数字样机技术在家具建模中的应用

王 琛

(南京林业大学家居与工业设计学院，江苏 南京 210037)

数字样机技术是以CAD为基础，集成了CAD、CAM和CAE于一体的技术。利用数字样机技术建立的数字模型，不仅含有产品的几何信息，还可以作为产品功能和性能分析的信息载体[1]。数字样机涉及的关键技术包括三维建模技术、产品数字化设计技术、数字化虚拟装配技术和分析与仿真技术[2]。随着建模软件的发展和更新，数字样机技术也被逐渐应用于家具产品建模方向。家具设计与制造领域数字样机技术的应用，得益于机械设计与制造领域数字样机技术的应用与推广[3]。从初始的家具二维图纸建模，到家具三维造型设计，再到现今的家具数字样机的开发。家具产品数字样机技术源于机械产品数字样机技术，又发展出自己的特色，技术应用越来越成熟，对家具产品的开发过程产生了提质增效的效果。

1 家具数字样机技术软件选型

数字样机技术是以计算机辅助设计为基础，集成了计算机辅助设计、计算机辅助制造和计算机辅助分析于一体的技术[4]。适用于家具建模中的数字样机设计软件来源于机械设计与制造领域，其中已经被广泛应用的软件包括Solid Works、UG以及Topsolid等软件。Solid Works和UG软件是机械设计与制造领域的常用软件，在家具行业里主要被应用于金属家具数字样机的设计开发中[5]。由于金属家具中大部分零件的结构、材料属性、加工工艺属于金工范畴，因此，Solid Works和UG软件在金属家具数字样机的设计开发中更为适用[6]。Topsolid软件源于机械设计与制造领域，并在此基础上定制了家具设计与制造方向的特色功能。因此被更多应用于木制家具数字样机的设计开发中，尤其是实木家具的设计与制造方向。Topsolid软件是全3D的数样机设计软件[7]。可以快速、精确地进行家具产品数字化设计与修改，模拟和定制家具产品CAD/CAM/CAE解决方案[8]。Topsolid软件以其简单高效、系统化、灵活多样的产品建模方式，在家具产品数字样机开发中体现了强大的优势[9]。

2 数字样机技术在家具建模中的应用

数字样机技术应用于家具建模的核心是对家具产品的数字化定义。产品的数字化定义既包含微观的几何定义，也包括宏观的设计过程、模型定义[10]。常见定义如下：产品的结构定义、产品的相关性设计定义和产品的非几何属性定义。本文从产品的结构定义、产品的相关性设计定义和产品的非几何属性定义三个方向，结合Topsolid软件分析数字样机技术在家具建模中的应用。

2.1 产品的结构定义

产品的结构定义反映了产品的基本组成，是产品的基本构架，也是家具产品数字样机开发的第一步[11]。使用Topsolid软件对家具产品数字样机进行开发前需要对所开发产品的结构进行分析。以柜类家具为例，开始数字样机建模前，需要对所建模的对象进行分析。首先分析产品的结构，柜类家具的结构主要包含侧板、顶底板、背板、门板、横隔板、装饰线条、踢脚线及五金连接件等部分[12]。然后分析柜类家具各部件的连接方式，如实木部分常用的榫卯连接、板式部分常用的五金件连接等。产品结构定义及分析过程是产品数字样机开发过程的开始，也是构成产品优化建模方案的基础[13]。

2.2 产品的相关性设计定义

产品的数字化设计中离不开产品的相关性设计，产品的相关性设计指的是产品的零部件位置、尺寸、特征和数值之间具有一定的关联[14]。在Topsolid软件中产品的相关性设计的应用非常多，最常用的是约束块和驱动块的应用。约束块是快速生成家具零部件、设置零部件相关性的命令，是设计家具极为简单便捷的工具[15]。在家具产品数字样机的建模过程中，约束块通常是设定为一定透明度的矩形块，其作用是确定后续建模中其他零部件的位置和尺寸[16]，使其他零部件与其产生位置和尺寸关联性。驱动块则是一个被定义了各向参数的透明块，驱动的元素是数值[17]。可以实现调用组件时的自适应匹配，与驱动块有关联的组件都随驱动块数值的变化而变化，与其产生数值关联性[18]。以柜类家具为例，柜类家具数字样机建模的快捷步骤，首先是对柜子的外框进行定位，并对柜子外框的大小进行限定[19]，柜子外框用来确定柜子模型的位置和大小。在这种情况下，优选通过约束块来建立[20]，并可在建立好约束块的柜子外框中直接建立与其相关联的侧板、顶底板、背板、横隔板、竖隔板等[21]。对于门板、装饰线条、五金件等柜子内部零部件和组件，如果在柜体内有可参考的坐标点或面，可以使用驱动块命令，通过数据关联功能，直接从模型库里调入自适应匹配的组件[22]，完成柜类家具数字样机快速建模[23]。

2.3 产品的非几何属性定义

产品的非几何属性定义主要包括产品的材料和加工工艺属性的定义[24]。在Topsolid软件中单独设置了产品非几何属性编辑模块—Topsolid Wood模块[25]。Wood模块作为一个单独的存在，是Topsolid软件独有的特色，是其区别于其他三维设计软件而立足于家具行业的核心，使木工工程师更加轻松准确地完成设计项目[26]。在Topsolid Wood模块中可以快捷地设置产品的材料属性，包括材料的种类、颜色和纹理效果[27]。产品的加工工艺属性可以直接选用Topsolid Wood模块中的木工专用工具：如锯切、仿形铣、榫头榫眼、钻组、封边贴皮、自动组装螺钉、榫钉、燕尾榫等多种标准部件，槽型结构、半边槽、锯、凸榫、多种类型钻孔，并模块化装配层压板镶边、层压板、多层板等[28]。Topsolid软件中建立的实体模型，可以增加Wood模块里的特色功能，以便快速定义出产品的非几何属性[29]。例如，对柜子的底板开槽，可以快速选择Wood模块里的开槽工具，编辑特征参数，完成开槽特征及其非几何属性的建模[30]。

3 小结

随着建模软件的发展和更新，数字样机技术也被逐渐应用于家具产品建模方向[31]。Topsolid是一款强大的造型、模拟和生产CAD/CAM/CAE解决方案，以其简单高效、系统化、灵活多样的建模方式，在家具产品数字样机开发中体现了强大的优势。本文从产品的结构定义、产品的相关性设计定义和产品的非几何属性定义三个方向，结合Topsolid软件分析数字样机技术在家具建模中的应用，以期为家具产品数字样机的开发提供帮助。