王 琛

(南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

數(shù)字樣機(jī)技術(shù)是以CAD為基礎(chǔ)，集成了CAD、CAM和CAE于一體的技術(shù)。利用數(shù)字樣機(jī)技術(shù)建立的數(shù)字模型，不僅含有產(chǎn)品的幾何信息，還可以作為產(chǎn)品功能和性能分析的信息載體[1]。數(shù)字樣機(jī)涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括三維建模技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)字化虛擬裝配技術(shù)和分析與仿真技術(shù)[2]。隨著建模軟件的發(fā)展和更新，數(shù)字樣機(jī)技術(shù)也被逐漸應(yīng)用于家具產(chǎn)品建模方向。家具設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域數(shù)字樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，得益于機(jī)械設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域數(shù)字樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用與推廣[3]。從初始的家具二維圖紙建模，到家具三維造型設(shè)計(jì)，再到現(xiàn)今的家具數(shù)字樣機(jī)的開發(fā)。家具產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)技術(shù)源于機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)技術(shù)，又發(fā)展出自己的特色，技術(shù)應(yīng)用越來越成熟，對家具產(chǎn)品的開發(fā)過程產(chǎn)生了提質(zhì)增效的效果。

1 家具數(shù)字樣機(jī)技術(shù)軟件選型

數(shù)字樣機(jī)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，集成了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造和計(jì)算機(jī)輔助分析于一體的技術(shù)[4]。適用于家具建模中的數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)軟件來源于機(jī)械設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域，其中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用的軟件包括Solid Works、UG以及Topsolid等軟件。Solid Works和UG軟件是機(jī)械設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域的常用軟件，在家具行業(yè)里主要被應(yīng)用于金屬家具數(shù)字樣機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)中[5]。由于金屬家具中大部分零件的結(jié)構(gòu)、材料屬性、加工工藝屬于金工范疇，因此，Solid Works和UG軟件在金屬家具數(shù)字樣機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)中更為適用[6]。Topsolid軟件源于機(jī)械設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域，并在此基礎(chǔ)上定制了家具設(shè)計(jì)與制造方向的特色功能。因此被更多應(yīng)用于木制家具數(shù)字樣機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)中，尤其是實(shí)木家具的設(shè)計(jì)與制造方向。Topsolid軟件是全3D的數(shù)樣機(jī)設(shè)計(jì)軟件[7]?？梢钥焖?、精確地進(jìn)行家具產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與修改，模擬和定制家具產(chǎn)品CAD/CAM/CAE解決方案[8]。Topsolid軟件以其簡單高效、系統(tǒng)化、靈活多樣的產(chǎn)品建模方式，在家具產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)開發(fā)中體現(xiàn)了強(qiáng)大的優(yōu)勢[9]。

2 數(shù)字樣機(jī)技術(shù)在家具建模中的應(yīng)用

數(shù)字樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于家具建模的核心是對家具產(chǎn)品的數(shù)字化定義。產(chǎn)品的數(shù)字化定義既包含微觀的幾何定義，也包括宏觀的設(shè)計(jì)過程、模型定義[10]。常見定義如下：產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)定義、產(chǎn)品的相關(guān)性設(shè)計(jì)定義和產(chǎn)品的非幾何屬性定義。本文從產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)定義、產(chǎn)品的相關(guān)性設(shè)計(jì)定義和產(chǎn)品的非幾何屬性定義三個(gè)方向，結(jié)合Topsolid軟件分析數(shù)字樣機(jī)技術(shù)在家具建模中的應(yīng)用。

2.1 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)定義

產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)定義反映了產(chǎn)品的基本組成，是產(chǎn)品的基本構(gòu)架，也是家具產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)開發(fā)的第一步[11]。使用Topsolid軟件對家具產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行開發(fā)前需要對所開發(fā)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。以柜類家具為例，開始數(shù)字樣機(jī)建模前，需要對所建模的對象進(jìn)行分析。首先分析產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，柜類家具的結(jié)構(gòu)主要包含側(cè)板、頂?shù)装?、背板、門板、橫隔板、裝飾線條、踢腳線及五金連接件等部分[12]。然后分析柜類家具各部件的連接方式，如實(shí)木部分常用的榫卯連接、板式部分常用的五金件連接等。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)定義及分析過程是產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)開發(fā)過程的開始，也是構(gòu)成產(chǎn)品優(yōu)化建模方案的基礎(chǔ)[13]。

2.2 產(chǎn)品的相關(guān)性設(shè)計(jì)定義

產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)中離不開產(chǎn)品的相關(guān)性設(shè)計(jì)，產(chǎn)品的相關(guān)性設(shè)計(jì)指的是產(chǎn)品的零部件位置、尺寸、特征和數(shù)值之間具有一定的關(guān)聯(lián)[14]。在Topsolid軟件中產(chǎn)品的相關(guān)性設(shè)計(jì)的應(yīng)用非常多，最常用的是約束塊和驅(qū)動塊的應(yīng)用。約束塊是快速生成家具零部件、設(shè)置零部件相關(guān)性的命令，是設(shè)計(jì)家具極為簡單便捷的工具[15]。在家具產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)的建模過程中，約束塊通常是設(shè)定為一定透明度的矩形塊，其作用是確定后續(xù)建模中其他零部件的位置和尺寸[16]，使其他零部件與其產(chǎn)生位置和尺寸關(guān)聯(lián)性。驅(qū)動塊則是一個(gè)被定義了各向參數(shù)的透明塊，驅(qū)動的元素是數(shù)值[17]。可以實(shí)現(xiàn)調(diào)用組件時(shí)的自適應(yīng)匹配，與驅(qū)動塊有關(guān)聯(lián)的組件都隨驅(qū)動塊數(shù)值的變化而變化，與其產(chǎn)生數(shù)值關(guān)聯(lián)性[18]。以柜類家具為例，柜類家具數(shù)字樣機(jī)建模的快捷步驟，首先是對柜子的外框進(jìn)行定位，并對柜子外框的大小進(jìn)行限定[19]，柜子外框用來確定柜子模型的位置和大小。在這種情況下，優(yōu)選通過約束塊來建立[20]，并可在建立好約束塊的柜子外框中直接建立與其相關(guān)聯(lián)的側(cè)板、頂?shù)装?、背板、橫隔板、豎隔板等[21]。對于門板、裝飾線條、五金件等柜子內(nèi)部零部件和組件，如果在柜體內(nèi)有可參考的坐標(biāo)點(diǎn)或面，可以使用驅(qū)動塊命令，通過數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)功能，直接從模型庫里調(diào)入自適應(yīng)匹配的組件[22]，完成柜類家具數(shù)字樣機(jī)快速建模[23]。

2.3 產(chǎn)品的非幾何屬性定義

產(chǎn)品的非幾何屬性定義主要包括產(chǎn)品的材料和加工工藝屬性的定義[24]。在Topsolid軟件中單獨(dú)設(shè)置了產(chǎn)品非幾何屬性編輯模塊—Topsolid Wood模塊[25]。Wood模塊作為一個(gè)單獨(dú)的存在，是Topsolid軟件獨(dú)有的特色，是其區(qū)別于其他三維設(shè)計(jì)軟件而立足于家具行業(yè)的核心，使木工工程師更加輕松準(zhǔn)確地完成設(shè)計(jì)項(xiàng)目[26]。在Topsolid Wood模塊中可以快捷地設(shè)置產(chǎn)品的材料屬性，包括材料的種類、顏色和紋理效果[27]。產(chǎn)品的加工工藝屬性可以直接選用Topsolid Wood模塊中的木工專用工具：如鋸切、仿形銑、榫頭榫眼、鉆組、封邊貼皮、自動組裝螺釘、榫釘、燕尾榫等多種標(biāo)準(zhǔn)部件，槽型結(jié)構(gòu)、半邊槽、鋸、凸榫、多種類型鉆孔，并模塊化裝配層壓板鑲邊、層壓板、多層板等[28]。Topsolid軟件中建立的實(shí)體模型，可以增加Wood模塊里的特色功能，以便快速定義出產(chǎn)品的非幾何屬性[29]。例如，對柜子的底板開槽，可以快速選擇Wood模塊里的開槽工具，編輯特征參數(shù)，完成開槽特征及其非幾何屬性的建模[30]。

3 小結(jié)

隨著建模軟件的發(fā)展和更新，數(shù)字樣機(jī)技術(shù)也被逐漸應(yīng)用于家具產(chǎn)品建模方向[31]。Topsolid是一款強(qiáng)大的造型、模擬和生產(chǎn)CAD/CAM/CAE解決方案，以其簡單高效、系統(tǒng)化、靈活多樣的建模方式，在家具產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)開發(fā)中體現(xiàn)了強(qiáng)大的優(yōu)勢。本文從產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)定義、產(chǎn)品的相關(guān)性設(shè)計(jì)定義和產(chǎn)品的非幾何屬性定義三個(gè)方向，結(jié)合Topsolid軟件分析數(shù)字樣機(jī)技術(shù)在家具建模中的應(yīng)用，以期為家具產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)的開發(fā)提供幫助。