国家级期刊定制家具数字化设计与仿真平台研究

　　现如今，随着人们生活水平的提高，人们对家具的要求也越来越高了，家具制造业也发展的越来越高。很多家庭都选择根据自己家的要求来定制家具，代替了直接买家具来布置房间。本文是一篇国家级期刊投稿的论文范文，主要论述了定制家具数字化设计与仿真平台研究。
　　摘要：家具制造业正在向个性定制化、生产数字化转型。如何快速设计个性化定制家具以及实现相应的数字化生产过程是家具业面临的共同问题。家具产品数字仿真平台通过其庞大的标准件库、常用件库、可变形制造的产品模型库进行概念设计和变形设计，能够有效的提高企业数字化制造水平，降低成本和提高市场竞争力。介绍了一种以数字仿真平台和个性定制为基础的家具产品设计流程，并对该数字仿真平台的架构和关键技术进行了分析。

　　关键词：家具,数字仿真,个性定制,快速设计

　　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

　　随着用户对家具的个性化要求不断提高，家具制造行业正在发生以下方面的变化：(1)激烈的市场竞争以及数字化生产技术的应用使家具产品的生命周期缩短;(2)传统家具市场逐渐呈饱和趋势，以整体衣柜、整体橱柜为代表的更具选择性的销售行为使家具市场朝着个性化、多样化的方向快速发展;(3)用户售前体验和使用质量已经成为用户购买的首要因素之一;(4)数字化制造可以大大加快产品的开发速度并降低开发风险。

　　1家具制造行业现状

　　近年来，自动化的家具制造装备普及应用使我国家具行业有了飞速发展，但是大多数企业仍然以工厂模式设计、生产传统家具，设计环节大部分也只是采用通用CAD软件。与德国等制造业强国相比，我国家具制造业存在的主要问题是：(1)家具产品以低端固定产品为主，缺乏原创性和定制化;(2)劳动力成本和材料价格上升等原因致使成本增加，传统家具企业竞争优势正在减弱，一大批小型家具企业面临倒闭。这些问题促使家具行业与其他相关产业相互渗透、交叉、重组，行业融合有深入发展趋势。当前，以“互联网+家具”的数字化家具设计与制造模式处于萌芽期，发展潜力巨大。与此同时，政府扶持下的产学研一体化进程加快，互联网制造和产品虚拟化设计受到空前重视。

　　如何能在高质量低成本的基础上缩短家具产品的生命周期，开发出具有市场竞争力的产品，是家具制造企业普遍面临的问题。企业能否根据用户的个性需求快速地设计制造出定制产品，已经成为企业能否占领市场、发展壮大的关键。数字仿真技术支撑下的快速设计方法，用户个性定制支撑下的快速设计理念将成为家具行业未来设计发展的主要方向。

　　2 定制化家具产品设计方法

　　传统的家具生产中，卖方主导市场，生产出标准产品供用户选择，消费者对商品没有选择的主动权，卖方只关心产品数量，很少考虑市场的个性化需求。传统的家具产品设计流程如图1所示。

　　在经融危机、劳动力成本上升、传统家具市场逐步饱和等因素的冲击下，家具制造企业必须转型升级。同时，面对消费者不断变化的个性化需求，制造过程需要不断缩短产品生命周期，降低生产成本，更加直接的面对用户需求设计家具产品。此时，更高效的家具产品设计流程如图2所示。

　　上述对比可知，数字化定制设计来源除了概念设计(分析用户需求生成概念产品的设计活动)外还有变形设计(修改参数或局部调整结构的设计活动)。与传统的概念设计相比，现在的概念设计来源不单单是用户需求下的重新设计，而是家具产品标准件、常用件标准库支撑下的组合设计，其设计效率更高。新增的变形设计则是根据用户的实际需求，对已有的可进行生产制造的产品模型进行合理改动并快速生成，新产品的设计周期更短。在庞大的由标准件库、常用件库、可变型制造的产品模型库组成的数据库支撑下，产品的开发设计时间会大幅缩短。同时，概念设计中补充进来的新数据将进一步的扩充标准数据库，从而促进后续的开发设计，使整个开发设计形成良性循环。

　　此外，与传统的基于通用CAD的家具产品设计流程相比更高效的家具产品设计流程中多了通过建立虚拟产品模型(样机)，并对其做仿真测试与实验的步骤。一方面，设计人员通过虚拟家具产品能够更好的模拟其生产出来的效果，提升用户的售前体验，评估是否满足购买需求;另一方面，设计人员通过虚拟产品能够发现可能遇到的设计缺陷、制造缺陷等。　　家具产品的虚拟设计可通过搭建家具产品数字仿真平台来实现。

　　3 数字化仿真平台研究

　　数字仿真技术，就是在数字化参数下运用一个虚拟的系统模拟真实系统的技术。数字仿真技术已经成功应用在航空航天、信息、生物、材料等领域，并在产品研制的全生命周期中得到广泛的使用。在家具设计领域，该技术尤其是在家具组建库的建立以及三维渲染效果方面有待进一步探索。图3给出了家具产品数字仿真平台的整体研究架构。

　　数字化仿真平台的研究构架中，通过基础项目的研究，完成各项数字化支撑技术进而开发出各类工具，最终完成整个平台的搭建。在虚拟现实技术VR(Virtual Reality)等设备的支持下，以家具行业工艺和知识库为基础，通过相关学科的优化算法来研究家具三维数据下的动态工艺生成、三维渲染、拆单排样等技术。并以三维引擎为核心研究仿真元模型建模技术、模板定制技术、组件模型装配技术、模型资源库中的家具产品分类标准技术。这些技术的互动则是通过虚拟交互动作规则与虚拟交互产品行为算法来实现的。在这些支撑技术的基础上，开发相应的管理工具、模型建模、装配仿真工具以及配套的数据Web交互系统和接口。

　　以下5点是建立数字仿真平台的关键：(1)三维数据引擎。平台主要是面向设计与虚拟交互，其中存在大量的三维图像实时互动，这对系统的三维数据引擎提出了较高的要求。三维数据引擎作为底层开发工具支撑着高层的图形软件开发，它包含了基本图形的通用算法和工具的封装。三维引擎还包括仿真图形的三维渲染算法，使得用户能够观测到逼真的设计效果图。(2)零件族模型的信息模型描述。产品建模是变型设计的必要手段，而建模的核心任务是建立能够变型的产品和零件族模型。而零件族模型的变型能力(尺寸变型能力和局部结构变形能力)与所建立的信息模型描述息息相关。因此，零件族模型的信息模型即其数据结构的确定非常重要。(3)设计过程中的数据层次结构的建立与维护的算法。在产品设计过程中，需要确定一种数据结构类型来描述组件间的层次关系，并确定相关实现算法。(4)产品设计中的基于约束的选配算法。大批量定制设计是根据产品主体结构、零部件主模型和文档来进行，根据产品特性可将所要选配的模块分为：基础模块、必选模块和可选模块。在选配时，已被选配的模块可能对后者选配时有约束作用，因此需借助于关联矩阵，构建基于属性约束的选配算法。(5)产品设计中的装配建模技术。目前比较典型的装配方法有两种：自底向上和自顶向下的建模方法。但在大批量的定制设计中，装配的自动化程度决定了装配建模的速度，采取上述方法进行装配建模不能满足设计要求，因此需要研究基于特征约束的预定义的装配方式。

　　4 平台实现

　　定制家具数字化设计与仿真平台(图4)采用Visual Studio 2010环境开发，基于OpenGL三维图形引擎。平台构建了板式家具零件族模型和组建库，并建立了模型组件间的形变关系约束与装配参数约束，平台能够根据设定的家具外形尺寸自动生成组建尺寸和加工工艺，目前已经初步应用于衣柜等板式定制家具产品的仿真设计。

　　5结语

　　家具产品数字仿真平台革新了企业的产品设计和生产方式。一方面，在三维建模环境中，由家具行业标准件库、常用件库支撑的概念设计能有效的缩短家具产品的设计周期，平台能直接根据用户个性定制的需求完成家具产品的变形设计;另一方面，数字化设计平台能够与企业的自动化生产线进行对接，从而实现设计数据驱动生产的定制家具制造执行系统。平台有效提升了定制型家具企业的产品设计效率，显著缩短家具产品的生命周期，降低企业的生产成本，通过数字化的方式控制生产，还有效的降低了出错率。

　　参考文献

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