浅析数控技术在工业设计教学中的应用

王铁球

摘要：产品设计原型的制作是设计创意产品化的重要途径，也是设计方案验证和完善的重要过程。数控技术的快速发展为产品原型的加工和制作提供了更为准确、快捷、便利的选择。工业设计实践教学环节中，同样可以通过引入数控技术提升教学效果。先进技术不仅可以服务现代制造业，也可以服务于设计教学，以此缩小校企之间的实践落差。

关键词：数控技术;工业设计教学;产品原型

中图分类号：G64

文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2019）04-0031-02

Abstract：The prototype of product design is an important way for realizing creative design to real products， and it is also an important process to verify and perfect the design idea.The rapid development of numerical control technology provides a more accurate， fast and convenient choice for the processing and manufacturing of design prototypes.To practical teaching of industrial design， numerical control technology can also be introduced to improve the teaching effect.Advanced technology can not only serve modern manufacturing industry， but also serve the design teaching， so as to narrow the practice gap between school and enterprise.

Key Words：Numerical Control Technology;Industrial design;Design prototype

工業设计是以产品设计为核心的，艺术与技术相结合的综合性学科。工业设计很早就已成为发达国家制造业竞争的核心动力之一。产品设计原型是设计创意的准确再现，具有立体直观化、真实准确化的特点。产品设计原型的制作是工业设计流程中创意产品化的重要途径，也是设计方案验证、完善的重要过程。将快速发展的数控技术结合到工业设计教学实践环节中来，可以在最短时间内完成设计原型的加工与制作，更重要的是能够让学生的各种创意方案脱离华而不实的效果图，快速、准确地转换为真正意义上的产品。

1数控技术与数控设备的发展现状

伴随着工业的快速发展和升级，产品制作工艺也不断革新。由于快速成型技术可以大大缩短产品的开发周期，满足产品的个性化、多样化需求，因此在工业设计领域得到了广泛应用。数控技术作为快速成型技术的代表，也是现代制造系统的动力源泉，在实现制造自动化、集成化、网络化的过程中占据着举足轻重的地位[1]。我国数控技术研发工作开始于1958年，目前已具有一定的自主知识技术与生产规模，例如比较知名的自主品牌有：北京精雕数控、华中数控与沈阳数控等[2]。

数控机床（Computer Numerical Control，简称CNC），其控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，通过计算机将其译码，从而使机床执行规定好的动作，通过刀具切削将毛坯料加工成半成品或成品零件。数控机床是由普通机床的基础上发展而来的，能加工复杂异形零件，具有良好的柔性、高精度和可靠的稳定性等优点[3]。作为当代制造业的主流装备，数控机床能够大幅提高生产效率和产品精度，促进我国经济发展。虽然国产数控系统在可靠性与功能性上与国外技术相比依然存在一定的差距，但是近年来我国在多轴联合控制、系统的智能化与开放性等领域取得了一定的成绩。

2数控技术应用于产品原型制作的优势

快速原型技术是一种涉及多学科的新型综合制造技术。上世纪80年代后，随着计算机辅助设计的应用，产品造型和设计能力得到极大提高。然而在产品设计完成后，批量生产前，必须制作出样品以表达设计构想，快速获取产品设计的反馈信息，并且对产品设计的可行性做出评估、论证。在工业设计的实践教学中，从产品开发到快速原型的实现可以快速检验产品工艺性、结构设计、基本功能操作等现实问题。

随着快速成型技术的发展，工业产品研发的过程中逐步出现以数控加工技术和3D打印技术为依托的模型实物呈现方式，其中的数控加工技术更是成为获得样机或产品实物最快捷、准确的手段。通过快速成型技术，设计者在设计初期阶段就能拿到具体的模型或样品，并可实现不同阶段的快速修改重做，根据精确模型或样机让设计者及时判断设计方案的各种问题，提出建设性意见，实现无障碍交流，从而为产品开发创造一个良好的设计环境[4]。

相比较3D打印或其他产品原型制作技术而言，数控技术呈现出不可比拟的优势：首先，数控技术的加工材料可选范围比较大，可以为工程蜡、金属、木材、亚克力与尼龙等等，基本能够围绕设计的构想和实际需求进行加工，最大限度的展现设计预期的材质视觉效果[5];其次，数控设备在加工强度与密度等参数均高于3D打印技术，而且在加工尺寸方面的限制小，同样尺寸的实物制作，数控设备制作的成本远低于3D打印，实物精度反而更突出，也更便于后期的表面处理。当然，数控技术在处理较为复杂的曲面或者包含复杂内腔的创意方案时，也会存在一定的局限性。

3面向工业设计教学中产品原型制作的数控技术应用

3.1数控技术的应用原理和流程

传统工业设计教学中，因为设备或场地的局限，系列专题设计课程的最终教学成果大多停留在三维造型软件的效果模拟阶段，无法获得实物感，难以满足后期方案验证和完善的要求，或者仅仅呈现简单初级的模型成品，尺寸精度误差较大，表面加工精度不高。鉴于上述现状，我们尝试将先进的数控技术引入到专题设计课程的设计原型加工制作中来。在教学前期，学生的设计创意方案经过课堂教学环节反复筛选并确定之后，切入数控技术原理和设备的相关介绍。随后，学生根据数控加工的原理和特点，将前期设计创意方案利用三维设计软件（例如3Dmax或Rhino3D造型软件等）进行模型构建，通过材质的赋予提前获取创意方案的预期视觉效果，这也是后期数控加工阶段材质选择和加工参数设定的基础因素。在此阶段过程中，由于三维设计软件的数据不具备实体概念，数据直接导入到数控机床加工时往往会出现各种模型质量问题而导致最终的加工失败。因此需要在三维设计软件的模型基础上，创建更为准确的计算机辅助设计（CAD）数据，用于后期数控机床设备加工数据的导入。最后，学生提交上述构建的设计数据，并与数控加工中心进行方案设计与设备加工之间的协调与沟通，就产品尺寸、形态、材料等设计因素进行最终确认与完善。

3.2数控技术的应用实践

将数控技术引入到课程设计实践环节中，确保了设计成果脱离纸上谈兵，让学生进入到实战性质的设计环节，最终产出细节优化、制作精良的成品。在本次基于东莞特色的非物质文化遗产――“莞香”为主题的设计创作教学过程中，经过前期的理论教学，设计方案讨论、筛选和确定之后，最后的三周时间增加了数控加工制作环节。

图1的设计创意是一款名为“凝香”的装饰性U盘链，该方案巧妙地将莞香油脂凝结成香的过程，再通过心形的包裹形态进行仿生设计。在作品的设计阶段，图2分别采用Rhino3D造型软件和计算机辅助设计CAD软件完成了效果图和尺寸图的绘制，并确定采用黄铜和绿檀进行加工;后期在数控加工中心采用三轴机床进行工艺编程加工制作完成;学生拿到原型后，再进行上打磨、木蜡油、上漆、抛光等表面处理，最终获得图3中的成品，与预期效果相差无几。

图4的设计方案以东莞莞香博物馆建筑为灵感，将博物馆建筑形态简化、重构之后设计成一款车载香水瓶，希望借此推广普及莞香文化。图5的作品是名为“缠香”的首饰设计，以莞香花为设计元素，采用黄铜加工制作而成。上述作品中，由于不同材料的选择和使用，最终获得的成品原型都能最大程度地还原设计初衷，这是3D打印等加工方式难以企及的表面效果。同时，即便是复杂造型的设计原型，也可以通过三轴甚至五轴加工机床实现一次定位、多轴加工，轻松实现负角位置加工。

数控技术的高效、便利让教学成果得以最佳的方式呈现，反复修改、确认各种设计细节的辛劳最终换来的是产品化的实物原型，学生面对手中超预期的设计实物，所获得的成就感是难以言表的。

4结语

产品原型制作是工业设计流程中不可或缺一个环节。数控成型技术的应用，使产品原型制作的速度和精度都大大提高了，同时提升了工業设计课堂教学教学效果。事实证明，数控技术不仅仅是直接面向制造业，同样也可以服务于工业设计教学体系、辅助毕业设计成品快速表现等环节。工业设计教学应该通过积极引入各种先进技术、先进方法与工艺，不断尝试各种先进材料，从源头缩小校企之间的实践落差。

参考文献

[1]黄筱调，夏长久，孙守利.智能制造与先进数控技术[J].机械制造与自动化，2018（01）：1-6.

[2]周晓枫，王子伟，张天赋，张兆夕.数控技术的国内外分析与发展趋势的展望[J].中国设备工程，2018（08）：195-196.

[3]冉蓓，张广潮.工业设计中快速成型技术的应用[J].学研探索，2015（14）：145-148.

[4]吴慧兰.三维打印技术在工业设计模型制作中的应用研究[J].设计，2012（02）：28-29.

[5]马延斌，张化平.快速成型技术与数控技术在手版制作中的应用比较[J].现代工业经济和信息化，2018（13）：084-085.