邵興德 張繼娟，2， 杜 瑩 張仲鳳,

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2.國(guó)家林業(yè)和草原局綠色家具工程技術(shù)研究中心， 湖南 長(zhǎng)沙 410004； 3.湖南省綠色家居工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004; 4.索菲亞家居股份有限公司，廣東 廣州 511358）

近年來，硬木家具深受人們的關(guān)注和喜愛[1-4]。但由于硬木家具在木材特性、結(jié)構(gòu)連接、產(chǎn)品種類、工藝要求等方面比板式家具更為復(fù)雜[5]，導(dǎo)致傳統(tǒng)硬木家具企業(yè)的生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、工藝管理等方面缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。企業(yè)沒有形成包含標(biāo)準(zhǔn)及通用要素的知識(shí)可重用庫(kù)，所設(shè)計(jì)生產(chǎn)的家具信息無法得到有效的利用，生產(chǎn)效率低下[6-7]。

隨著工業(yè)制造體系4.0 的發(fā)展，使用高性能的三維軟件設(shè)計(jì)方案并用于制造已經(jīng)成為趨勢(shì)[8]。本研究基于UG NX軟件平臺(tái)的參數(shù)化功能模塊，對(duì)硬木家具劃分模件體系，進(jìn)行三維建模，并對(duì)所創(chuàng)建的模型模板進(jìn)行參數(shù)化，用戶和企業(yè)可以通過實(shí)際需求調(diào)用或修改參數(shù)，形成標(biāo)準(zhǔn)模件庫(kù)，從而提高設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率。

1 NX軟件參數(shù)化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)析

UG NX（簡(jiǎn)稱為NX）是一款集機(jī)械CAD/CAE/CAM于一體的高端軟件，它基于完全的三維實(shí)體復(fù)合造型、特征建模、裝配建模技術(shù)，能設(shè)計(jì)出復(fù)雜的產(chǎn)品模型[9]。同時(shí)，該軟件的CAM模塊和內(nèi)嵌的CAE模塊在技術(shù)上均處于領(lǐng)先地位， CAD、CAE和CAM有機(jī)集成，可以使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析和制造一次性完成。此外，NX還能提供CAD/CAE/CAM業(yè)界最先進(jìn)的編程工具集，以滿足用戶二次開發(fā)的需要[10-14]。

1.1 NX軟件優(yōu)勢(shì)概述

NX是目前世界上較先進(jìn)的具有產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析和制造功能的軟件[15]，相較于機(jī)械行業(yè)其他常用的軟件具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）更加豐富的輔助加工功能模塊。相較于Solidworks等軟件，其功能更加健全與強(qiáng)大。NX集成PDM、CAE、CAM于一身，除了管理與分析外，還能做輔助加工。

2）強(qiáng)大的PDM管理功能和API接口。NX的管理系統(tǒng)根據(jù)管理系統(tǒng)文件方向?qū)虻牟煌殖赡Ｐ臀募芾矸种?、CAPP工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化分支和PDM集成智能化產(chǎn)品管理分支等方向[16]。

3）縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造周期。NX能夠根據(jù)三維模型生成對(duì)應(yīng)的二維圖紙，同時(shí)能夠生成加工所需的NC代碼對(duì)接生產(chǎn)[17]。NX在對(duì)所需產(chǎn)品進(jìn)行建模之后，能夠進(jìn)行裝配檢查、干涉檢查、孔洞對(duì)齊等分析，可有效減少硬木家具新產(chǎn)品和新部件打樣的材料浪費(fèi)。同時(shí)，模型利用參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以多次重復(fù)利用，避免了繁瑣的重復(fù)建模設(shè)計(jì)，因而縮短設(shè)計(jì)周期。

1.2 NX參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

NX的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法主要有以下4 種：用戶自定義特征法、程序編程法、關(guān)系式表達(dá)法和電子表格法[18]。這4 種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際使用過程中并不相互獨(dú)立，而是可結(jié)合使用。

用戶自定義特征法是根據(jù)二維草圖的特征，通過對(duì)草圖特征拉伸、旋轉(zhuǎn)等操作生成實(shí)體，其核心是對(duì)模型草圖的約束。此法在建模中會(huì)一直使用。

程序編程法是通過使用NX配置的編程語(yǔ)言，按照模型的構(gòu)造順序編寫代碼，從而描述建模的整個(gè)過程[19]。在需要建立模件時(shí)，只要導(dǎo)入相應(yīng)的程序并順利運(yùn)行，便可得到所需模件。用戶同樣可以利用UG/OPEN工具針對(duì)實(shí)際需求，添加所需的用戶菜單與界面并進(jìn)行應(yīng)用。程序編程法交互調(diào)入方便，應(yīng)用性好，但對(duì)設(shè)計(jì)者程序開發(fā)語(yǔ)言要求較高。

關(guān)系式表達(dá)法是對(duì)尺寸進(jìn)行直接約束，通過導(dǎo)入函數(shù)關(guān)系式或是自定義尺寸間的關(guān)系，依據(jù)尺寸間的關(guān)聯(lián)性，設(shè)置主動(dòng)尺寸與驅(qū)動(dòng)尺寸，即自變量與因變量的關(guān)系。當(dāng)對(duì)主動(dòng)尺寸進(jìn)行修改時(shí)，驅(qū)動(dòng)尺寸會(huì)根據(jù)所設(shè)置的關(guān)系式進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整[20]。此法應(yīng)用范圍廣泛，創(chuàng)建容易且直觀。

電子表格法適用于建立標(biāo)準(zhǔn)與通用的模件，主要運(yùn)行思路如圖1 所示。通過在NX中創(chuàng)建模板模型，并將其各規(guī)格參數(shù)通過NX創(chuàng)建含有函數(shù)表達(dá)式的EXCEL驅(qū)動(dòng)表格[21]，用戶可以通過控制這一驅(qū)動(dòng)表格對(duì)模型進(jìn)行創(chuàng)建與修改，且用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模件的表格就能表達(dá)同類結(jié)構(gòu)模件，從而生成通用模件庫(kù)。電子表格法又稱為零件族法，適用于標(biāo)準(zhǔn)零件的參數(shù)化建模。

圖1 NX電子表格法構(gòu)建參數(shù)化模件庫(kù)方式Fig.1 Ways to build a parametric module library with the NX spreadsheet method

2 基于NX的硬木家具模件參數(shù)化設(shè)計(jì)

本文以某企業(yè)生產(chǎn)的明式書柜為例，論證NX在硬木家具設(shè)計(jì)中的可行性。從該企業(yè)設(shè)計(jì)圖紙中發(fā)現(xiàn)，其柜類產(chǎn)品造型沒有太大變化，只是在規(guī)格尺寸上有所差別。然而，在實(shí)際生產(chǎn)制造過程中仍需要不同的圖紙。該企業(yè)工藝技術(shù)部需在設(shè)計(jì)制造的初期依據(jù)不同規(guī)格的圖紙進(jìn)行建模，而參數(shù)化設(shè)計(jì)將大大減少重復(fù)設(shè)計(jì)的時(shí)間與工作量。

2.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)思路

圖2 硬木家具模件參數(shù)化設(shè)計(jì)思路Fig.2 Parametric design ideas for hardwood furniture modules

建立參數(shù)化模型是實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵的一步[22]。硬木家具參數(shù)化的總體思路：基于NX從創(chuàng)建零件模板與裝配體模板開始進(jìn)行建模，結(jié)合硬木家具的模件體系[23-24]，將硬木家具分成產(chǎn)品級(jí)、部件級(jí)與零件級(jí)，如圖2 所示。模件是組成家具的最小單位，硬木家具種類繁多，相對(duì)應(yīng)的家具模件也多。因此需要對(duì)單個(gè)模件進(jìn)行分析，提取通用的模件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，最后依據(jù)實(shí)際家具產(chǎn)品的裝配特性設(shè)置參數(shù)化關(guān)聯(lián)，達(dá)到修改最少的尺寸實(shí)現(xiàn)形成最多的產(chǎn)品的目的。

2.2 設(shè)計(jì)實(shí)例分析

依據(jù)上述參數(shù)化設(shè)計(jì)總體思路，劃分明式書柜模件層級(jí)，得到如圖3 所示的結(jié)構(gòu)層級(jí)關(guān)系。圖4 是明式書柜的柜門結(jié)構(gòu)，它由兩個(gè)大邊、兩個(gè)抹頭和一塊面心板組成。此類柜門結(jié)構(gòu)屬于硬木家具通用部件，在硬木家具產(chǎn)品中往往只是規(guī)格有所不同[25]。如果按照傳統(tǒng)方法進(jìn)行建模，不能對(duì)現(xiàn)成的模型尺寸進(jìn)行更改，而需要重新對(duì)模型尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而產(chǎn)生大量重復(fù)性的工作。在此，以書柜的柜門為例，闡述參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。

首先對(duì)該柜門結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致分析（見圖4）。其抹頭長(zhǎng)470 mm，寬40 mm，厚度為30 mm，兩端斜切45°，大邊與短邊用格角夾榫連接，抹頭還需開深度為10 mm的槽口安裝面心板，零件結(jié)構(gòu)對(duì)稱。

圖3 明式書柜模件劃分Fig.3 Ming-style bookcase module division

圖4 柜門抹頭結(jié)構(gòu)Fig.4 Cabinet door wiper structure

其次，分析該柜門部件在設(shè)計(jì)中的參數(shù)變更需求。根據(jù)現(xiàn)實(shí)變更需求，書柜在參數(shù)化設(shè)計(jì)中修改的尺寸有柜整體的長(zhǎng)、寬、高，相對(duì)應(yīng)的大邊與抹頭的長(zhǎng)度。當(dāng)繪制不同規(guī)格圖紙時(shí)，這個(gè)參數(shù)化的模板需要滿足尺寸變更需求。

完成上述有關(guān)抹頭結(jié)構(gòu)與參數(shù)變更需求分析后，進(jìn)行以下基于NX平臺(tái)構(gòu)建參數(shù)化模型的具體操作：

1）草圖繪制。根據(jù)尺寸要求繪制一個(gè)矩形，由于抹頭是左右對(duì)稱的零件，因此只需建立一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行鏡像對(duì)稱即可得到完整結(jié)構(gòu)，此處矩形賦予尺寸為長(zhǎng)235 mm、寬40 mm，拉伸凸臺(tái)厚度為30 mm（圖5）。

圖5 繪制草圖Fig.5 Sketch stage

2）拉伸切除操作。如圖6 繪制一條線段，并由快速尺寸操作設(shè)置參考角度為45°，此處設(shè)置的45°所形成的模板能確保抹頭與大邊處的榫為等腰直角三角形，使模板不會(huì)因?yàn)槌叽缱兓a(chǎn)生變形，隨后將這條線拉伸成面并對(duì)抹頭進(jìn)行修剪體操作。

圖6 繪制切除角線段Fig.6 Draw cut corner line

圖7 構(gòu)建格角榫Fig.7 Building lattice tenon structure

3）大邊與抹頭連接處格角榫構(gòu)造。同樣進(jìn)行草圖繪制與拉伸操作。此處可以用表達(dá)式法進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，參考該企業(yè)的具體標(biāo)準(zhǔn)，建立表達(dá)式榫頭拉伸起始位置為（抹頭厚-17）/2，結(jié)束位置為（抹頭厚-17）/2+8。格角厚度從尖榫結(jié)束位置開始減去操作，結(jié)束位置為（抹頭厚-17）/2+15，最終得到如圖7所示的結(jié)構(gòu)。

4）榫槽構(gòu)建。榫頭部分特征完成后，需要在抹頭內(nèi)側(cè)開10 mm深的榫槽。構(gòu)造裝面心板的榫槽時(shí)，同樣要注意草圖的標(biāo)注方式。為保證在抹頭長(zhǎng)度變化時(shí)，榫槽的長(zhǎng)度能夠隨之產(chǎn)生相應(yīng)變化，可以如圖8所示繪制凹槽草圖，以確保槽口能與大邊槽口連接，并能與面心板舌配合。

圖8 繪制凹槽草圖Fig.8 Sketch grooves

5）以上特征構(gòu)建完成后，還需要對(duì)抹頭進(jìn)行倒圓角處理。然后基于右基準(zhǔn)面進(jìn)行鏡像操作，即可得到完整的抹頭，參數(shù)化模型模板的創(chuàng)建到此即全部完成。

6）最后對(duì)所創(chuàng)建的模型進(jìn)行驗(yàn)證，檢驗(yàn)?zāi)芊駶M足最初參數(shù)化設(shè)計(jì)的需要。點(diǎn)擊模型中的長(zhǎng)度尺寸470 mm，或者寬度40 mm，即可在彈出的輸入框中輸入新的尺寸，如圖9所示，通過輸入新的參數(shù)值，即重新生成了一個(gè)結(jié)構(gòu)相同，尺寸有所變化的抹頭模件模型。表明一個(gè)長(zhǎng)寬尺寸可任意修改的參數(shù)化模件模板完成。

圖9 驗(yàn)證參數(shù)化模板Fig.9 Validation parameterized template

3 結(jié)論

本文主要研究了硬木家具模件的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，結(jié)果表明：該方法建立的參數(shù)化模型可以生成重復(fù)調(diào)用的模板，通過修改模板中的主、驅(qū)動(dòng)尺寸即可得到不同規(guī)格的產(chǎn)品。該方法能夠引導(dǎo)企業(yè)重復(fù)利用已有的部件，或是對(duì)原有的部件進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，可有效提高企業(yè)設(shè)計(jì)資源的重復(fù)利用率。同時(shí)，利用NX可以進(jìn)一步生成基于企業(yè)產(chǎn)品的模型資料庫(kù)，能夠縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造周期，具有較好應(yīng)用前景。