杂的曲面和曲线并非易事，更不要说还要以交互方式控制它们的形状和连接，但这些正是概念设计的基础。Pro/ENGINEER Wildfire 提供了一种“造型”(Style) 特征，利用它，设计者可轻松的创建复杂的曲线和曲面，并能以交互方式控制它们的形状和连接。

    如图1所示，在“造型”(Style) 特征中，设计人员通过导入草绘来建立一个电钻机的3D模型，这一导入的草绘用作可视参照。手柄的基本元素由两部分组成：直接在现有模型曲面上草绘的曲线和电池曲面的顶边。设计者需要先创建两条“造型”曲线，这样就构成了基础曲面。然后调整曲线的角度，使它们与草绘吻合，而曲面随之动态更新。设计者可以在曲线和曲面之间应用连接特性，使曲面更加平滑。

图1 通过导入草绘建立3D模型

    设计者还可以通过径向平面曲线，用与边轮廓垂直的另一条曲线来控制曲面的形状，并可以轻松地生成并维护这类曲线。此外，将曲线加入曲面后，仍然可以对它进行编辑，曲面也会随之实时更新。

    2.渲染使设计图像更逼真

    优秀的 3D 设计图像可以让人加深对设计的第一印象、吸引客户并为公司节省巨资，同时间接产生营销和市场效益。此时，强大的渲染功能可以使3D图像拥有更加逼真的视觉效果。Pro/ENGINEER Wildfire 野火版2.0能够提供高性能的照片级渲染功能，而这种功能无需耗巨资更换最新的制图和计算机设备即可使用。

    我们以汽车换档杆的渲染为例。模型显示对话框中启用实时渲染功能后，可以调整阴影和反射，或产生贴花和纹理效果。通过 Pro/ENGINEER 的材料和纹理库，设计者可以试验各种类型的木纹效果，还可试用样式的缩放和旋转功能，如图2所示。同时，设计者可以显示环境及其在模型上产生的效果，或者显示模型上产生的效果而隐藏环境。

图2 经过渲染的汽车换档杆

    如果设计者需要快速获得渲染过的图像，实时渲染功能是非常理想的工具。此外，“高级渲染增设功能”可创建最高质量的图像，如同照片一样逼真，并能模拟许多高级效果，例如镜头眩光、景度和光散射等。

四、下一代CAD技术

    毋庸置疑，CAD软件正在向着大而全的方向发展，无论是概念设计、详细设计、工程分析还是数字仿真，CAD软件在产品设计的各个重要环节都提供了越来越强大的功能模块，这也符合了“产品至上”的发展趋势，各软件提供商将向着为客户提供“产品设计和开发整体解决方案”的方向努力。同时，为了提高设计生产效率，未来的CAD软件还必须有完善的3D绘图功能和与其他CAD软件交换数据的能力。

    而此次PTC公司全新推出的Pro/ENGINEER Wildfire 野火版2.0也顺应了这一趋势，以其易学易用、功能强大和互连互通的特点，推动了整个产品开发机构中个人效率和过程效率的提高，既节省了开发时间和成本，又提高了产品质量。野火版2.0 提供了符合CAD三维标注标准—— ASME Y14.41 标准的 3D 绘图功能，以及与所有主流 CAD 系统的互操作性能，这些系统包括 UGS PLM I-DEAS、CATIA V5 和 Unigraphics NX。此外，野火版2.0通过将 Pro/ENGINEER 野火版用户模型扩展到钣金件、模拟和解决方案的其他领域，显著地增强了软件的实用性。

    正是由于与用户需求的密切结合，野火版2.0刚刚推出便获得了广泛的认可。目前，野火版2.0的采用率正以引人注目的速度增长，迄今为止，已有超过 50% 的客户方转向采用该软件。技术分析咨询公司 CIMData 的 John MacKrell 说：“野火版2.0迅速在生产环境中得到采用的现象表明，该产品在帮助公司提升产品开发效率方面的强大力量已经得到用户的普遍认可。”

    有专家预测，下一代CAD技术必须重点考虑产品设计的创新性、不确定性和随机性，具备支持产品概念设计过程的工具，具备有描述整个产品设计过程的信息模型，具备自主和协作地求解问题和决策的能力。希望在不久的将来，CAD软件会为设计师们提供更多的便利，成为我国制造业企业产品创新的有力武器。