現(xiàn)如今，隨著人們生活水平的提高，人們對家具的要求也越來越高了，家具制造業(yè)也發(fā)展的越來越高。很多家庭都選擇根據(jù)自己家的要求來定制家具，代替了直接買家具來布置房間。本文是一篇國家級期刊投稿的論文范文，主要論述了定制家具數(shù)字化設計與仿真平臺研究。
　　摘要：家具制造業(yè)正在向個性定制化、生產(chǎn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。如何快速設計個性化定制家具以及實現(xiàn)相應的數(shù)字化生產(chǎn)過程是家具業(yè)面臨的共同問題。家具產(chǎn)品數(shù)字仿真平臺通過其龐大的標準件庫、常用件庫、可變形制造的產(chǎn)品模型庫進行概念設計和變形設計，能夠有效的提高企業(yè)數(shù)字化制造水平，降低成本和提高市場競爭力。介紹了一種以數(shù)字仿真平臺和個性定制為基礎的家具產(chǎn)品設計流程，并對該數(shù)字仿真平臺的架構和關鍵技術進行了分析。

　　關鍵詞：家具,數(shù)字仿真,個性定制,快速設計

　　Abstract：Furniture manufacturing traditional design approach has been difficult to meet the globalization of markets， the demand for individual requirements. How to improve the quality of furniture products， shortening product life cycles furniture， furniture market to meet the needs of personalized custom furniture business is a common problem faced. Digital simulation platform furniture products through its vast library of standard parts， used parts library， variable type of products manufactured model library conceptual design and variant design， thereby enhancing the core competitiveness of enterprises radically. This article introduces a numerical simulation based platform and personalized custom furniture product design process， and the architecture and key technologies of digital simulation platform for a analysis.

　　Key words： furniture; digital simulation; personalized custom; rapid design

　　隨著用戶對家具的個性化要求不斷提高，家具制造行業(yè)正在發(fā)生以下方面的變化：(1)激烈的市場競爭以及數(shù)字化生產(chǎn)技術的應用使家具產(chǎn)品的生命周期縮短;(2)傳統(tǒng)家具市場逐漸呈飽和趨勢，以整體衣柜、整體櫥柜為代表的更具選擇性的銷售行為使家具市場朝著個性化、多樣化的方向快速發(fā)展;(3)用戶售前體驗和使用質(zhì)量已經(jīng)成為用戶購買的首要因素之一;(4)數(shù)字化制造可以大大加快產(chǎn)品的開發(fā)速度并降低開發(fā)風險。

　　1家具制造行業(yè)現(xiàn)狀

　　近年來，自動化的家具制造裝備普及應用使我國家具行業(yè)有了飛速發(fā)展，但是大多數(shù)企業(yè)仍然以工廠模式設計、生產(chǎn)傳統(tǒng)家具，設計環(huán)節(jié)大部分也只是采用通用CAD軟件。與德國等制造業(yè)強國相比，我國家具制造業(yè)存在的主要問題是：(1)家具產(chǎn)品以低端固定產(chǎn)品為主，缺乏原創(chuàng)性和定制化;(2)勞動力成本和材料價格上升等原因致使成本增加，傳統(tǒng)家具企業(yè)競爭優(yōu)勢正在減弱，一大批小型家具企業(yè)面臨倒閉。這些問題促使家具行業(yè)與其他相關產(chǎn)業(yè)相互滲透、交叉、重組，行業(yè)融合有深入發(fā)展趨勢。當前，以“互聯(lián)網(wǎng)+家具”的數(shù)字化家具設計與制造模式處于萌芽期，發(fā)展?jié)摿�巨大。與此同時，政府扶持下的產(chǎn)學研一體化進程加快，互聯(lián)網(wǎng)制造和產(chǎn)品虛擬化設計受到空前重視。

　　如何能在高質(zhì)量低成本的基礎上縮短家具產(chǎn)品的生命周期，開發(fā)出具有市場競爭力的產(chǎn)品，是家具制造企業(yè)普遍面臨的問題。企業(yè)能否根據(jù)用戶的個性需求快速地設計制造出定制產(chǎn)品，已經(jīng)成為企業(yè)能否占領市場、發(fā)展壯大的關鍵。數(shù)字仿真技術支撐下的快速設計方法，用戶個性定制支撐下的快速設計理念將成為家具行業(yè)未來設計發(fā)展的主要方向。

　　2 定制化家具產(chǎn)品設計方法

　　傳統(tǒng)的家具生產(chǎn)中，賣方主導市場，生產(chǎn)出標準產(chǎn)品供用戶選擇，消費者對商品沒有選擇的主動權，賣方只關心產(chǎn)品數(shù)量，很少考慮市場的個性化需求。傳統(tǒng)的家具產(chǎn)品設計流程如圖1所示。

　　在經(jīng)融危機、勞動力成本上升、傳統(tǒng)家具市場逐步飽和等因素的沖擊下，家具制造企業(yè)必須轉(zhuǎn)型升級。同時，面對消費者不斷變化的個性化需求，制造過程需要不斷縮短產(chǎn)品生命周期，降低生產(chǎn)成本，更加直接的面對用戶需求設計家具產(chǎn)品。此時，更高效的家具產(chǎn)品設計流程如圖2所示。

　　上述對比可知，數(shù)字化定制設計來源除了概念設計(分析用戶需求生成概念產(chǎn)品的設計活動)外還有變形設計(修改參數(shù)或局部調(diào)整結(jié)構的設計活動)。與傳統(tǒng)的概念設計相比，現(xiàn)在的概念設計來源不單單是用戶需求下的重新設計，而是家具產(chǎn)品標準件、常用件標準庫支撐下的組合設計，其設計效率更高。新增的變形設計則是根據(jù)用戶的實際需求，對已有的可進行生產(chǎn)制造的產(chǎn)品模型進行合理改動并快速生成，新產(chǎn)品的設計周期更短。在龐大的由標準件庫、常用件庫、可變型制造的產(chǎn)品模型庫組成的數(shù)據(jù)庫支撐下，產(chǎn)品的開發(fā)設計時間會大幅縮短。同時，概念設計中補充進來的新數(shù)據(jù)將進一步的擴充標準數(shù)據(jù)庫，從而促進后續(xù)的開發(fā)設計，使整個開發(fā)設計形成良性循環(huán)。

　　此外，與傳統(tǒng)的基于通用CAD的家具產(chǎn)品設計流程相比更高效的家具產(chǎn)品設計流程中多了通過建立虛擬產(chǎn)品模型(樣機)，并對其做仿真測試與實驗的步驟。一方面，設計人員通過虛擬家具產(chǎn)品能夠更好的模擬其生產(chǎn)出來的效果，提升用戶的售前體驗，評估是否滿足購買需求;另一方面，設計人員通過虛擬產(chǎn)品能夠發(fā)現(xiàn)可能遇到的設計缺陷、制造缺陷等。 　　家具產(chǎn)品的虛擬設計可通過搭建家具產(chǎn)品數(shù)字仿真平臺來實現(xiàn)。

　　3 數(shù)字化仿真平臺研究

　　數(shù)字仿真技術，就是在數(shù)字化參數(shù)下運用一個虛擬的系統(tǒng)模擬真實系統(tǒng)的技術。數(shù)字仿真技術已經(jīng)成功應用在航空航天、信息、生物、材料等領域，并在產(chǎn)品研制的全生命周期中得到廣泛的使用。在家具設計領域，該技術尤其是在家具組建庫的建立以及三維渲染效果方面有待進一步探索。圖3給出了家具產(chǎn)品數(shù)字仿真平臺的整體研究架構。

　　數(shù)字化仿真平臺的研究構架中，通過基礎項目的研究，完成各項數(shù)字化支撐技術進而開發(fā)出各類工具，最終完成整個平臺的搭建。在虛擬現(xiàn)實技術VR(Virtual Reality)等設備的支持下，以家具行業(yè)工藝和知識庫為基礎，通過相關學科的優(yōu)化算法來研究家具三維數(shù)據(jù)下的動態(tài)工藝生成、三維渲染、拆單排樣等技術。并以三維引擎為核心研究仿真元模型建模技術、模板定制技術、組件模型裝配技術、模型資源庫中的家具產(chǎn)品分類標準技術。這些技術的互動則是通過虛擬交互動作規(guī)則與虛擬交互產(chǎn)品行為算法來實現(xiàn)的。在這些支撐技術的基礎上，開發(fā)相應的管理工具、模型建模、裝配仿真工具以及配套的數(shù)據(jù)Web交互系統(tǒng)和接口。

　　以下5點是建立數(shù)字仿真平臺的關鍵：(1)三維數(shù)據(jù)引擎。平臺主要是面向設計與虛擬交互，其中存在大量的三維圖像實時互動，這對系統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)引擎提出了較高的要求。三維數(shù)據(jù)引擎作為底層開發(fā)工具支撐著高層的圖形軟件開發(fā)，它包含了基本圖形的通用算法和工具的封裝。三維引擎還包括仿真圖形的三維渲染算法，使得用戶能夠觀測到逼真的設計效果圖。(2)零件族模型的信息模型描述。產(chǎn)品建模是變型設計的必要手段，而建模的核心任務是建立能夠變型的產(chǎn)品和零件族模型。而零件族模型的變型能力(尺寸變型能力和局部結(jié)構變形能力)與所建立的信息模型描述息息相關。因此，零件族模型的信息模型即其數(shù)據(jù)結(jié)構的確定非常重要。(3)設計過程中的數(shù)據(jù)層次結(jié)構的建立與維護的算法。在產(chǎn)品設計過程中，需要確定一種數(shù)據(jù)結(jié)構類型來描述組件間的層次關系，并確定相關實現(xiàn)算法。(4)產(chǎn)品設計中的基于約束的選配算法。大批量定制設計是根據(jù)產(chǎn)品主體結(jié)構、零部件主模型和文檔來進行，根據(jù)產(chǎn)品特性可將所要選配的模塊分為：基礎模塊、必選模塊和可選模塊。在選配時，已被選配的模塊可能對后者選配時有約束作用，因此需借助于關聯(lián)矩陣，構建基于屬性約束的選配算法。(5)產(chǎn)品設計中的裝配建模技術。目前比較典型的裝配方法有兩種：自底向上和自頂向下的建模方法。但在大批量的定制設計中，裝配的自動化程度決定了裝配建模的速度，采取上述方法進行裝配建模不能滿足設計要求，因此需要研究基于特征約束的預定義的裝配方式。

　　4 平臺實現(xiàn)

　　定制家具數(shù)字化設計與仿真平臺(圖4)采用Visual Studio 2010環(huán)境開發(fā)，基于OpenGL三維圖形引擎。平臺構建了板式家具零件族模型和組建庫，并建立了模型組件間的形變關系約束與裝配參數(shù)約束，平臺能夠根據(jù)設定的家具外形尺寸自動生成組建尺寸和加工工藝，目前已經(jīng)初步應用于衣柜等板式定制家具產(chǎn)品的仿真設計。

　　5結(jié)語

　　家具產(chǎn)品數(shù)字仿真平臺革新了企業(yè)的產(chǎn)品設計和生產(chǎn)方式。一方面，在三維建模環(huán)境中，由家具行業(yè)標準件庫、常用件庫支撐的概念設計能有效的縮短家具產(chǎn)品的設計周期，平臺能直接根據(jù)用戶個性定制的需求完成家具產(chǎn)品的變形設計;另一方面，數(shù)字化設計平臺能夠與企業(yè)的自動化生產(chǎn)線進行對接，從而實現(xiàn)設計數(shù)據(jù)驅(qū)動生產(chǎn)的定制家具制造執(zhí)行系統(tǒng)。平臺有效提升了定制型家具企業(yè)的產(chǎn)品設計效率，顯著縮短家具產(chǎn)品的生命周期，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，通過數(shù)字化的方式控制生產(chǎn)，還有效的降低了出錯率。

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