實木定制柜門的標準化設計

任杰，熊先青*，趙建忠，費建良，張江

(1. 南京林業(yè)大學家居與工業(yè)設計學院，南京 210037；2. 浙江升華云峰新材股份有限公司，湖州 313220)

面對消費者居舍格局多變和個性化的需求，定制家居自推向市面后廣受歡迎，近5年以8%～11%的速度穩(wěn)步增長，伴隨消費轉型升級，定制家具增速還會增加[1]。為應對發(fā)展如此迅猛的家居市場，家居行業(yè)的制造模式也在不斷地升級，板式家具由于材料穩(wěn)定、表面平整等優(yōu)點便于加工，已形成較為完善的智能化加工生產(chǎn)鏈[2]。但實木家具因受木材特性和工藝復雜等因素影響，其制造一直發(fā)展較為緩慢。目前標準化研究主要集中在板式柜體上，與柜體存在配套關系的實木柜門，其標準化設計研究較為匱乏[3-4]。實木家具的標準化設計、數(shù)字化制造還處于理論架構階段，對實木柜門的研究也只停留在零件種類尺寸和連接結構上[5-6]，缺乏從實木柜門產(chǎn)品設計拆單到生產(chǎn)的系統(tǒng)性研究。

鑒于此，筆者以某M家具企業(yè)實木柜門的設計生產(chǎn)現(xiàn)狀入手，就如何在現(xiàn)有制造模式基礎上通過挖掘和構建標準化資料，搭建實木柜門的標準化設計平臺，為實木家具的數(shù)字化升級奠定設計端基礎。

1 實木定制柜門設計制造現(xiàn)狀

柜類家具的產(chǎn)品線布局多元，以經(jīng)濟實惠的板式柜體搭配豐富多樣的實木柜門的組合形式占比頗重。但是板式柜體從下單到發(fā)貨只需20 d左右，實木柜門卻需要35 d左右(圖1)。以ERP系統(tǒng)為信息傳導媒介，門店設計師將繪制圖紙或模型上傳后，需要人工審核和拆單，各訂單以下單時間為依據(jù)采用正排法的方式進行排產(chǎn)[7-9]。再與同行企業(yè)(好萊客、喜臨門、夢天、亞振)調研發(fā)現(xiàn)，實木產(chǎn)品生產(chǎn)周期普遍在30～45 d，生產(chǎn)效率普遍緩慢。

探究其因，主要包括兩個方面：一是產(chǎn)品體系復雜，因造型和功能的需求不同，柜門種類較多，且各型號之間柜門零件存在壁壘，主要集中在尺寸和結構上，零部件難以互換；二是設計和生產(chǎn)存在壁壘，設計端以三維軟件為主，生產(chǎn)端以CAD圖紙為主，門店端的模型文件只用于展示，傳達到生產(chǎn)時，采用人工拆單、CAD流轉生產(chǎn)的模式，導致效率緩慢。

圖1 某M公司柜類家具生產(chǎn)周期Fig. 1 The production cycle of cabinet furniture in a manufacturing enterprise M

2 搭建柜門標準化設計平臺

針對企業(yè)的柜門設計生產(chǎn)端現(xiàn)狀，可通過搭建標準化的設計平臺實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息整合化，將隱藏于企業(yè)的隱性資源挖掘出來，健全柜門產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫促進設計拆單便捷化，消除實木定制柜門數(shù)據(jù)傳遞壁壘和改善孤島化作業(yè)模式[10]。流程主要包括健全柜門產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)、搭建軟件設計和拆單環(huán)境、加強柜門數(shù)據(jù)的處理速度與資料輸出完整度，如圖2所示。

圖2 柜門標準化設計平臺搭建導向圖Fig. 2 Guidance drawing of the standardized design platform for cabinet doors

2.1 健全柜門產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)

柜門產(chǎn)品信息涉及產(chǎn)品數(shù)據(jù)、供應商數(shù)據(jù)、生產(chǎn)資料、外部信息和運營數(shù)據(jù)5個部分。柜門產(chǎn)品數(shù)據(jù)需從企業(yè)本身的CAD圖庫、設計端軟件數(shù)據(jù)庫(2020軟件、topsolid、三維+等)[11]、產(chǎn)品展示手冊和產(chǎn)品技術手冊等數(shù)字信息和紙質存檔資料中獲取，采集柜門的零部件形狀、尺寸參數(shù)和界定范圍、榫槽參數(shù)和拼框方式等基礎設計數(shù)據(jù)，是產(chǎn)品進行設計和衍生的決定因素。供應商數(shù)據(jù)和生產(chǎn)資料是產(chǎn)品設計和生產(chǎn)制造聯(lián)系起來的橋梁，便于MES系統(tǒng)的參與和管理。以市場趨勢信息等為主的外部信息是產(chǎn)品設計的發(fā)展導向，也是產(chǎn)品型錄更替的重要依據(jù)。將運營數(shù)據(jù)融入設計端，便于設計端與門店數(shù)據(jù)交互暢通和追蹤快捷。健全的柜門產(chǎn)品數(shù)據(jù)是構建軟件環(huán)境的基石。

2.2 優(yōu)化軟件設計和拆單環(huán)境

改變以整塊柜門為模型塊的設計模式，需要構建柜門產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫和制定柜門的拆分準則，此步驟是實現(xiàn)快速設計和自動化拆單的關鍵。構建屬于柜門產(chǎn)品的數(shù)據(jù)庫主要涉及搭建柜門零部件庫和參數(shù)屬性設定，以部件功能劃分的標準零件和五金件外購件組成柜門主要的數(shù)據(jù)庫，通過調控材料種類、厚度、孔位、油漆、貼皮、雕花等工藝參數(shù)滿足裝飾多樣性，從而實現(xiàn)以零部件為模型塊的設計模式。

制定柜門的拆解原則可以改變目前手工拆單的局面，柜門的拆解原則包括柜門之間和柜門之內(nèi)兩個部分，需固定柜門厚度、數(shù)量、柜門拆分比例和羅馬柱尺寸，才能制定柜門之間的尺寸拆解規(guī)則，根據(jù)設計師的柜門數(shù)量劃分存在一定變化；柜門之內(nèi)的拆解以榫槽厚度、榫槽活動余量、柜門邊梃寬度、中橫數(shù)量直接決定，拆解后的零部件尺寸即零部件的精裁尺寸，直接指導生產(chǎn)。

2.3 加強柜門數(shù)據(jù)的處理速度與資料輸出完整度

柜門數(shù)據(jù)處理主要涉及軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)約束和圖表的制作。軟件內(nèi)部約束指導以數(shù)據(jù)庫為設計資源的設計行為，提升三維軟件的設計信息處理可視化和圖表轉換能力，設計師利用尺寸和結構約束技術實現(xiàn)快速建模和展示，包括渲染效果圖、線框結構圖、爆炸圖、二維工程圖紙等圖表展現(xiàn)與輸出，避免一訂單在多個設計軟件之間的流轉從而造成設計時間過長的現(xiàn)象。

上下端傳遞的資料包括零部件清單、零部件圖、BOM料單、數(shù)控NC文件、封邊清單、連接件孔位圖和清單、五金清單、訂單信息表格、發(fā)貨條碼等[12]，應隨設計的完成及時輸出，設計端的資料輸出與生產(chǎn)端的工藝文件獲取應當同步，改變目前實木柜門工藝文件(數(shù)控NC、孔位圖等)自設計自操作的單機局面。

3 柜門標準化設計關鍵技術

標準化的柜門設計平臺是標準化設計的展示窗口，而標準化設計平臺的搭建離不開關鍵技術的支持，其關鍵技術包括柜門數(shù)據(jù)提取與整合、零件族劃分、編碼技術、模型庫構建、信息的交互與貫通技術。

3.1 榫槽結構和尺寸特征整合

以M企業(yè)93款門型為例，企業(yè)現(xiàn)存的柜門數(shù)據(jù)較為煩瑣復雜，同型號下門板和抽面、造型款和平芯款的尺寸結構不一致，零件間難以替換，增加了生產(chǎn)的難度，故在同型號下零件盡量通用，同功能零件種類精簡的原則下對零件進行結構和尺寸分析和歸類，結構直接影響零件的厚度，故整合順序為結構、尺寸。

3.1.1 榫槽結構

榫槽結構體現(xiàn)在邊料與芯板和邊料與線條的連接方式，固需對邊料、芯板和線條結構歸納分析。邊料結構與組框形式和線條種類有關，組框形式可分為框嵌板和整板、線條種類分為壓線和扣線，故其榫槽樣式可分為框嵌板-無線條(A)、框嵌板-壓條(B)和框嵌板-扣條(C)3種(圖3)；芯板分為有造型和無造型門板，二者厚度存在區(qū)別，但二者都依靠5 mm的U字邊緣搭接或插接進邊料中,故其結構可以統(tǒng)一(圖3D、E、F)。線條分為扣線和壓線，扣線需統(tǒng)一其搭接深度，即從芯板正面到邊料正面的尺寸差值，整合扣線的搭接深度為12 mm。壓線結構中,芯板與壓線的總深為15 mm，芯板厚度為5 mm，故壓線搭接深度不超過10 mm即可保持不變，線條結構見圖4。

圖3 邊料榫槽結構(A、B、C)和邊料與芯板組裝方式(D、E、F)Fig. 3 Edge material tongue and groove structure (A，B，C) and edge material and core board assembly method (D，E，F(xiàn))

圖4 線條結構(扣線為1～5；壓線為6～8)Fig. 4 Line structure (left 1 to left 5 is buckle line; left 6 to left 8 is pressure line)

3.1.2 尺寸整合

柜門通過改變四邊料的長度、芯板的長寬、線條和卡條的長度來滿足客戶的多變需求，因此，需統(tǒng)一四邊料寬度和厚度、中橫的寬度和厚度、芯板厚度，才能提高標準化。尺寸優(yōu)化原則：

1)以零件尺寸眾數(shù)為優(yōu)化對象；

2)同種結構功能零件尺寸應盡量保持一致；

3)抽面和門板的結構和尺寸應盡量保持一致,以門板為主整合。

厚度：四邊料和中橫厚度應保持一致便于結構插接，其中22 mm占比最多，且原料厚度尺寸分布在24～26 mm，22 mm能最大化地利用原材料，所以四邊料厚度合并為此值；其中芯板與結構厚度一致，造型門板15 mm，平板門板5 mm(表1)。

寬度：部分門型存在彎曲造型，故其上下料與左右料存在區(qū)別，同型號下抽面和門板的左右料相同。寬度尺寸排名前三的為55，75，90 mm。側料為75 mm，占比最重，門板和抽面上的左右邊料寬以此為值合并；55 mm主要分布在抽面上料和下料上，考慮到抽面尺寸較小，如果上下料尺寸較大，其影響芯板的造型，故保留抽面上下料為55 mm；上料存在彎曲造型的門型，抽面統(tǒng)一規(guī)定其上料寬為75 mm、門板上料寬規(guī)定為90 mm；中橫因需要開上下兩個榫槽，如與上下料為相同的尺寸，開槽后可見面寬會小于上下料寬，影響比例美觀，故以尺寸中數(shù)90 mm為值合并；外協(xié)的門型保留其裝飾邊料，邊料寬度為26 mm(表2)。

表1 厚度尺寸分布Table 1 Thickness size distribution 個

表2 寬度尺寸分布Table 2 Width size distribution 個

3.2 零部件族劃分技術

柜門衍生設計的上限取決于產(chǎn)品零部件族的劃分是否精細，在數(shù)據(jù)采集完善的基礎上整理匯總實木柜門的門型并拆解成單個零件。因實木件的零件族分類可受多種指標影響，提取實木柜門零件族劃分的4個重要性指標，即尺寸、工藝、榫槽結構和彎曲程度，采用多屬性交叉聚類法對其進行劃分[13-15]，見圖5。

圖5 多屬性交叉劃分零件族Fig. 5 Multi-attribute cross-division part family

零件族的劃分過程為：單屬性重要性排序—單屬性分類—交叉綜合。屬性指標的重要性排序直接影響零件族劃分的類代碼排序，可采用AHP層次分析-專家打分的方法確定；單屬性分類時可針對不同屬性指標的特點選擇不同的分類方法(尺寸為層次聚類，工藝為模糊聚類，榫槽為形狀分類，彎曲程度為彎曲半徑)；最后對各單屬性劃分下的類代碼進行排序得出零件族。該技術關鍵是將基數(shù)類、序數(shù)類和定性等指標整合分析，從而促使零件族的劃分滿足多種需求，具有多種屬性意義。最終，與五金件、連接件、內(nèi)置固定件、裝飾金屬線條等外購產(chǎn)品共同組成柜門產(chǎn)品標準件庫。

3.3 編碼技術

柜門零部件編碼是企業(yè)生產(chǎn)制造的基礎數(shù)據(jù)，也是實現(xiàn)柜門產(chǎn)品零部件追蹤與調取的關鍵紐帶。遵循唯一性、實用性、可擴充性和規(guī)范性原則，以“標識碼+分類特征碼+尺寸碼”的編碼方式制定柜門產(chǎn)品信息碼和零件加工信息碼[16]，其中柜門的表面物料特征較多，故單獨制定其物料特征碼(圖6)。

圖6 柜門信息碼(上)、柜門物料特征碼(中)、零件信息碼(下)Fig. 6 Cabinet door information code (top), cabinet door material feature code (middle), part information code (bottom)

柜門信息碼主要突出產(chǎn)品整體的屬性和產(chǎn)品尺寸，包括柜門產(chǎn)品主要的造型和尺寸信息；柜門物料特征碼與柜門信息碼組合使用，包括物料特征屬性、組合方式和產(chǎn)品零件總數(shù)；零件信息碼主要用于生產(chǎn)端加工使用，包含零件標識、序號、部位特征、工藝、雕刻造型、彎曲造型和尺寸信息；因柜門尺寸和零件尺寸變化多端，直觀地體現(xiàn)在編碼上能夠增加信息處理和加工的效率。

3.4 模型庫構建

在原有的數(shù)據(jù)庫中，柜門以整塊門板為最小單元參與設計制作，只能改變其長寬尺寸，無法與拆單端對接，自動拆單和零件BOM表難以輸出，故需要構建以零件為最小單元的模型庫。模型庫的構建主要包括兩個部分：尺寸結構關系分析與制定、編程技術實現(xiàn)參數(shù)化模塊制作。

尺寸結構關系分析與制定：零部件的重要參數(shù)賦值，包括柜門門扇長寬尺寸區(qū)間、門扇之間的扣縫、零件的寬度和厚度、榫槽形狀結構與尺寸，零件之間尺寸約束關系見表3。

編程技術實現(xiàn)參數(shù)化模塊制作：利用參數(shù)化的設計建模軟件(UG NX、SOLIDWORKS等)建立各標準件特征模型[17]，賦予零件其固定尺寸數(shù)值，利用宏錄制保存其代碼文件，利用編程軟件對其變量尺寸設定為可修改、調取的尺寸參數(shù)，從而實現(xiàn)零件的參數(shù)化設計。利用約束塊實現(xiàn)柜門各零件的裝配結構位置關系，主要是各個零部件的拆解與重組，通過榫槽部位等相連點或相接面實現(xiàn)快速定位(圖7)。

表3 柜門零件尺寸約束關系Table 3 Dimensional constraint relations of cabinet door parts

圖7 模型庫構建流程Fig. 7 Model library construction process

3.5 信息的交互與貫通技術

設計信息需要與企業(yè)資源軟件ERP、生產(chǎn)資料管理PDM、制造端MES等建立正反方向的信息循環(huán)，打通企業(yè)整個的PLM流程[16]。利用局域網(wǎng)搭建設計段、拆單端和生產(chǎn)端軟件共享端口[18]，各設備應滿足云端存儲和處理功能，減少二維圖紙等工程資料貫穿全局的現(xiàn)象發(fā)生，確保數(shù)據(jù)流轉的暢通，在縮短現(xiàn)實中信息交互成本的同時，此種方式可以降低工人的出錯率和人工成本；利用ERP系統(tǒng)全局追蹤產(chǎn)品的數(shù)據(jù)信息，有效跟蹤和追查，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)的透明度，增強各部門的互連性；利用物聯(lián)網(wǎng)技術、傳感技術、監(jiān)控技術和物流管控技術開發(fā)移動端軟件可以實現(xiàn)產(chǎn)品的實時追蹤和管控[19]，服務產(chǎn)品的生產(chǎn)銷售全周期(圖8)。

圖8 設計信息交互Fig. 8 Design information interaction diagram

4 結 語

通過分析實木柜門的生產(chǎn)現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)造成其生產(chǎn)周期緩慢的原因為產(chǎn)品體系復雜和設計生產(chǎn)端存在壁壘。為改善實木柜門設計拆單難的局面，提出了構建標準化設計平臺，從企業(yè)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)、供應商數(shù)據(jù)、生產(chǎn)資料、外部信息和運營數(shù)據(jù)入手健全柜門產(chǎn)品信息庫；構建柜門數(shù)據(jù)庫和拆單規(guī)則為實木柜門的設計和拆單創(chuàng)造軟件環(huán)境；利用軟件之間的內(nèi)部約束加快前段設計速度，增強設計和生產(chǎn)端資料輸出的完整性。其關鍵技術包括：柜門零件尺寸和榫槽結構數(shù)據(jù)提取與整合、利用多屬性交叉算法劃分零件族、制定產(chǎn)品和零件編碼技術、利用編程技術構建參數(shù)化模型庫、信息的交互與貫通技術。至此，望能對企業(yè)實現(xiàn)實木柜門標準化設計、數(shù)字化升級提供參考。