虛擬裝配技術(shù)在榫卯結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究

摘 要： 本文針對傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)與在當(dāng)今家具研究中存在的問題，提出傳統(tǒng)工藝與現(xiàn)代設(shè)計(jì)相結(jié)合，將虛擬仿真領(lǐng)域中的數(shù)字化仿真技術(shù)引入到榫卯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究中，以Pro/E為平臺，以 “有束腰方凳”為研究對象，進(jìn)行虛擬仿真設(shè)計(jì)。文章首先闡述虛擬仿真技術(shù)的含義，其次提出榫卯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在現(xiàn)代研究的困難及問題；最后通過實(shí)例來驗(yàn)證虛擬仿真技術(shù)在榫卯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的可行性。結(jié)果表明，利用虛擬仿真技術(shù)能有效的提高榫卯結(jié)構(gòu)研究的效率，為家具設(shè)計(jì)開發(fā)提供一條新的思路。

關(guān) 鍵 詞：榫卯結(jié)構(gòu) 數(shù)字化仿真 有束腰凳

一、前言

傳統(tǒng)榫卯工藝是傳統(tǒng)文化中的瑰寶[1]，在現(xiàn)代家具設(shè)計(jì)中迫切需要對其進(jìn)行深入學(xué)習(xí)與研究。但是由于榫卯工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在教學(xué)中此類物理教具制作困難，不能進(jìn)行批量的機(jī)械化生產(chǎn)。并且內(nèi)部榫卯結(jié)構(gòu)不能通過物理教具直接觀察到，學(xué)習(xí)者不能直觀的理解其結(jié)構(gòu)，這造成學(xué)習(xí)榫卯結(jié)構(gòu)的過程非常困難[2]。針對榫卯工藝在研究過程中存在的此類問題，本文提出引入數(shù)字化設(shè)計(jì)中的新方法、新技術(shù)，將數(shù)字化仿真設(shè)計(jì)與榫卯工藝相結(jié)合，以“有束腰方凳”為例，進(jìn)行虛擬仿真設(shè)計(jì)。利用仿真技術(shù)對榫卯結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字化模型的構(gòu)建，并利用虛擬裝配技術(shù)對其進(jìn)行裝配和構(gòu)建。這樣避免了物理教具的批量制造，降低教學(xué)成本，提升了教學(xué)效率，為榫卯結(jié)構(gòu)的教學(xué)研究提供了一條新的思路，本文主要研究的是通過仿真模擬技術(shù)對傳統(tǒng)榫卯工藝進(jìn)行研究及其數(shù)據(jù)庫的建立。

二、數(shù)字化仿真構(gòu)建方法

1、數(shù)字化仿真技術(shù)含義

數(shù)字化仿真技術(shù)是以虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程統(tǒng)一建模，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、加工和裝配、檢驗(yàn)、整個(gè)生命周期的模擬和仿真。這樣可以在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就模擬出產(chǎn)品及其性能和制造過程，以此來優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和制造過程。與傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)相比，數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率等各方面都發(fā)生了質(zhì)的變化，數(shù)字化工業(yè)設(shè)計(jì)將主要包括數(shù)字化建模，數(shù)字化裝配，數(shù)字化評價(jià)，數(shù)字化制造，以及數(shù)字化信息交換等幾方面。

2、數(shù)字化仿真設(shè)計(jì)流程

在現(xiàn)實(shí)家具榫卯工藝研究的方法是：把已有的家具進(jìn)行拆解，對拆解后的榫卯結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量、記錄與學(xué)習(xí)。而在Pro/E系統(tǒng)中，學(xué)習(xí)研究榫卯結(jié)構(gòu)的方法是：首先通過對榫卯家具進(jìn)行拆解，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)測量；然后通過數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，并采用數(shù)字化樣機(jī)來代替原來的物理原型，在數(shù)字狀態(tài)下進(jìn)行仿真分析，對原設(shè)計(jì)進(jìn)行裝配重組。這樣不需要實(shí)物原型，就可以讓更多的設(shè)計(jì)人員在不同時(shí)間不同的地點(diǎn)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行榫卯結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)和研究。

三、數(shù)字化仿真實(shí)例

首先是建模平臺的選取，考慮到數(shù)據(jù)格式的通用性、三維模型建設(shè)的便捷性，以及數(shù)據(jù)管理方式的先進(jìn)性，最終選用了軟件Pro/E作為三維建模平臺。對結(jié)構(gòu)件和零件用軟件Pro/E進(jìn)行建模來更直觀的展示傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以此來系統(tǒng)闡述榫卯結(jié)構(gòu)制圖和模型制作的現(xiàn)代工藝流程。由于凳子是明清家具中最基本的單品，其結(jié)構(gòu)也是桌、案、幾等家具的本源。本文將具有榫卯結(jié)構(gòu)的束腰凳進(jìn)行拆解，并對拆解后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬。

1、定義初步產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

在進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)之前要對產(chǎn)品進(jìn)行初步結(jié)構(gòu)分析：首先采用自頂向下設(shè)計(jì)方法規(guī)劃出束腰凳的整體造型結(jié)構(gòu)關(guān)系，即產(chǎn)品結(jié)構(gòu)包含了一系列的子裝配件，以及它們所繼承的設(shè)計(jì)意圖。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)由各層次裝配和元件清單組成，在定義設(shè)計(jì)意圖時(shí)，有許多子裝配是預(yù)先確定下來的：比如對本例束腰凳進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，可以看到本例凳子一共使用了攢邊打槽裝板、抱肩榫、格肩榫這三種榫卯裝配結(jié)構(gòu)。

2、數(shù)字化樣機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)

在明確了設(shè)計(jì)意圖并定義了“有束腰凳”產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)和框架前提下，將圍繞設(shè)計(jì)意圖和基本框架展開零件和子裝配的詳細(xì)設(shè)計(jì)。首先是子裝配件的確定，通過對基本框架的研究分析得出產(chǎn)品共分為三個(gè)子裝配體：攢邊打槽裝板結(jié)構(gòu)子裝配體、抱肩榫結(jié)構(gòu)子裝配體、格肩榫子裝配體。當(dāng)子裝配體確定下來，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)傳遞下去之后，可以進(jìn)行單個(gè)的零件設(shè)計(jì)。

2.1凳面榫卯結(jié)構(gòu)仿真

從拆解圖二可以看出，凳面采用的是攢邊打槽裝板連接方式。我們將攢邊打槽裝板連接方式定義為子裝配件，在子裝配件下進(jìn)行板心及邊框的詳細(xì)設(shè)計(jì)。趲邊打槽裝板的裝配結(jié)構(gòu)是首先將板心裝納在四根邊框之中，然后將裝板的邊框裝配起來[3]。這種裝配結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于邊框伸縮性不大，使得整個(gè)家具的結(jié)構(gòu)不至由于面板的脹縮而受影響，起到了穩(wěn)定堅(jiān)實(shí)的作用。

趲邊打槽裝板裝配結(jié)構(gòu)定義完之后開始進(jìn)行零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，由圖四可以看出此裝配零部件由凳面的帶榫頭的兩根大邊和兩條帶榫眼的抹頭組成。這四根木框兩根長而出榫的叫“大邊”，兩根短而鑿眼的叫“抹頭”。經(jīng)過以上分析，在Pro/E環(huán)境中建立這四根帶有榫卯結(jié)構(gòu)的木框零部件。

2.2腿足的抱肩榫結(jié)構(gòu)仿真

從圖三可以看出，凳面與腿足及其束腰采用的是抱肩榫連接方式，將抱肩榫連接方式定義為子裝配件，抱肩榫是束腰家具的腿足與束腰、牙條相結(jié)合時(shí)使用的榫卯結(jié)構(gòu)。首先通過測繪獲得各種數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在獲得詳細(xì)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過三維仿真建模技術(shù)，對抱肩榫結(jié)構(gòu)進(jìn)行子裝配件的建立。之后在子裝配件下進(jìn)行牙條與腿足的詳細(xì)設(shè)計(jì)。通過對三維仿真模型的拆解可以看出來，抱肩榫子裝配件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)是在腿足上挖出肩，將牙條插掛在上面來固定四方的框架。同時(shí)掛銷進(jìn)一步定位橫材和豎材，將面受到的壓力均勻傳遞到四足上，腿足上端的長短榫通過抹頭的插接固定了承重面。

2.3.腳檔的格肩榫模型仿真

通過下圖對束腰凳的拆解可以看出，數(shù)字化模型中腳檔與腿足的連接方式為格肩榫，將格肩榫裝配方式定義為子裝配體，然后分析其詳細(xì)零部件。本實(shí)例束腰凳的腿足是方形豎材，此家具用的是大格肩榫結(jié)構(gòu)，肩部為尖角，格肩部分和長方形的陽榫貼實(shí)在一起的，為不帶夾皮的格肩榫，又叫“實(shí)肩”。詳細(xì)零部件構(gòu)成為：格肩榫榫頭在中間，兩邊為榫肩，格肩部分和長方形的陽榫貼實(shí)在一起的，為不帶夾皮的格肩榫，又叫“實(shí)肩”。 齊頭碰在形式上有透榫。

3、數(shù)字化樣機(jī)虛擬裝配

假如在榫卯結(jié)構(gòu)的物理教具裝配演示過程中，需要將裝配的各個(gè)零部件拿到裝配現(xiàn)場進(jìn)行裝配[4]。而在Pro/E虛擬系統(tǒng)中，只需要在計(jì)算機(jī)屏幕上裝配零部件，查看和分析零件的配合情況，這樣可減少對物理樣機(jī)的依賴。

具體的虛擬裝配的方法是：首先是裝配建模體系結(jié)構(gòu)的建立，根據(jù)有束腰凳裝配給定的功能要求和設(shè)計(jì)約束，先確定產(chǎn)品的大致組成和形狀，確定各組成零部件之間的裝配關(guān)系和約束關(guān)系。然后再把束腰凳分解成若干個(gè)零部件，在總體裝配關(guān)系的約束下，同步根據(jù)裝配關(guān)系對這些零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

其次是裝配體層次關(guān)系的定義，束腰凳的裝配體分解成不同層次的子裝配體，子裝配體又可分解成若干子裝配體和各個(gè)零件。通常將零件、子裝配體、裝配體之間的這種層次關(guān)系直觀地表示成裝配樹，樹的根節(jié)點(diǎn)是裝配體，子節(jié)點(diǎn)是組成裝配體的各個(gè)零件，中間節(jié)點(diǎn)則是子裝配體。裝配樹的的關(guān)系體現(xiàn)了實(shí)際形成裝配體的裝配順序，同時(shí)也表達(dá)了裝配體、子裝配體及零件之間的父、子從屬關(guān)系。圖6是有束腰凳的仿真裝配結(jié)果。

四、 結(jié)語

傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)是我國寶貴的傳統(tǒng)工藝非物質(zhì)文化遺產(chǎn)，同時(shí)明式家具榫卯結(jié)構(gòu)工藝也是當(dāng)今學(xué)習(xí)榫卯結(jié)構(gòu)的難點(diǎn)，所以有必要對傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維數(shù)字模型的仿真研究，使學(xué)習(xí)和掌握榫卯結(jié)構(gòu)的過程更快捷。通過三維模型的仿真研究和實(shí)踐，探索出一套學(xué)習(xí)榫卯工藝的學(xué)習(xí)方法，為當(dāng)今家具設(shè)計(jì)提供有益的參考，同時(shí)也促進(jìn)了明式家具的深入研究，有助于傳統(tǒng)文化的廣泛傳播和發(fā)展。

本文為天津市高等學(xué)校人文社會科學(xué)研究一般項(xiàng)目資助 課題號：20112303

參考文獻(xiàn)

[1] 胡中艷，曹陽.中國古代家具設(shè)計(jì)的繼承與發(fā)展[J].包裝工程，2009，30（1）158-160

[2] 楊靜，余隋懷，楊剛俊.明式家具榫卯結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用[J].西北林業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，24（3）：163-166

[3] 王世襄.明式家具研究[M].北京：三聯(lián)書店，2008.

[4] 董蓀.《虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在現(xiàn)代家具中的應(yīng)用研究》，合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.5