前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的激光快速成型产品设计系统研究，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
摘要:产品形态是吸引消费者购买产品的重要原因之一，为缩短产品研发周期优化产品设计，研究基于形态优化的激光快速成型产品设计系统。利用形态分析法获取产品形态设计要素，通过眼动追踪技术统计产品形态的眼动数据，采用方差法提取与产品形态关联度高的眼动数据，从而建立眼动追踪数据与设计要素的关系模型，获取形态优化设计结果。根据设计结果运用数据处理软件采集并处理产品数据，并通过反求软件将产品以三维CAD模型形式展示，对三维CAD模型实施切片与程序处理获取产品数控代码，利用激光快速成型技术加载数控代码制作出三维产品。实验结果表明，采用该系统方法可获取用户满意度较高的形态优化产品设计方案，设计效果逼真，且最终设计产品精度均在99%以上，充分验证了该系统的有效性。
关键词:形态优化;激光快速成型;产品设计;眼动数据;CAD模型
1引言
激光快速成型技术是随着激光技术不断进步发展而来的新型技术，其主要利用CAD技术依据用户不同需求构建三维实体模型，通过激光快速成型技术分解三维模型，通过数据驱动技术控制激光光束［1］，利用激光光束扫射二维断面生成二维实体，最终合成三维实体。激光快速成型技术的一体化设计技术与分层制造思想得到众多专家学者重视，激光快速成型技术已经不仅应用于CAD三维模型的设计与生产，更被应用于快速工具和快速零件制作中。激光快速成型技术具有非常大的发展空间，前景良好［2－3］，因此研究激光快速成型技术对于产品设计研发具有重要意义。目前，应用较为广泛的产品设计系统主要有基于需求层次的产品设计系统和基于符号学的产品设计系统，前者主要针对目标用户需求特征进行产品设计，基于要素构筑产品的表现信息，并通过消费心态来描述目标用户需求及特征，在此基础上，构建产品设计信息，实现对产品外观的设计。该方法从用户需求出发，具有针对性强的特点，但是设计产品的精度不高。后者指出产品设计与符号传递具有一定关联性，以符号学为基础，将产品设计当作符号传递系统，该理念能够帮助设计者通过科学的编码规则设计出产品，但是过于概念化，忽略了用户需求，用户满意度不高［4］。针对上述问题，本文研究基于形态优化的激光快速成型产品设计系统。
2激光快速成型原理
激光快速成型技术是利用离散堆积思想将计算机、激光、材料和数控相结合的高科技技术。该技术是利用产品的CAD模型，通过激光扫射与计算机控制各材料的精确堆积获取最终产品原型或零件，可通过由点成面或由面成体的方法制作，是目前设计与制造行业常用的制造方法。可知，激光快速成型技术需要先利用CAD软件设计产品三维模型图，依据工艺需求将模型分成不同厚度的层，通过分层使三维模型转化至二维平面信息，通过数控代码表示分层后的二维平面信息，利用激光扫描二维平面信息后通过平面加工方式依次加工各二维平面模型，全部加工完成后，利用各二维模型的聚合作用依次粘结，直至堆积完成最终的三维制件。
3激光快速成型产品设计系统
以往产品完成设计后制备模具过程较长，需要大量资金，并且不利于设计师后期修改，激光快速成型技术因无需模具即可加工，具有无噪音、无生产振动等环保节能的效果，且具有节约成本，成型快的优势，将激光快速成型技术应用于产品设计研发过程中，不仅可以通过激光快速成型技术获取模具，依据不同需求实时调整产品设计，降低产品开发周期，还可以帮助设计者改造设计方案，依据最优产品设计方案大量加工，节省生产成本，提升企业产品的生产效率，维持企业可持续发展。除此之外，传统设计系统还存在忽视用户需求的问题，因此本文以激光快速成型原理为基础，将形态优化设计方法与激光快速成型技术相结合，设计基于形态优化的激光快速成型产品设计系统总体结构图如图2所示。基于形态优化的激光快速成型产品设计系统是集合反求工程、形态优化设计、激光快速成型技术、三维CAD技术、工业设计等技术为一体的高科技产品设计技术［7］，其具体功能主要为:利用先进的测量系统获取三维样品或模型实体轮廓的集合数据［8］，通过CAD软件建立模型，并通过形态优化方法修改与编辑产品造型，获取三维模型;近似于切片处理三维模型，生成数控代码，利用数控程序叠层制造三维产品模型;采用CAD等高科技软件依据形态优化方法设计、装配产品，利用激光快速成型设备实现所设计产品的功能试验、快速评估等步骤。激光快速成型技术是结合新型材料应用、快速翻制工艺和数控加工等新型技术［9］，可制造真空注塑产品、电加工成型产品等多种材料的产品。
4基于眼动数据的形态优化
眼动数据的形态优化方法是将眼动追踪技术应用于产品形态优化中，将产品形态设计与眼动数据相结合，眼动数据的形态优化方法流程图如图3所示。基于眼动数据的形态优化方法需要先确定目标产品，依据产品形态特征差异性挑选样本图片，令所挑选样本图片为具有代表性的样本图片。产品颜色、尺寸与商标均会不同程度影响产品设计，因此需令样本图片中产品以相同背景和尺寸呈现［10］，去除图片中商标并无彩化处理样本图片。通过形态分析法确定产品形态设计关键，利用专家评估法选取最终设计要素。利用过滤后的样本图片实施眼动测试，并运用方差法分析获取的测试结果，确定最终与设计要素具有显著性的眼动指标［1］。将眼动指标与设计要素利用偏最小二乘法进行多元回归分析，最终通过MATLAB软件建立设计要素和眼动指标的关系模型［12］，获取最终的形态优化设计结果。眼动指标和设计要素分别作为因变量和自变量后实施多元回归分析，排序设计要素权重系数大小［17］，设计要素特征参数选取令眼动指标变化较大的设计要素。建立模型后，选取其他样本验证模型的可行性，确定模型可行后利用该模型实施产品形态优化设计。
5仿真实验
为检测本文基于形态优化的激光快速成型产品设计系统的有效性，将电吹风机作为实验对象，选取不同品牌的电吹风机从中共选取50个测试样本。结合以往电吹风机形态设计要素，为获取电吹风机的最终设计要素，利用形态分析法分解并提取电吹风机形态要素，获取把手、出风口、筒身与吹风机上部4个形态设计要素。选择20名受试者进行测试，要求受试者视力正常。采用RED桌面型眼动仪测试，并采用BeGaze软件分析眼动数据。通过聚类分析方法将实验样本分为5组，每组3张图片，受试者明确实验目的后依据自身喜好浏览样本照片。通过凝视时间、扫视时间和注视时间作为眼动实验吸引程度的评价指标。实验结果中最大注视与最大扫视时间显著性水平低于0.05，说明不同电吹风的产品形态设计差异存在显著性，因此选取最大注视时间与最大扫视时间作为眼动实验评价指标进行下一步实验。设计要素的影响程度可通过设计要素的权重系数排序获取，排序最大注视时间和最大扫视时间的权重系数，各设计要素水平系数的绝对值之和为权重系数结果。表2统计结果可以看出，最大注视时间与最大扫视时间两个评价受试者吸引程度指标趋势相同。通过以上评价指标可得电吹风机的形态优化最终结果为把手为圆润的弧形，出风口为环绕包裹状态，筒身两侧圆滑，上下较窄，吹风机上部形态为向下倾斜。为验证形态优化结果有效性，利用关系模型获取预测值，与受试者实际检测结果对比，最终显著性水平为0.078，检测结果大于0.05。表明不具有显著性差异，验证上文形态优化设计结果的有效性。说明用户眼动客观数据可作为形态优化设计的主观数据，能够获取满足用户需求的产品形态优化设计结果。本文系统利用形态优化设计结果进一步设计产品，将上文形态优化设计结果输入本文系统，检测本文系统产品设计情况。通过图5可以看出，本文系统有效的将形态优化设计方法与快速成型技术结合，可利用形态优化设计结果获取符合用户需求的设计结果，该系统可呈现不同角度的产品设计结果，且效果逼真，便于设计师依据不同需求随时修改与调整设计方案。为进一步验证本文系统的设计效果，采用本文方法设计电吹风机、电水壶、电饭锅、剃须刀等10种生活用品，统计采用本文系统设计10种产品的设计精度，并将本文方法与需求层次设计系统和符号学设计系统对比，对比结果如表3所示。通过表3实验结果可以看出，采用本文系统设计电吹风机、电水壶等10种产品的设计精度均在99%以上，而采用需求层次设计系统和符号学设计系统设计精度均在99%以下，实验结果验证了本文系统的设计精度，说明该系统可靠性较高。
6结论
随着科技不断发展，诞生了越来越多的产品设计方法，形态优化方法是通过眼动指标确定产品形态设计要素，从而获取最优产品设计结果的方法，可辅助设计师以用户认知视角优化产品形态，本文将形态优化方法与激光快速成型技术结合，研究基于形态优化的激光快速成型产品设计系统，利用用户认知的客观数据优化设计产品形态，通过激光快速成型技术将所设计产品以三维实体形态展示。实验结果表明，该系统方便设计师依据不同需求修改设计方案，使所设计产品更具有合理性与科学性，提升产品市场竞争力，有效缩短了产品研发制作周期。
作者:杨洪 孙志伟 单位:桂林理工大学
