实木家具的计算机辅助造型设计方法

实木家具是指以自然木材为基材生产的家具。实木家具在外观造型上与板式家具有很大区别。板式家具造型规范，结构简单，用一个二维视图再加一个厚度信息就可表示其绝大部分造型信息；而实木家具的造型不规范，结构复杂，要表达其外部形状，除了需要三个基本视图外，通常还需要辅助视图。

　　由于实木家具造型丰富，复杂多变，为便于家具设计人员充分发挥其自由思维想象能力，从而促成其创新设计，我们在开发实木家具CAD系统，考虑实木家具的造型方法与技术时，决定采用多种造型方法（实体造型技术、曲面造型技术、三维参数化造型技术、特征造型技术、装配造型技术等）相结合，互为补充，以满足家具设计人员的不同设计需要。下面分别讨论这几种造型技术。

　　1 基于特征的三维参数化实体造型

　　实体造型是以立方体、圆柱体、球体、锥体、环状体等多种基本元素为单位元素，通过集合运算（拼合或布尔运算），生成所需要的几何形体；三维参数化实体造型则是将产品的三维实体模型和一组参数相关联，利用这组参数的几何约束建立工程方程与关系，从而确定、描述产品模型的形状特征，达到快速设计一簇在形状或功能上具有相似性的家具产品。在实木家具CAD系统中，采用了基于特征的三维参数化实体造型方法，所谓特征，就是为满足自动化生产要求，将加工用到的倒角、孔、木榫等形状信息和工程信息单独提取出来而形成的产品信息的集合。在实木家具CAD系统中，将零件的特征分为两类：工作特征和几何特征。如图1所示。

　　工作特征又称定位特征、辅助特征，主要指工作点、工作轴和工作平面，它提供设计、实体造型和装配的基准。另外工作特征还包括构造特征，构造特征指辅助约束零件二维草图的直线和圆，以它们作为辅助线可以使零件的二维草图所需的几何约束和尺寸约束的数量达到小。

几何特征又分为草图特征和放置特征两种。草图特征是在草图（二维封闭轮廓）的基础上生成的特征，它支持多草图和动态草图，一次就能生成很复杂的特征。 草图特征有：拉伸特征，生成各种由柱和锥构成的特征； 旋转特征，生成由回转体组成的特征；扫掠特征，它根据扫掠路径由草图生成复杂的特征，路径可以是二维的也可以是三维的；放样特征，它由空间的多个草图生成一个有较为复杂表面的实体。

放置特征是不需要草图，在其它特征上面给出位 置就可生成的特征。放置特征有：倒角特征；圆角特征（定半径、变半径）；圆孔特征（直孔、沉孔、倒角 孔）；榫孔特征；木榫特征；曲面切割特征，将复杂曲面转换为实体的一部分，实现曲面向实体的转换，生成外表面很复杂的实体；特征阵列，通过矩形阵列和环形阵列使一个特征变为多个按一定顺序排列的特征；零件分割特征，把一个整体设计按需要分割成多个零件；零件布尔运算特征，把多个零件合并成一个零件，可以将复杂零件分解成简单零件生成然后合并，为复杂零件的生成提供了又一种手段。

　　在实木家具CAD系统中，实木家具的零部件造型主要采用基于特征的三维参数化实体造型技术，并辅之以基于NURBS的复杂曲面造型技术。实木家具的零部件造型采取自底向上的工作方式，其设计思想是：

　　首先分析整个实木家具零件，确定简单的造型方法：即确定怎样将零件分解为简单的形体，寻找合适的结构要素作为基础特征，确定创建附加特征的顺序和各特征之间的相互关系与联接形式，确定创建特征的方法； 然后根据前面的分析开始零件的具体造型：先生成基础特征，然后生成其它主要特征，完成主体造型，再生成附加特征，完成零件整体造型。在零件具体造型的任何时候都可以对零件进行参数化编辑修改。

　　2 曲面造型技术

　　实木家具造型设计中常常需要混合使用各种简单、复杂的曲线、曲面以表达设计者的设计意图，而这是采用实体造型或特征造型技术所不易完成的。

　　在实木家具CAD系统中，实木家具零部件可以由实体生成，也可以由曲面生成，曲面造型比实体造型能生成更复杂的零件，但参数化设计方面不如参数化实体造型方便。实木家具CAD系统中的曲面主要用于对实体进行曲面切割，从而完成所需要的几何造型，图3所示为采用拉伸曲面对实木椅腿侧面进行曲面切割而完成其几何造型的情况。

　　在实木家具CAD系统中，曲面按其生成方式分为基本曲面、运动曲面、表皮曲面和衍生曲面等。基本曲面是初等解析曲面，包括圆柱面、圆锥面、球面与圆环面。 运动曲面是由一些曲线按一定规律在空间运动形成的曲面，包括旋转曲面、拉伸曲面、扫掠曲面和圆管面。表皮曲面是覆盖于线框模型上的曲面，包括直纹曲面、平面曲面、U放样曲面和UV双向放样曲面。衍生曲面是由已知的曲面派生出来的曲面，包括变半径圆角、三面拐角倒圆、过渡曲面和偏移面。在本系统中提供了曲面全面编辑、打断、合并和延展、曲面截取、缝合、简化、修复间隙、替换曲面边界等功能。

　　曲面切割的关键在于：1. 创建曲面，2. 曲面位置的确定。而创建曲面的关键在于截面线和扫掠路径（对于扫掠曲面）的创建生成，截面线和扫掠路径的创建有几种方法，如提取实体的截面轮廓、复制实体边界、用户自己绘制等。前两种适合于截面线或扫掠路径比较复杂或用户自己绘制比较费事等情况，如图4所示曲面，其扫掠路径是实木椅前腿前端面边界的一部分。

3 基于约束的装配造型

　　装配建模有两种方法，即自底向上建模和自顶向下建模。前者是在整体方案确定后，设计人员利用CAD工具分别进行各个零件的详细结构设计，然后定义这些零件之间的装配关系，形成产品模型。后者首先建立产品的功能表达，并分析这种表达是否满足产品要求，然后设计者利用CAD系统不断细化零件的几何结构，以保证零件的结构满足产品的功能要求，建立产品模型。

　　实木家具产品建模采用这两种方式的综合。因为实际的实木家具产品设计并不是严格的自顶向下设计，而是在整体上自顶向下，在局部上仍存在自底向上的工作方式。同时产品功能要求和方案设计制约着零件的结构设计，而零件的详细结构设计反过来又影响着产品的装配方案，产品设计的过程实际上是产品功能与方案设计和零件结构详细设计的相互反复的过程，因此零件建模和装配建模需结合进行。产品的装配模型是建立在高层语义信息基础上的，因而产品装配模型需要采用特征来建模。

　　实木家具产品由下级零部件装配而成，部件又由更下级的零件和子部件组成。实木家具CAD系统利用装配的约束关系将这些零件和部件按照一定的层次装配成家具产品。实木家具的整体装配造型采取自顶向下的工作方式，其装配过程一般分为两步：

　　第一步是建立装配树。将要建立装配约束关系的零部件加到装配树中。

　　第二步是在装配树中给零部件添加约束，以逐渐减少零部件的自由度并使之按规定的约束组装起来形成家具产品。 实木家具CAD系统的装配约束分为以下几种：配合、表面齐平、对准角度和插入，它们实现面与面、面与线、面与点、线与线、线与点和点与点之间的约束。 面可以是平面也可以是圆柱面，线可以是直线、轴线和矢量方向，点可以是实体顶点、端点和圆心等。

4 结论

本文所述的基于特征的三维参数化实体造型技术、曲面造型技术和基于约束的装配造型技术在实木家具CAD系统中均得以应用和实现，大大提高了实木家具造型的速度。该系统在光明集团家具股份有限公司使用，效果良好。图7-9是光明集团家具股份有限公司采用实木家具CAD系统进行实木家具造型设计的部分实例