基于NX的硬木家具模件參數化設計方法?

邵興德 張繼娟，2， 杜 瑩 張仲鳳,

（1.中南林業科技大學，湖南 長沙 410004； 2.國家林業和草原局綠色家具工程技術研究中心， 湖南 長沙 410004； 3.湖南省綠色家居工程技術研究中心，湖南 長沙 410004; 4.索菲亞家居股份有限公司，廣東 廣州 511358）

近年來，硬木家具深受人們的關注和喜愛[1-4]。但由于硬木家具在木材特性、結構連接、產品種類、工藝要求等方面比板式家具更為復雜[5]，導致傳統硬木家具企業的生產、設計、工藝管理等方面缺乏統一的標準。企業沒有形成包含標準及通用要素的知識可重用庫，所設計生產的家具信息無法得到有效的利用，生產效率低下[6-7]。

隨著工業制造體系4.0 的發展，使用高性能的三維軟件設計方案并用于制造已經成為趨勢[8]。本研究基于UG NX軟件平臺的參數化功能模塊，對硬木家具劃分模件體系，進行三維建模，并對所創建的模型模板進行參數化，用戶和企業可以通過實際需求調用或修改參數，形成標準模件庫，從而提高設計生產效率。

1 NX軟件參數化設計簡析

UG NX（簡稱為NX）是一款集機械CAD/CAE/CAM于一體的高端軟件，它基于完全的三維實體復合造型、特征建模、裝配建模技術，能設計出復雜的產品模型[9]。同時，該軟件的CAM模塊和內嵌的CAE模塊在技術上均處于領先地位， CAD、CAE和CAM有機集成，可以使產品的設計、分析和制造一次性完成。此外，NX還能提供CAD/CAE/CAM業界最先進的編程工具集，以滿足用戶二次開發的需要[10-14]。

1.1 NX軟件優勢概述

NX是目前世界上較先進的具有產品設計、分析和制造功能的軟件[15]，相較于機械行業其他常用的軟件具有以下優勢：

1）更加豐富的輔助加工功能模塊。相較于Solidworks等軟件，其功能更加健全與強大。NX集成PDM、CAE、CAM于一身，除了管理與分析外，還能做輔助加工。

2）強大的PDM管理功能和API接口。NX的管理系統根據管理系統文件方向導向的不同，分成模型文件管理分支、CAPP工藝設計優化分支和PDM集成智能化產品管理分支等方向[16]。

3）縮短產品設計與制造周期。NX能夠根據三維模型生成對應的二維圖紙，同時能夠生成加工所需的NC代碼對接生產[17]。NX在對所需產品進行建模之后，能夠進行裝配檢查、干涉檢查、孔洞對齊等分析，可有效減少硬木家具新產品和新部件打樣的材料浪費。同時，模型利用參數化設計，可以多次重復利用，避免了繁瑣的重復建模設計，因而縮短設計周期。

1.2 NX參數化設計方法

NX的參數化設計方法主要有以下4 種：用戶自定義特征法、程序編程法、關系式表達法和電子表格法[18]。這4 種方法各有優缺點，在實際使用過程中并不相互獨立，而是可結合使用。

用戶自定義特征法是根據二維草圖的特征，通過對草圖特征拉伸、旋轉等操作生成實體，其核心是對模型草圖的約束。此法在建模中會一直使用。

程序編程法是通過使用NX配置的編程語言，按照模型的構造順序編寫代碼，從而描述建模的整個過程[19]。在需要建立模件時，只要導入相應的程序并順利運行，便可得到所需模件。用戶同樣可以利用UG/OPEN工具針對實際需求，添加所需的用戶菜單與界面并進行應用。程序編程法交互調入方便，應用性好，但對設計者程序開發語言要求較高。

關系式表達法是對尺寸進行直接約束，通過導入函數關系式或是自定義尺寸間的關系，依據尺寸間的關聯性，設置主動尺寸與驅動尺寸，即自變量與因變量的關系。當對主動尺寸進行修改時，驅動尺寸會根據所設置的關系式進行相應調整[20]。此法應用范圍廣泛，創建容易且直觀。

電子表格法適用于建立標準與通用的模件，主要運行思路如圖1 所示。通過在NX中創建模板模型，并將其各規格參數通過NX創建含有函數表達式的EXCEL驅動表格[21]，用戶可以通過控制這一驅動表格對模型進行創建與修改，且用一個標準模件的表格就能表達同類結構模件，從而生成通用模件庫。電子表格法又稱為零件族法，適用于標準零件的參數化建模。

圖1 NX電子表格法構建參數化模件庫方式Fig.1 Ways to build a parametric module library with the NX spreadsheet method

2 基于NX的硬木家具模件參數化設計

本文以某企業生產的明式書柜為例，論證NX在硬木家具設計中的可行性。從該企業設計圖紙中發現，其柜類產品造型沒有太大變化，只是在規格尺寸上有所差別。然而，在實際生產制造過程中仍需要不同的圖紙。該企業工藝技術部需在設計制造的初期依據不同規格的圖紙進行建模，而參數化設計將大大減少重復設計的時間與工作量。

2.1 參數化設計思路

圖2 硬木家具模件參數化設計思路Fig.2 Parametric design ideas for hardwood furniture modules

建立參數化模型是實現參數化設計最為關鍵的一步[22]。硬木家具參數化的總體思路：基于NX從創建零件模板與裝配體模板開始進行建模，結合硬木家具的模件體系[23-24]，將硬木家具分成產品級、部件級與零件級，如圖2 所示。模件是組成家具的最小單位，硬木家具種類繁多，相對應的家具模件也多。因此需要對單個模件進行分析，提取通用的模件進行參數化設計，最后依據實際家具產品的裝配特性設置參數化關聯，達到修改最少的尺寸實現形成最多的產品的目的。

2.2 設計實例分析

依據上述參數化設計總體思路，劃分明式書柜模件層級，得到如圖3 所示的結構層級關系。圖4 是明式書柜的柜門結構，它由兩個大邊、兩個抹頭和一塊面心板組成。此類柜門結構屬于硬木家具通用部件，在硬木家具產品中往往只是規格有所不同[25]。如果按照傳統方法進行建模，不能對現成的模型尺寸進行更改，而需要重新對模型尺寸進行設計，從而產生大量重復性的工作。在此，以書柜的柜門為例，闡述參數化設計方法。

首先對該柜門結構進行細致分析（見圖4）。其抹頭長470 mm，寬40 mm，厚度為30 mm，兩端斜切45°，大邊與短邊用格角夾榫連接，抹頭還需開深度為10 mm的槽口安裝面心板，零件結構對稱。

圖3 明式書柜模件劃分Fig.3 Ming-style bookcase module division

圖4 柜門抹頭結構Fig.4 Cabinet door wiper structure

其次，分析該柜門部件在設計中的參數變更需求。根據現實變更需求，書柜在參數化設計中修改的尺寸有柜整體的長、寬、高，相對應的大邊與抹頭的長度。當繪制不同規格圖紙時，這個參數化的模板需要滿足尺寸變更需求。

完成上述有關抹頭結構與參數變更需求分析后，進行以下基于NX平臺構建參數化模型的具體操作：

1）草圖繪制。根據尺寸要求繪制一個矩形，由于抹頭是左右對稱的零件，因此只需建立一半結構進行鏡像對稱即可得到完整結構，此處矩形賦予尺寸為長235 mm、寬40 mm，拉伸凸臺厚度為30 mm（圖5）。

圖5 繪制草圖Fig.5 Sketch stage

2）拉伸切除操作。如圖6 繪制一條線段，并由快速尺寸操作設置參考角度為45°，此處設置的45°所形成的模板能確保抹頭與大邊處的榫為等腰直角三角形，使模板不會因為尺寸變化產生變形，隨后將這條線拉伸成面并對抹頭進行修剪體操作。

圖6 繪制切除角線段Fig.6 Draw cut corner line

圖7 構建格角榫Fig.7 Building lattice tenon structure

3）大邊與抹頭連接處格角榫構造。同樣進行草圖繪制與拉伸操作。此處可以用表達式法進行參數化設計，參考該企業的具體標準，建立表達式榫頭拉伸起始位置為（抹頭厚-17）/2，結束位置為（抹頭厚-17）/2+8。格角厚度從尖榫結束位置開始減去操作，結束位置為（抹頭厚-17）/2+15，最終得到如圖7所示的結構。

4）榫槽構建。榫頭部分特征完成后，需要在抹頭內側開10 mm深的榫槽。構造裝面心板的榫槽時，同樣要注意草圖的標注方式。為保證在抹頭長度變化時，榫槽的長度能夠隨之產生相應變化，可以如圖8所示繪制凹槽草圖，以確保槽口能與大邊槽口連接，并能與面心板舌配合。

圖8 繪制凹槽草圖Fig.8 Sketch grooves

5）以上特征構建完成后，還需要對抹頭進行倒圓角處理。然后基于右基準面進行鏡像操作，即可得到完整的抹頭，參數化模型模板的創建到此即全部完成。

6）最后對所創建的模型進行驗證，檢驗能否滿足最初參數化設計的需要。點擊模型中的長度尺寸470 mm，或者寬度40 mm，即可在彈出的輸入框中輸入新的尺寸，如圖9所示，通過輸入新的參數值，即重新生成了一個結構相同，尺寸有所變化的抹頭模件模型。表明一個長寬尺寸可任意修改的參數化模件模板完成。

圖9 驗證參數化模板Fig.9 Validation parameterized template

3 結論

本文主要研究了硬木家具模件的參數化設計方法，結果表明：該方法建立的參數化模型可以生成重復調用的模板，通過修改模板中的主、驅動尺寸即可得到不同規格的產品。該方法能夠引導企業重復利用已有的部件，或是對原有的部件進行改型設計，可有效提高企業設計資源的重復利用率。同時，利用NX可以進一步生成基于企業產品的模型資料庫，能夠縮短產品的設計制造周期，具有較好應用前景。