FreeForm虛擬造型系統(tǒng)在家具設(shè)計復雜曲面的應用研究

陳龍++周玲++吳榮++陳學斌

摘要：研究了一種以FreeForm虛擬造型設(shè)計系統(tǒng)為中心接口，結(jié)合3D打印等技術(shù)的家具復雜曲面設(shè)計與實現(xiàn)的方法。首先，對FreeForm自由造型系統(tǒng)及設(shè)計平臺的原理進行了分析。在此基礎(chǔ)上，提出了基于FreeForm虛擬造型系統(tǒng)為中心接口的復雜曲面設(shè)計與實現(xiàn)的思想。然后，對歐式家具復雜曲面設(shè)計與實現(xiàn)的案例進行展示與研究。最后，通過對比傳統(tǒng)方法，總結(jié)出此方法具有設(shè)計快速、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方便、人機交互性優(yōu)等六大優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：FreeForm虛擬造型系統(tǒng) 產(chǎn)品創(chuàng)新平臺 家具設(shè)計 復雜曲面 虛擬現(xiàn)實

中圖分類號：TP391.72 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0120-02

所有企業(yè)都知道新產(chǎn)品開發(fā)對企業(yè)成功的重要性，同時競爭使企業(yè)要考慮產(chǎn)品創(chuàng)新和產(chǎn)品開發(fā)的方式。[1]這就告訴我們新產(chǎn)品開發(fā)的如果模式一塵不變，企業(yè)就有可能受到災難性的阻礙。家具產(chǎn)品中裝飾性復雜的浮雕花紋一直都是東西方古典家具中的經(jīng)典元素，新時代家具設(shè)計中對這一元素需要重新設(shè)計，才能滿足現(xiàn)代市場需求。傳統(tǒng)的家具復雜花紋曲面開發(fā)方法較為原始和復雜，已難以適應市場變化。結(jié)合3D打印等技術(shù)的FreeForm虛擬造型系統(tǒng)可以在曲面造型自由度和實現(xiàn)性兩方面極大提高效率，從而提供了一種易迭代、響應速度快、人機交互強的產(chǎn)品創(chuàng)新方法。

1 以FreeForm虛擬造型系統(tǒng)為中心的創(chuàng)新平臺

1.1 FreeForm虛擬造型系統(tǒng)

FreeForm虛擬造型系統(tǒng)是美國麻省理工大學于上世紀末開發(fā)的一個整合虛擬現(xiàn)實技術(shù)、虛擬數(shù)字油泥與力反饋技術(shù)的三維技術(shù)系統(tǒng)，全稱觸覺式虛擬設(shè)計系統(tǒng)（Haptic Virtual Design System）。產(chǎn)品由美國3D system公司商業(yè)化至今，產(chǎn)品已涉及家具、制鞋業(yè)、珠寶業(yè)、醫(yī)學、建筑工程等上百個不同領(lǐng)域的行業(yè)，在自由曲面造型設(shè)計與實現(xiàn)、虛擬力反饋手術(shù)、建筑結(jié)構(gòu)力學模擬等多個尖端應用技術(shù)點展開有效應用，成為產(chǎn)品創(chuàng)新有效的新開發(fā)方式。

產(chǎn)品基于PC平臺包括了硬件和軟件兩個部分，主要有Phantom硬件、Ghost軟件與數(shù)字油泥Clay三個組成單元。

產(chǎn)品硬件提供了力反饋技術(shù)與數(shù)字油泥技術(shù)，在計算機輔助設(shè)計領(lǐng)域展開了新的歷史篇章，使得人在使用此系統(tǒng)的過程中，從視覺、觸覺兩個維度極大的提升了沉浸感（Immersion），與造型空間，從而降低了數(shù)字化復雜曲面設(shè)計的難度，提升了新產(chǎn)品開發(fā)的效率。

1.2 基于FreeForm虛擬造型系統(tǒng)的產(chǎn)品創(chuàng)新平臺

雖然FreeForm虛擬造型系統(tǒng)具有優(yōu)越的建模性能，但在實際新產(chǎn)品開發(fā)過程中，還需要數(shù)據(jù)導入、產(chǎn)品參數(shù)化、設(shè)計迭代等多項工作的共同作用，才能對創(chuàng)新概念有效的孵化。圖2所示的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計平臺是以FreeForm虛擬造型系統(tǒng)為中心，整合逆向掃描技術(shù)、3D打印技術(shù)的系統(tǒng)化平臺，為復雜曲面的設(shè)計與實現(xiàn)提供了全流程的技術(shù)支撐。力反饋技術(shù)及虛擬油泥的應用實現(xiàn)了平臺的高度沉浸感（Immersion）、交互感（Interaction）和想象空間（Imagination）[2]，從概念導入、模型建立與修改、3D打印與NC數(shù)據(jù)接口全對接，及高度自由的曲面造空間。

1.3 產(chǎn)品創(chuàng)新平臺的虛擬現(xiàn)實原理

對于虛擬現(xiàn)實，通過多維方式與計算機所創(chuàng)造的虛擬環(huán)境進行交互，能使參與者全身心地沉浸在計算機所生成的三維虛擬環(huán)境中，產(chǎn)生身臨其境的感覺，將人與環(huán)境融為一體，使操作人員相信在虛擬境界中人也是確實存在的，而且在操作過程中他可以自始至終地發(fā)揮作用，就像在真正的客觀現(xiàn)實世界中一樣。在虛擬環(huán)境中引入聽覺系統(tǒng)可以補充視覺信息，以增強對環(huán)境的感知。在現(xiàn)實世界中，人們可以操作各種物體，并能感覺到物體的運動阻力、表面紋理、質(zhì)量、柔性等特征，在虛擬環(huán)境中如要體驗到這些特性必須引入觸覺和力感反饋系統(tǒng)。

圖3給出了產(chǎn)品創(chuàng)新平臺的虛擬現(xiàn)實原理，詳細說明了平臺是如何通過力反饋技術(shù)和虛擬油泥技術(shù)使各要素之間發(fā)生關(guān)系的。

1.4 力反饋技術(shù)在創(chuàng)新平臺中的應用

力反饋的直接方法是利用提供動力的電動機和對人體或人體部位進行力反饋的“外骨系統(tǒng)”。所謂外骨系統(tǒng)，實際上就是固定在人體上所需部位的反饋力的系統(tǒng)，如臂部、手部等。一般情況下，系統(tǒng)讓你自由行動，一旦接觸到虛擬的物體，系統(tǒng)會在適當?shù)牟课划a(chǎn)生出對應的反作用力，限制該部位的運動，從而產(chǎn)生出力的感覺。不同反饋將會產(chǎn)生出不同的作用而獲得的。

在平臺中，F(xiàn)reeForm硬件終端——一個具有六個自由度方向空間觸感筆（如圖1所示）在人建模的過程中，實時提供給人們真實力學感受，讓其感受到虛擬空間中模型，在復雜曲面設(shè)計的過程中，虛擬油泥的粗糙度，“拖拽”曲面細節(jié)的阻力甚至模型內(nèi)壁的空間狀態(tài)都可以通過這個裝置讓人的手真實“觸摸”。

2 應用開發(fā)案例

本案例選取了復雜曲面最為代表性的產(chǎn)品，歐式家具裝飾部件雕花的項目載體。傳統(tǒng)的家具雕花制作過程是需要工匠憑借經(jīng)驗雕刻好樣件，然后將樣件掃描或進行CAD處理，最后送入雕刻機，批量制作生產(chǎn)。在創(chuàng)意階段，如果工匠出現(xiàn)了錯誤，只能重新雕刻，在CAD處理的過程中如果出現(xiàn)制造方面的錯誤，對數(shù)字曲面的處理一般軟件也很難處理，而大多工匠對數(shù)字化生產(chǎn)幾乎不懂。造成了從樣件到批量化生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸，本案利用上述的產(chǎn)品創(chuàng)新平臺可以直接從開始就將創(chuàng)意導入到數(shù)字化生產(chǎn)標準下。

2.1 家具雕花曲面初始形態(tài)的建立

在軟件中在Planes（ 面編輯）下選取create plane（建立工作面），建立好工作平面，將草圖導入到平面中，使用平面Draw curves（繪制曲線）工具描繪好圖形的半邊輪廓，并利用Sketch（草圖）下Mirror（鏡像工具）鏡像好一個完整的產(chǎn)品輪廓。利用construct clay（建立油泥） 下的wire cut clay（拉伸成型），將距離調(diào)整為50MM，建立好初始形態(tài)的數(shù)字油泥，將數(shù)字油泥的精度、調(diào)整到1.5，方便初始細節(jié)的制作。然后選取 sculpt clay下的smooth clay，將建立的初始形態(tài)油泥平滑，如圖中4所示。至此初始形態(tài)制作完畢。

2.2 家具雕花曲面草模到細節(jié)的深入

利用草圖的參照性，繪制要陷入或拱起的造型曲線輪廓在工作平面上，然后利用投影平面曲線至初始形態(tài)的虛擬油泥上，利用Deform clay（變形油泥）下 Tug area（變形局部區(qū)域），操控硬件數(shù)字筆，利用力反饋和圖像反饋，細致的造型細節(jié)復雜曲面。這一過程需要對藝術(shù)的把握能力，對雕花間隙和附件的制作還需用到Construct clay（建立油泥）下的Wire cut clay（拉伸成型）Inflate clay（膨脹成型）mirror clay（鏡像油泥），Detail clay（細節(jié)深入） 下的Ridge（山脊），emboss with image（根據(jù)圖像凸起）等工具。細節(jié)深入的過程需要不斷平滑和深入細節(jié)，由于過程較復雜，圖片不一一詳解。最終完整圖5的形態(tài)樣式。

2.3 復雜曲面模型的可制造性檢驗

FreeForm系統(tǒng)提供了強大的CAM模塊Mold（模具）及Analysis tools（檢測工具），本案如果需要塑料件，可以使用拔模分析工具，利用彩虹區(qū)域來判斷形態(tài)是否正確。此外Auto surface工具可以將完整好的數(shù)字油泥模型自動鋪上可供其他CAD/CAM軟件的IGES/STEP面。最后選取自動鋪設(shè)的面圖層，導出需要的格式，可以供RP＼CAD＼CAM下游軟件和設(shè)備使用。（如圖6）

3 優(yōu)勢分析

3.1 加快產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)速度

整合FreeForm自由造型系統(tǒng)的產(chǎn)品創(chuàng)新平臺，對家具設(shè)計中復雜曲面的設(shè)計與實現(xiàn)提供了可制造性的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，使得產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計與開發(fā)的速度有效提升，提升了新產(chǎn)品登錄市場的速度，加強企業(yè)的競爭力。

3.2 提升用戶人機交互性能

FreeForm雕刻模型的內(nèi)外表面， 通過利用可觸覺的、非程序化的、真實的工具進行學習并迅速而直觀，通過視覺和觸覺較大程度上提升了用戶感受虛擬物體的真實性。

3.3 數(shù)據(jù)接口的兼容性優(yōu)

從正向的產(chǎn)品創(chuàng)意產(chǎn)生，產(chǎn)品模型建立到快速原型的加工制作，到逆向的三維掃描，數(shù)據(jù)修復與更改到生產(chǎn)加工，基于FreeForm的產(chǎn)品創(chuàng)新平臺實現(xiàn)了從自由曲面設(shè)計到實現(xiàn)的全數(shù)據(jù)兼容接口，使得創(chuàng)意設(shè)計與生產(chǎn)實現(xiàn)的鴻溝消失。

3.4 易迭代、響應速度快

整個產(chǎn)品創(chuàng)新平臺實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無縫聯(lián)結(jié)，因此在從創(chuàng)意、設(shè)計到實現(xiàn)的任何一個環(huán)節(jié)過程都是可逆的，因此在產(chǎn)品創(chuàng)新的過程中無論是方案的修改迭代，還是任何一個環(huán)節(jié)的錯誤，都可隨時修改。具有易迭代、響應快的優(yōu)點。

3.5 以制造為中心的復雜曲面設(shè)計

基于FreeForm的產(chǎn)品創(chuàng)新平臺實現(xiàn)了數(shù)字油泥（CLAY）的實體建模化與鋪面功能，其拔模分析模塊可以直觀的顯示出曲面設(shè)計不合理之處，有效的規(guī)避了因曲面設(shè)計不合理導致的后期加工困難。

3.6 設(shè)計開發(fā)過程的綠色化

傳統(tǒng)的家具雕花及裝飾設(shè)計需要耗費一定的木料及其他模型材料，致使用戶工作環(huán)境不利于健康，同時產(chǎn)生較多的廢料。本文提出的這一方法有效的減少了產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程的廢料產(chǎn)生，同時提升了用戶的工作環(huán)境。

4 結(jié)語

（1）基于FreeForm虛擬造型系統(tǒng)的家具復雜曲面設(shè)計在中的流程：①改良設(shè)計：掃描數(shù)據(jù)→格式轉(zhuǎn)化（CLAY）→曲面修復與更改→模型鋪面（IGES）→3D打?。ɑ駽AM）②創(chuàng)意設(shè)計：曲面創(chuàng)意設(shè)計（CLAY）→模型鋪面（IGES）→3D打印（或CAM）。

（2）基于FreeForm虛擬造型系統(tǒng)的家具復雜曲面設(shè)計的方法具有加快產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)速度，提升人機交互性能、數(shù)據(jù)兼容性優(yōu)等六大優(yōu)勢。

參考文獻

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收稿日期：2016-08-16

基金項目：院級課題（07031417）“面向產(chǎn)品造型專業(yè)快速設(shè)計與制造創(chuàng)新平臺關(guān)鍵技術(shù)研究”。

作者簡介：陳龍（1984—），男，陜西漢中人，碩士研究生，講師，主要研究方向：數(shù)字建模技術(shù)應用、產(chǎn)品創(chuàng)新平臺、產(chǎn)品設(shè)計管理。