實木家具是指以自然木材為基材生產(chǎn)的家具。實木家具在外觀造型上與板式家具有很大區(qū)別。板式家具造型規(guī)范，結(jié)構(gòu)簡單，用一個二維視圖再加一個厚度信息就可表示其絕大部分造型信息；而實木家具的造型不規(guī)范，結(jié)構(gòu)復雜，要表達其外部形狀，除了需要三個基本視圖外，通常還需要輔助視圖。

　　由于實木家具造型豐富，復雜多變，為便于家具設計人員充分發(fā)揮其自由思維想象能力，從而促成其創(chuàng)新設計，我們在開發(fā)實木家具CAD系統(tǒng)，考慮實木家具的造型方法與技術時，決定采用多種造型方法（實體造型技術、曲面造型技術、三維參數(shù)化造型技術、特征造型技術、裝配造型技術等）相結(jié)合，互為補充，以滿足家具設計人員的不同設計需要。下面分別討論這幾種造型技術。

　　1 基于特征的三維參數(shù)化實體造型

　　實體造型是以立方體、圓柱體、球體、錐體、環(huán)狀體等多種基本元素為單位元素，通過集合運算（拼合或布爾運算），生成所需要的幾何形體；三維參數(shù)化實體造型則是將產(chǎn)品的三維實體模型和一組參數(shù)相關聯(lián)，利用這組參數(shù)的幾何約束建立工程方程與關系，從而確定、描述產(chǎn)品模型的形狀特征，達到快速設計一簇在形狀或功能上具有相似性的家具產(chǎn)品。在實木家具CAD系統(tǒng)中，采用了基于特征的三維參數(shù)化實體造型方法，所謂特征，就是為滿足自動化生產(chǎn)要求，將加工用到的倒角、孔、木榫等形狀信息和工程信息單獨提取出來而形成的產(chǎn)品信息的集合。在實木家具CAD系統(tǒng)中，將零件的特征分為兩類：工作特征和幾何特征。如圖1所示。

　　工作特征又稱定位特征、輔助特征，主要指工作點、工作軸和工作平面，它提供設計、實體造型和裝配的基準。另外工作特征還包括構(gòu)造特征，構(gòu)造特征指輔助約束零件二維草圖的直線和圓，以它們作為輔助線可以使零件的二維草圖所需的幾何約束和尺寸約束的數(shù)量達到最小。

幾何特征又分為草圖特征和放置特征兩種。草圖特征是在草圖（二維封閉輪廓）的基礎上生成的特征，它支持多草圖和動態(tài)草圖，一次就能生成很復雜的特征。 草圖特征有：拉伸特征，生成各種由柱和錐構(gòu)成的特征； 旋轉(zhuǎn)特征，生成由回轉(zhuǎn)體組成的特征；掃掠特征，它根據(jù)掃掠路徑由草圖生成復雜的特征，路徑可以是二維的也可以是三維的；放樣特征，它由空間的多個草圖生成一個有較為復雜表面的實體。

放置特征是不需要草圖，在其它特征上面給出位 置就可生成的特征。放置特征有：倒角特征；圓角特征（定半徑、變半徑）；圓孔特征（直孔、沉孔、倒角 孔）；榫孔特征；木榫特征；曲面切割特征，將復雜曲面轉(zhuǎn)換為實體的一部分，實現(xiàn)曲面向?qū)嶓w的轉(zhuǎn)換，生成外表面很復雜的實體；特征陣列，通過矩形陣列和環(huán)形陣列使一個特征變?yōu)槎鄠€按一定順序排列的特征；零件分割特征，把一個整體設計按需要分割成多個零件；零件布爾運算特征，把多個零件合并成一個零件，可以將復雜零件分解成簡單零件生成然后合并，為復雜零件的生成提供了又一種手段。

　　在實木家具CAD系統(tǒng)中，實木家具的零部件造型主要采用基于特征的三維參數(shù)化實體造型技術，并輔之以基于NURBS的復雜曲面造型技術。實木家具的零部件造型采取自底向上的工作方式，其設計思想是：

　　首先分析整個實木家具零件，確定最簡單的造型方法：即確定怎樣將零件分解為簡單的形體，尋找合適的結(jié)構(gòu)要素作為基礎特征，確定創(chuàng)建附加特征的順序和各特征之間的相互關系與聯(lián)接形式，確定創(chuàng)建特征的方法； 然后根據(jù)前面的分析開始零件的具體造型：先生成基礎特征，然后生成其它主要特征，完成主體造型，再生成附加特征，完成零件整體造型。在零件具體造型的任何時候都可以對零件進行參數(shù)化編輯修改。

　　2 曲面造型技術

　　實木家具造型設計中常常需要混合使用各種簡單、復雜的曲線、曲面以表達設計者的設計意圖，而這是采用實體造型或特征造型技術所不易完成的。

　　在實木家具CAD系統(tǒng)中，實木家具零部件可以由實體生成，也可以由曲面生成，曲面造型比實體造型能生成更復雜的零件，但參數(shù)化設計方面不如參數(shù)化實體造型方便。實木家具CAD系統(tǒng)中的曲面主要用于對實體進行曲面切割，從而完成所需要的幾何造型，圖3所示為采用拉伸曲面對實木椅腿側(cè)面進行曲面切割而完成其幾何造型的情況。

　　在實木家具CAD系統(tǒng)中，曲面按其生成方式分為基本曲面、運動曲面、表皮曲面和衍生曲面等?；厩媸浅醯冉馕銮?，包括圓柱面、圓錐面、球面與圓環(huán)面。 運動曲面是由一些曲線按一定規(guī)律在空間運動形成的曲面，包括旋轉(zhuǎn)曲面、拉伸曲面、掃掠曲面和圓管面。表皮曲面是覆蓋于線框模型上的曲面，包括直紋曲面、平面曲面、U放樣曲面和UV雙向放樣曲面。衍生曲面是由已知的曲面派生出來的曲面，包括變半徑圓角、三面拐角倒圓、過渡曲面和偏移面。在本系統(tǒng)中提供了曲面全面編輯、打斷、合并和延展、曲面截取、縫合、簡化、修復間隙、替換曲面邊界等功能。

　　曲面切割的關鍵在于：1. 創(chuàng)建曲面，2. 曲面位置的確定。而創(chuàng)建曲面的關鍵在于截面線和掃掠路徑（對于掃掠曲面）的創(chuàng)建生成，截面線和掃掠路徑的創(chuàng)建有幾種方法，如提取實體的截面輪廓、復制實體邊界、用戶自己繪制等。前兩種適合于截面線或掃掠路徑比較復雜或用戶自己繪制比較費事等情況，如圖4所示曲面，其掃掠路徑是實木椅前腿前端面邊界的一部分。

3 基于約束的裝配造型

　　裝配建模有兩種方法，即自底向上建模和自頂向下建模。前者是在整體方案確定后，設計人員利用CAD工具分別進行各個零件的詳細結(jié)構(gòu)設計，然后定義這些零件之間的裝配關系，形成產(chǎn)品模型。后者首先建立產(chǎn)品的功能表達，并分析這種表達是否滿足產(chǎn)品要求，然后設計者利用CAD系統(tǒng)不斷細化零件的幾何結(jié)構(gòu)，以保證零件的結(jié)構(gòu)滿足產(chǎn)品的功能要求，建立產(chǎn)品模型。

　　實木家具產(chǎn)品建模采用這兩種方式的綜合。因為實際的實木家具產(chǎn)品設計并不是嚴格的自頂向下設計，而是在整體上自頂向下，在局部上仍存在自底向上的工作方式。同時產(chǎn)品功能要求和方案設計制約著零件的結(jié)構(gòu)設計，而零件的詳細結(jié)構(gòu)設計反過來又影響著產(chǎn)品的裝配方案，產(chǎn)品設計的過程實際上是產(chǎn)品功能與方案設計和零件結(jié)構(gòu)詳細設計的相互反復的過程，因此零件建模和裝配建模需結(jié)合進行。產(chǎn)品的裝配模型是建立在高層語義信息基礎上的，因而產(chǎn)品裝配模型需要采用特征來建模。

　　實木家具產(chǎn)品由下級零部件裝配而成，部件又由更下級的零件和子部件組成。實木家具CAD系統(tǒng)利用裝配的約束關系將這些零件和部件按照一定的層次裝配成家具產(chǎn)品。實木家具的整體裝配造型采取自頂向下的工作方式，其裝配過程一般分為兩步：

　　**步是建立裝配樹。將要建立裝配約束關系的零部件加到裝配樹中。

　　第二步是在裝配樹中給零部件添加約束，以逐漸減少零部件的自由度并使之按規(guī)定的約束組裝起來形成家具產(chǎn)品。 實木家具CAD系統(tǒng)的裝配約束分為以下幾種：配合、表面齊平、對準角度和插入，它們實現(xiàn)面與面、面與線、面與點、線與線、線與點和點與點之間的約束。 面可以是平面也可以是圓柱面，線可以是直線、軸線和矢量方向，點可以是實體頂點、端點和圓心等。

4 結(jié)論

本文所述的基于特征的三維參數(shù)化實體造型技術、曲面造型技術和基于約束的裝配造型技術在實木家具CAD系統(tǒng)中均得以應用和實現(xiàn)，大大提高了實木家具造型的速度。該系統(tǒng)在光明集團家具股份有限公司使用，效果良好。圖7-9是光明集團家具股份有限公司采用實木家具CAD系統(tǒng)進行實木家具造型設計的部分實例。

參考文獻

1. 董仁揚. 三維機械設計軟件MDT 4 增強版培訓教程. Autodesk中國西部大學. 2000,4

2. 楊繼平．實木家具CAD系統(tǒng)的研究與開發(fā). [碩士學位論文]．重慶：重慶大學，2000

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