基于TopSolid的簡化家具裝配幾何界面設計

劉 舸 ，劉子川 ，馬 英

基于TopSolid的簡化家具裝配幾何界面設計

劉 舸1，劉子川2，馬 英1

(1.中南林業科技大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004；2.華南師范大學 美術學院，廣東 廣州 510631)

模塊化自上而下的家具產品建模方法，雖然在設計過程中家具產品組成模塊能夠根據特定的機制整合所有模塊，產生家具產品所需功能的優勢，但處理具有龐大幾何形體與約束關聯數據的家具模型時，存在家具幾何模型中的組成模塊難以變更、變形困難等缺點。為此提出簡化家具裝配幾何界面設計方法，使用幾何外形退化、約束關聯轉移等處理手法，將標準化的裝配關系與簡化后的幾何元素相結合，建立模塊化家具產品的簡化裝配幾何界面，作為家具產品開發設計人員的設計依據。實例表明，該方法避免了復雜家具模型裝配規劃中的龐大數據處理問題，有助于提高設計效率，降低設計成本，保持設計的一致性，方便設計資源的重復利用以及設計團隊的相互協作。

家具裝配；TopSolid；建模方法；模塊化；幾何界面

在商貿全球化的時代背景下，國際間商業交流頻繁，使得愈來愈多的國家與家具廠商擁有相近似的制造技術、人力資源，而家具產品的差異化就成為競爭優勢形成的關鍵。隨著市場對家具產品求新求變的速度加快，要求縮短家具產品生命周期與壓縮設計開發的時間。

在家具產品開發過程中，設計師采用何種設計策略，是決定設計數據傳遞流向與設計關聯產生方式的關鍵所在。目前，家具企業大多采用“自上而下的設計方式”為主。設計師先進行系統層級的設計規劃，再進行子系統、子子系統一直到對單件家具零件的細部設計[1]。這種方式在設計過程中，設計師得以依序由較高家具產品架構層次往較低層次推展設計內涵，并通過綜觀所有子系統的角度進行彼此間的配合關聯參考設計。早期使用的“自下而上的設計方式”因對家具產品的整合性難以掌握，目前已較少采用[2]。

1 模塊化自上而下設計

自上而下的設計策略，對于家具產品設計來說，具有可以通過全局審查方式掌控設計數據的優點，但在設計關聯性的管理上，反而成為它的致命缺點。因為設計師很容易直接參照其他組件的數據進行設計，使家具產品的個別功能由多個子系統合成提供，形成整合式的架構。但當需要沿用現有關聯式設計數據時，會面臨整合式設計架構的兩大問題：

(1)子系統的設計數據是由系統層級數據發展而來，子系統的設計數據與上層數據產生關聯相依性，無法獨立存在。

(2)子系統在設計時彼此互相參照，形成相互間的關聯性，彼此相依，無法獨立存在。

而模塊化架構則限定產品的個別功能由單一模塊提供，免除模塊(子系統)間的復雜關聯[3](見圖1)。

圖1 家具產品架構類型Fig. 1 Furniture framework types

將模塊化架構加入自上而下的設計方式中，可以得到如圖 2所示的新“模塊化自上而下設計”方式，可以有效改善設計數據傳遞流向與關聯的產生環境。

在模塊化自上而下設計中，屬于系統層級的設計部分仍保留原來自上而下的設計，但設計數據并不直接傳遞到模塊中。個別模塊的內含組成，因在模塊規劃階段已排除再分割的可能性，則以整合式架構進行設計，設計過程中家具產品組成模塊根據特定的機制建立與家具裝配系統模型的設計關聯，并通過與系統層級設計數據的配合，達到整合所有模塊產生家具產品所需的功能。此機制中最重要的溝通中介是——裝配幾何界面。

圖2 模塊化自上而下設計Fig. 2 Top-down modular design

2 模塊化家具產品的模塊應用方式

以模塊化的家具產品架構進行設計，是為了能夠沿用原有產品設計數據，使新產品設計的可行性得到提高。沿用的方式分為兩種類型：

(1)復制完整的家具產品設計成為新設計，再以移除、增加或替換不同模塊的方式修改成新的設計。

(2)重新開始新的家具產品設計，以裝配(增加)模塊的方式完成所需的家具產品設計。

無論使用上述哪種方式，設計師對設計模塊的操作都不外乎增加、移除或替換3種模式。

家具模塊的增加方式是在模塊端以對應系統端相同的裝配幾何界面定義，由設計者裝配或由系統自動裝配，這樣就限定家具模塊的裝配只能有系統與模塊之間的關系，排除了模塊與模塊之間的裝配關系。

家具模塊裝配界面的定義，是建立家具產品所有組成設計模塊的共同裝配的依據。所有的設計模塊都裝配在模塊裝配幾何界面上，而非傳統的模塊互相組合方式。

系統端的裝配幾何界面組成類似簡化的虛擬家具產品組成框架，當家具模塊替換時，因彼此間無裝配的次序關聯，被替換模塊可以單獨移開而不會影響其他的模塊功能(見圖3 )；相應地，替換模塊在裝配時也是組裝在裝配幾何界面上，因此也可以很容易地抽換。

圖3 使用裝配界面的家具設計模塊替換Fig. 3 Furniture design modules replacement by using assembly interface

3 簡化家具裝配幾何界面設計

在實際的家具產品設計中，對造型簡單的家具產品而言，其內含設計幾何與約束關聯的數量通常只有數十個，但是對大型組合家具產品，其內含的幾何與約束關聯數量非常龐大，常常數以百計或更多，直接進行家具裝配幾何界面設計幾乎不可能。

在TopSolid系統中，可以使用下列步驟實現復雜家具的裝配幾何界面設計：

(1)將整個系統的家具裝配模型幾何與約束，簡化成最基本的條件。

(2)簡化后家具裝配模型中幾何間的約束轉移。

(3)將家具模塊與模塊間的約束關聯轉移成家具裝配幾何界面與模塊間的約束關聯。

(4)將細部設計后的設計模塊裝配成完整的家具產品。

3.1 家具裝配模型約束簡化

在TopSolid系統中，將家具幾何模型中的約束條件關聯，以CSG/B-rep 階層方式展開，由于模塊間的約束條件關聯限制，存在家具幾何模型中的組成模塊難以變更的問題。

約束條件關聯可區分為內部與外部兩種。以模塊作為基準，模塊中內含設計特征之間是屬于內部約束條件關聯，模塊間的關聯則為外部關聯。外部關聯是形成模塊間的相互參考而無法個別改變的原因， 包含模塊彼此間的裝配關聯、模塊內的設計特征與其他模塊的設計特征具有參考關聯、模塊中設計特征的組成元素與其他模塊的設計特征組成元素具有參考關聯[4]。

模塊中內含的幾何形體越多，意味其約束條件的關聯內容越復雜，越難以管理。為了完整表現家具設計產品的內容，龐大的幾何形體與其彼此間的約束關聯是不可避免的，透過良好的幾何形體與其彼此間的約束關聯管理，可以使家具產品組成模塊間的設計關聯單純化并易于管理。

以設計師在設計構思階段類似的草圖呈現方式，先不考慮家具產品模型中的細部幾何外形，當眾多的家具產品模型幾何形體被簡化到最基本的數量時，設計師可以較容易分析出家具設計模塊間的裝配關聯性，以轉移成符合模塊產品特性的方式[5]。

在簡化幾何形體內容的方式上，采用將幾何形體以類似退化的方式進行，將外形簡化到最少的幾何形體數量，但仍保持必要的連接條件為止。在圖4中展示了在TopSolid系統中，折疊椅的幾何外形退化演變過程。

圖4 折疊椅幾何外形退化演變Fig. 4 The evolution of folding chair geometric shape degradation

圖5 (a)中折疊椅前后腿單側連接以 B-rep 方式表示具有60 個幾何元素(23個曲面、37條邊線)，經過簡化后得到如圖 5 (b)的簡化幾何形態，再經第二階段的簡化，得到如圖 5(c)的最終幾何形態(2條曲線、1 個點) 。

圖5 簡化幾何外形演變Fig. 5 Evolution of simplified geometric shape

從圖5可發現家具幾何外形簡化的程度越高，則幾何元素數目越少，約束條件數量也同樣減少，即約束條件數量與幾何數目呈正比關系。因此，設計師可以通過簡化家具模型幾何形體的方式，減少約束條件數量，達到簡化轉移約束關聯的目的。

3.2 約束關聯轉移

在圖5折疊椅模塊的具體設計中，使用簡化幾何與約束條件的方式后，約束關聯的分組與轉移是下一個要進行的步驟。 將模塊化設計的折疊椅模型架構分解成最基本組成狀態，可將其視為由家具裝配模型本身與各個組成模塊。折疊椅裝配模型本身是提供其組成模塊的裝配框架(見圖6)。

圖6 簡化裝配幾何的折疊椅裝配模型Fig. 6 Folding chair assembly model after geometric shape simplified

從圖6可以看出，家具模塊化設計使用界面關聯的方式進行設計，排除了模塊與模塊間的設計關聯，但模塊與裝配系統模型間的設計關聯依然存在，必須將這些關聯轉移至一種具有“可協同”特性的中介，才可使個別模塊與系統模型間的關聯解除。

具有“可協同”特性的中介必須是可以單獨存在且容易復制的電子文檔，此文檔包含了家具設計產品所有模塊裝配所需的基本簡化幾何元素及裝配關系(見圖7)，當個別模塊被重復使用到新的產品時，只須復制中介文檔，而不需使用到整個系統模型。

通過應用中介文檔，除了可以轉移模塊與裝配系統模型間的設計關聯，還可將其作為類似家具模塊裝配產品的共同裝配中介，減少重復使用模塊的中介文件數量。

圖7 折疊椅簡化幾何元素的裝配關系Fig. 7 The assembly relationship between simplified geometric elements of folding chair

4 家具裝配幾何界面應用程序

在進行家具系統層次設計時，項目方案負責人必須先創建家具產品的模塊空間配置與簡化的裝配幾何界面中介文件，設計團隊中的其他設計人員再復制產品中所分配到的中介文件到所屬設計模塊，成為其設計模塊的初始內容。

這些設計師在進行后續的細部設計時，只要依循分配到的空間配置參考設計，就能確保與其他的模塊不會有干涉的情形產生(見圖8)。幾何界面應用程序是將前述的簡化幾何元素與轉移關聯到幾何界面的方式，應用到實際家具模塊產品開發。此模塊化家具產品的設計程序如下：

(1)定義出家具產品裝配模型架構。

(2)根據架構建立模塊化家具產品的簡化裝配幾何界面，并保存為中介文檔。

(3)復制中介文檔中的參照幾何界面到個別模塊。

(4)在個別模塊中根據所復制參照幾何界面進行細部設計。

(5)將細部設計完成的個別模塊，裝配到中介幾何界面中，協同完成家具項目設計。

圖8 檢查干涉Fig. 8 Interference detection

5 結 語

自上而下的設計是家具CAD研究中的重要領域。在提出模塊化自上而下設計的基礎上，探討了TopSolid系統中如何實現復雜家具的裝配幾何界面設計問題，解析裝配界面所具備的特性，將標準化的裝配關系與簡化的幾何元素結合，作為家具產品開發設計人員的設計依據。具有變化性的家具模塊，只要使用相同的幾何界面定義，就能確保正確地裝配到家具產品模型中，如果將簡化的裝配幾何界面的命名規則建立， 在TopSolid系統中可以進行自動裝配與替換，這使得家具裝配的程序進一步簡化。這種簡化的家具裝配幾何界面，在家具設計師執行自上而下的設計策略時，不用再去擔心重新設計與裝配模塊的問題，可以專注于模塊設計，有效提高家具產品開發效率，為同步工程應用于家具產品開發提供了平臺。

[1] 彭 龑,何玉林,鄭太雄.基于裝配的柔性化家具CAD設計技術和方法[J].計算機工程與應用, 2002, (07): 231-233.

[2] 郭勤靜,張 宇,王 磊,等.基于UGNX4的自上而下參數化建模裝配設計[J].機床與液壓, 2008, (02): 62-67.

[3] 干 靜,辜 夷.基于模塊化的家具定制模式的研究[J].包裝工程, 2007, (09): 107-122.

[4] 劉 舸,劉子川,馬 英.TopSolid平臺下柜類家具智能標準柜庫的研究與實現[J].中南林業科技大學學報, 2010, 30(10): 133-137.

[5] 劉 舸.家具設計構想階段數字化草圖繪制的探討[J].家具與室內裝飾, 2006, (03): 90-91.

Geometric interface design of simplified furniture assembly by TopSolid

LIU Ge1, LIU Zi-chuan2, MA Ying1
(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China;2. College of Fine Arts, South China Normal University, Guangzhou510631, Guangdong, China)

Top-down modular approach on furniture products modeling can integrate all modules according to specific mechanism and has the advantage of furniture products required in design process. However, there are disadvantages that it is difficulty to change and replace after composing modules in a furniture geometric model when dealing with mock up furniture that has huge geometric figure and constraint link data. Therefore, a simplified geometric interface design for furniture assembly was put forward.The simplified furniture assembly geometric interface was established by using geometric shape degradation, constraint link transfer and then the interface was used as the design basis for products designers. The design examples show that the method avoids large data processing problems in the complex furniture model design, will improve design efficiency, reduce design costs, maintain design consistency and is important for the reuse of design resources and design of team collaboration.

furniture assembly; TopSolid；modeling method; modularization; geometric interface

S784；TS664

A

1673-923X(2012)01-0171-05

2011-10-11

湖南省教育廳科學研究項目(11C1318); 中南林業科技大學青年科學研究項目(2008026B)；中南林業科技大學木材科學與技術國家重點學科資助項目

劉 舸(1975—)，男，四川營山人，講師，碩士，主要從事家具設計與制造方向的教學與科研；E-mail: liuge@yahoo.cn

[本文編校：謝榮秀]