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

摘要:產品形態是吸引消費者購買產品的重要原因之一，為縮短產品研發周期優化產品設計，研究基于形態優化的激光快速成型產品設計系統。利用形態分析法獲取產品形態設計要素，通過眼動追蹤技術統計產品形態的眼動數據，采用方差法提取與產品形態關聯度高的眼動數據，從而建立眼動追蹤數據與設計要素的關系模型，獲取形態優化設計結果。根據設計結果運用數據處理軟件采集并處理產品數據，并通過反求軟件將產品以三維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品數控代碼，利用激光快速成型技術加載數控代碼制作出三維產品。實驗結果表明，采用該系統方法可獲取用戶滿意度較高的形態優化產品設計方案，設計效果逼真，且最終設計產品精度均在99%以上，充分驗證了該系統的有效性。

關鍵詞:形態優化;激光快速成型;產品設計;眼動數據;CAD模型

1引言

激光快速成型技術是隨著激光技術不斷進步發展而來的新型技術，其主要利用CAD技術依據用戶不同需求構建三維實體模型，通過激光快速成型技術分解三維模型，通過數據驅動技術控制激光光束［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。激光快速成型技術的一體化設計技術與分層制造思想得到眾多專家學者重視，激光快速成型技術已經不僅應用于CAD三維模型的設計與生產，更被應用于快速工具和快速零件制作中。激光快速成型技術具有非常大的發展空間，前景良好［2－3］，因此研究激光快速成型技術對于產品設計研發具有重要意義。目前，應用較為廣泛的產品設計系統主要有基于需求層次的產品設計系統和基于符號學的產品設計系統，前者主要針對目標用戶需求特征進行產品設計，基于要素構筑產品的表現信息，并通過消費心態來描述目標用戶需求及特征，在此基礎上，構建產品設計信息，實現對產品外觀的設計。該方法從用戶需求出發，具有針對性強的特點，但是設計產品的精度不高。后者指出產品設計與符號傳遞具有一定關聯性，以符號學為基礎，將產品設計當作符號傳遞系統，該理念能夠幫助設計者通過科學的編碼規則設計出產品，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，本文研究基于形態優化的激光快速成型產品設計系統。

2激光快速成型原理

激光快速成型技術是利用離散堆積思想將計算機、激光、材料和數控相結合的高科技技術。該技術是利用產品的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，是目前設計與制造行業常用的制造方法。可知，激光快速成型技術需要先利用CAD軟件設計產品三維模型圖，依據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化至二維平面信息，通過數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，直至堆積完成最終的三維制件。

3激光快速成型產品設計系統

以往產品完成設計后制備模具過程較長，需要大量資金，并且不利于設計師后期修改，激光快速成型技術因無需模具即可加工，具有無噪音、無生產振動等環保節能的效果，且具有節約成本，成型快的優勢，將激光快速成型技術應用于產品設計研發過程中，不僅可以通過激光快速成型技術獲取模具，依據不同需求實時調整產品設計，降低產品開發周期，還可以幫助設計者改造設計方案，依據最優產品設計方案大量加工，節省生產成本，提升企業產品的生產效率，維持企業可持續發展。除此之外，傳統設計系統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，將形態優化設計方法與激光快速成型技術相結合，設計基于形態優化的激光快速成型產品設計系統總體結構圖如圖2所示。基于形態優化的激光快速成型產品設計系統是集合反求工程、形態優化設計、激光快速成型技術、三維CAD技術、工業設計等技術為一體的高科技產品設計技術［7］，其具體功能主要為:利用先進的測量系統獲取三維樣品或模型實體輪廓的集合數據［8］，通過CAD軟件建立模型，并通過形態優化方法修改與編輯產品造型，獲取三維模型;近似于切片處理三維模型，生成數控代碼，利用數控程序疊層制造三維產品模型;采用CAD等高科技軟件依據形態優化方法設計、裝配產品，利用激光快速成型設備實現所設計產品的功能試驗、快速評估等步驟。激光快速成型技術是結合新型材料應用、快速翻制工藝和數控加工等新型技術［9］，可制造真空注塑產品、電加工成型產品等多種材料的產品。

4基于眼動數據的形態優化

眼動數據的形態優化方法是將眼動追蹤技術應用于產品形態優化中，將產品形態設計與眼動數據相結合，眼動數據的形態優化方法流程圖如圖3所示。基于眼動數據的形態優化方法需要先確定目標產品，依據產品形態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。產品顏色、尺寸與商標均會不同程度影響產品設計，因此需令樣本圖片中產品以相同背景和尺寸呈現［10］，去除圖片中商標并無彩化處理樣本圖片。通過形態分析法確定產品形態設計關鍵，利用專家評估法選取最終設計要素。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果，確定最終與設計要素具有顯著性的眼動指標［1］。將眼動指標與設計要素利用偏最小二乘法進行多元回歸分析，最終通過MATLAB軟件建立設計要素和眼動指標的關系模型［12］，獲取最終的形態優化設計結果。眼動指標和設計要素分別作為因變量和自變量后實施多元回歸分析，排序設計要素權重系數大小［17］，設計要素特征參數選取令眼動指標變化較大的設計要素。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品形態優化設計。

5仿真實驗

為檢測本文基于形態優化的激光快速成型產品設計系統的有效性，將電吹風機作為實驗對象，選取不同品牌的電吹風機從中共選取50個測試樣本。結合以往電吹風機形態設計要素，為獲取電吹風機的最終設計要素，利用形態分析法分解并提取電吹風機形態要素，獲取把手、出風口、筒身與吹風機上部4個形態設計要素。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軟件分析眼動數據。通過聚類分析方法將實驗樣本分為5組，每組3張圖片，受試者明確實驗目的后依據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，說明不同電吹風的產品形態設計差異存在顯著性，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。設計要素的影響程度可通過設計要素的權重系數排序獲取，排序最大注視時間和最大掃視時間的權重系數，各設計要素水平系數的絕對值之和為權重系數結果。表2統計結果可以看出，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機的形態優化最終結果為把手為圓潤的弧形，出風口為環繞包裹狀態，筒身兩側圓滑，上下較窄，吹風機上部形態為向下傾斜。為驗證形態優化結果有效性，利用關系模型獲取預測值，與受試者實際檢測結果對比，最終顯著性水平為0.078，檢測結果大于0.05。表明不具有顯著性差異，驗證上文形態優化設計結果的有效性。說明用戶眼動客觀數據可作為形態優化設計的主觀數據，能夠獲取滿足用戶需求的產品形態優化設計結果。本文系統利用形態優化設計結果進一步設計產品，將上文形態優化設計結果輸入本文系統，檢測本文系統產品設計情況。通過圖5可以看出，本文系統有效的將形態優化設計方法與快速成型技術結合，可利用形態優化設計結果獲取符合用戶需求的設計結果，該系統可呈現不同角度的產品設計結果，且效果逼真，便于設計師依據不同需求隨時修改與調整設計方案。為進一步驗證本文系統的設計效果，采用本文方法設計電吹風機、電水壺、電飯鍋、剃須刀等10種生活用品，統計采用本文系統設計10種產品的設計精度，并將本文方法與需求層次設計系統和符號學設計系統對比，對比結果如表3所示。通過表3實驗結果可以看出，采用本文系統設計電吹風機、電水壺等10種產品的設計精度均在99%以上，而采用需求層次設計系統和符號學設計系統設計精度均在99%以下，實驗結果驗證了本文系統的設計精度，說明該系統可靠性較高。

6結論

隨著科技不斷發展，誕生了越來越多的產品設計方法，形態優化方法是通過眼動指標確定產品形態設計要素，從而獲取最優產品設計結果的方法，可輔助設計師以用戶認知視角優化產品形態，本文將形態優化方法與激光快速成型技術結合，研究基于形態優化的激光快速成型產品設計系統，利用用戶認知的客觀數據優化設計產品形態，通過激光快速成型技術將所設計產品以三維實體形態展示。實驗結果表明，該系統方便設計師依據不同需求修改設計方案，使所設計產品更具有合理性與科學性，提升產品市場競爭力，有效縮短了產品研發制作周期。

作者:楊洪 孫志偉 單位:桂林理工大學