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(yè)科技大學，湖南 長沙 410004； 2.國家林業(yè)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(tǒng)硬木家具企業(yè)的生產、設計、工藝管理等方面缺乏統(tǒng)一的標準。企業(yè)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(yè)制造體系4.0 的發(fā)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(chuàng)建的模型模板進行參數化，用戶和企業(yè)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(yè)界最先進的編程工具集，以滿足用戶二次開發(fā)的需要[10-14]。

1.1 NX軟件優(yōu)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(yè)其他常用的軟件具有以下優(yōu)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(tǒng)根據管理系統(tǒng)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(yōu)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(yōu)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(fā)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(chuàng)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(chuàng)建模板模型，并將其各規(guī)格參數通過NX創(chuàng)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(chuàng)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(yè)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(yè)設計圖紙中發(fā)現，其柜類產品造型沒有太大變化，只是在規(guī)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(yè)工藝技術部需在設計制造的初期依據不同規(guī)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(chuàng)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(guī)格有所不同[25]。如果按照傳統(tǒng)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(guī)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(yè)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(chuàng)建到此即全部完成。

6）最后對所創(chuàng)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(guī)格的產品。該方法能夠引導企業(yè)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(yè)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(yè)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。