實(shí)木柜類家具零部件標(biāo)準(zhǔn)化研究

■王 華，孫 香，呂 豐，董寶同，劉婉婷■Wang Hua & Sun Xiang & Lü Feng & Dong Baotong & Liu Wanting

(1.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇南京 210037；2.蘇州市蘇品宅配文化有限公司，江蘇建湖 224700；3.南京銳意國(guó)際貿(mào)易有限公司，江蘇南京 210001）

機(jī)械化、信息化程度的不斷提高，為家具制造業(yè)帶來(lái)了巨大變革，板式家具將模塊化設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)等思想理論應(yīng)用到設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模定制[1]。與板式家具相比，實(shí)木家具造型和零件的多變性導(dǎo)致其加工流程復(fù)雜、工藝要求更高。隨著客戶越來(lái)越高的定制化需求，實(shí)木家具企業(yè)出現(xiàn)同種產(chǎn)品下單量小、下單品類較多的情況，面臨著個(gè)性化需求與批量化生產(chǎn)之間的矛盾[2]。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是企業(yè)實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)的前提條件，建立一套行之有效的零部件標(biāo)準(zhǔn)化體系，對(duì)實(shí)木家具行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)概述

標(biāo)準(zhǔn)化思想最先出現(xiàn)在19世紀(jì)末，20世紀(jì)初的德國(guó)，“德意志制造聯(lián)盟”提出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的原則，認(rèn)為機(jī)器工業(yè)與藝術(shù)之間并沒(méi)有無(wú)法跨越的鴻溝，強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)整個(gè)家具產(chǎn)業(yè)的工業(yè)化進(jìn)程有著深刻的意義。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)作為生產(chǎn)的第一道工序，指導(dǎo)并影響著整個(gè)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的過(guò)程，設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)于提高設(shè)計(jì)效率與生產(chǎn)效率是舉足輕重的[3]。對(duì)于家具行業(yè)來(lái)說(shuō)，特別是實(shí)木家具實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化具有非常重要的意義，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）對(duì)于設(shè)計(jì)部門來(lái)說(shuō)能夠減少重復(fù)設(shè)計(jì)工作，縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本，更好更合理地開發(fā)新品種，適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求。

（2）減少零部件的規(guī)格種類，提高零部件的通用性、互換性，縮短生產(chǎn)制造過(guò)程中的設(shè)備調(diào)機(jī)時(shí)間，提高勞動(dòng)效率。

■圖1 部分柜類產(chǎn)品零件分布情況

■圖2 C-柜4（書柜）示意圖

（3）標(biāo)準(zhǔn)化作為現(xiàn)代化生產(chǎn)的必要條件，可以協(xié)調(diào)各部門的工作，促進(jìn)企業(yè)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一、協(xié)調(diào)、高效的信息化管理。

（4）做好標(biāo)準(zhǔn)化工作，可以大大提高材料的利用率、節(jié)約原材料、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率[4]。

2 S企業(yè)柜類產(chǎn)品調(diào)研分析

2.1 柜類產(chǎn)品分析

S企業(yè)是一家機(jī)械化水平比較高的中式家具制造企業(yè)，產(chǎn)品類別豐富，特別是柜類家具，按照功能可分為床頭柜、餐邊柜、書柜、電視柜、鞋柜、斗柜、衣柜、多寶柜等[5]。表1是S企業(yè)的部分柜類產(chǎn)品規(guī)格信息，可以看到，不同功能需求下的家具尺寸相差較大，高度從550 mm到2532 mm不等，寬度從468 mm到2120 mm不等。由于不同功能的柜子有對(duì)應(yīng)的人體工學(xué)尺寸要求，因此很難對(duì)產(chǎn)品的整體大尺寸進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

表1 部分柜類產(chǎn)品規(guī)格表

實(shí)木柜體家具自上而下可大致分為上蓋、側(cè)板、門板、底座、抽屜等主要模塊，除此以外還有一些起到結(jié)構(gòu)加強(qiáng)作用的內(nèi)部模塊，每個(gè)模塊可進(jìn)一步細(xì)分到零件。各款柜類產(chǎn)品零件的數(shù)量不等，圖1是S企業(yè)HJCF系列的24款柜類家具的單件產(chǎn)品零件數(shù)量及種類分布情況?？梢钥吹?，有多款柜子的零件總數(shù)和零件種類的數(shù)量很接近，說(shuō)明零件重復(fù)率低，很難批量生產(chǎn)。當(dāng)接收到小批量多品種訂單時(shí)，若按照傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式逐件生產(chǎn)，每臺(tái)機(jī)床需加工的零件變化很大，效率低下，加工周期較長(zhǎng)，增加了生產(chǎn)阻力[6-7]。此外，近9款柜子的零件數(shù)量達(dá)到了150件以上，特別是C-柜4，零件數(shù)量超過(guò)了400件，且與之對(duì)應(yīng)的零件種類在100件以下，看起來(lái)似乎標(biāo)準(zhǔn)化程度已經(jīng)很高了，但其實(shí)這與柜子本身造型有關(guān)，C-柜4是造型豐富的書柜，由于功能的原因，本身存在很多相同零件，如圖2所示，但這類柜子仍然可以進(jìn)行一定程度的標(biāo)準(zhǔn)化處理。

2.2 生產(chǎn)現(xiàn)狀分析

產(chǎn)品缺乏標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，其獨(dú)特的造型導(dǎo)致了零部件通用性差，除此以外，車間工人的主觀性操作造成同種榫卯的改良形式越來(lái)越多，有的甚至不符合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。低標(biāo)準(zhǔn)化的零部件很難利用成組技術(shù)實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)，不利于提高加工效率，不同柜類產(chǎn)品零件只能分開生產(chǎn)。當(dāng)面對(duì)小批量多品種訂單需求時(shí)，為降低成本提高生產(chǎn)效率，每種下單產(chǎn)品會(huì)多生產(chǎn)一部分，但后續(xù)該類產(chǎn)品下單量不樂(lè)觀，會(huì)造成產(chǎn)品庫(kù)存積壓，企業(yè)資金周轉(zhuǎn)困難[8]。

3 實(shí)木柜類家具標(biāo)準(zhǔn)化流程

3.1 零件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

零部件作為家具的基本單元，其多樣性直接影響了企業(yè)的生產(chǎn)效率，家具標(biāo)準(zhǔn)化一般分為單體標(biāo)準(zhǔn)化、部件標(biāo)準(zhǔn)化和零件標(biāo)準(zhǔn)化，當(dāng)零部件造型多變的時(shí)候，很難實(shí)現(xiàn)單體或部件的標(biāo)準(zhǔn)化，可以采用更底層的零件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)。零件標(biāo)準(zhǔn)化主要是在滿足造型需求、工藝合理的前提下，對(duì)有一定相似度和重復(fù)性的零件進(jìn)行歸納匯總，獲得相應(yīng)的生產(chǎn)和零部件組，提高零部件的通用性、互換性，從而讓小批量多品種的生產(chǎn)能夠正常適應(yīng)流水線作業(yè)的生產(chǎn)模式，減少重復(fù)性勞動(dòng)，緩解生產(chǎn)壓力[9]。

■圖3 零件標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容及流程

■圖4 部分柜類家具方材零件斷面尺寸分布

實(shí)木家具零部件的主要特性反映在其輪廓尺寸、外部形狀、截面形狀以及榫卯的位置與尺寸等幾個(gè)方面。具體而言，輪廓尺寸是指毛料的最小規(guī)格，根據(jù)外部形狀，可進(jìn)一步分為線性零件和面狀零件，即方材和板材，此外還有一些類似S型之類的特殊形狀；截面形狀是指用于裝飾的線型；榫卯包括連接節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)類型和具體位置與尺寸。這些部分特征結(jié)合起來(lái)形成了具體零部件，因此零部件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化可以分為尺寸及形狀標(biāo)準(zhǔn)化、線型標(biāo)準(zhǔn)化、榫卯節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化，如圖3所示。3.1.1 尺寸標(biāo)準(zhǔn)化

零件尺寸標(biāo)準(zhǔn)化是通過(guò)運(yùn)用成組技術(shù)的相似性原理，梳理零件尺寸并找到共性，歸類編組，使之標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化[10]。相當(dāng)于壓縮了零部件尺寸的種類，擴(kuò)大了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格零件的生產(chǎn)量，在提高零件適配性的同時(shí)不影響整體外觀。零件尺寸包括長(zhǎng)度、寬度和厚度，零件的長(zhǎng)度尺寸影響家具整體造型，同時(shí)凈料加工對(duì)象是零件斷面，因此零件斷面尺寸的標(biāo)準(zhǔn)化處理，主要是寬度和厚度。尺寸標(biāo)準(zhǔn)化必須遵循以下原則既相似性原則、合理性原則、簡(jiǎn)化原則。標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)程中需要結(jié)合家具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常識(shí)和人體工程學(xué)原理來(lái)對(duì)某些不合理的尺寸進(jìn)行修正和改進(jìn)，同時(shí)考慮原材料規(guī)格[11]。

零件按照長(zhǎng)、寬、厚尺寸間的關(guān)系，可分為板材和方材兩種，當(dāng)寬度約等于厚度，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度時(shí)，為方材；當(dāng)寬度約等于長(zhǎng)度，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于厚度時(shí)，為板材。尺寸標(biāo)準(zhǔn)化主要是對(duì)板材厚度尺寸、方材斷面尺寸兩方面進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)木柜類家具的板材零件種類單一，所以板材零件標(biāo)準(zhǔn)化比較簡(jiǎn)單。首先是要將零件厚度向常用規(guī)格板材厚度歸檔；其次將功能相同的零件盡可能采用相同的厚度尺寸規(guī)格，比如抽面盡量用一種厚度的板材；最后針對(duì)同一零件厚度尺寸種類較多的情況，考慮到不同規(guī)格、不同功能的柜類產(chǎn)品有相應(yīng)的板材厚度要求，因此厚度尺寸可采用階梯式[12]。比如抽屜面板的厚度有10 mm、12 mm、15 mm等，可以將12 mm向較小尺寸10 mm合并，保留10 mm和15 mm厚度規(guī)格的板材。當(dāng)需要更厚一些的板材時(shí)，可以以5 mm為一個(gè)單位采用進(jìn)階式尺寸，比如10 mm、15 mm、20 mm，這也有利于更好利用原材料。

剩下零件幾乎都是方材，且規(guī)格繁多，需要按照種類或功能等特征分類分析零件。比如上蓋模塊中的面方、門板模塊中的門方、底座模塊中的腳橫腳豎、內(nèi)部結(jié)構(gòu)模塊中的橫撐、拉方等。對(duì)各個(gè)模塊的方材斷面尺寸做標(biāo)準(zhǔn)化處理可能會(huì)造成數(shù)據(jù)偏差，因此還需要將所有模塊的尺寸結(jié)合起來(lái)分析。圖4為斷面尺寸優(yōu)化前后對(duì)比情況。簡(jiǎn)化后的斷面尺寸主要集中在：

■圖5 柜類家具的接合方式

■圖6 T型接合和L型接合示意圖

■圖7 線型示意圖

■圖8 指甲圓線型示意圖

■圖9 產(chǎn)品編碼結(jié)構(gòu)

■圖10 零件分類碼結(jié)構(gòu)

以上這幾個(gè)規(guī)格尺寸占尺寸總數(shù)的比例，由簡(jiǎn)化前的63%增加到簡(jiǎn)化后的82%，擴(kuò)大了單個(gè)零件的加工批量，且與原方材在斷面尺寸上有較強(qiáng)的匹配性。

3.1.2 榫卯節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化

柜類家具主要有兩種接合方式，平面接合和立體接合，如圖5所示，其中圖5a是面的接合，在現(xiàn)代實(shí)木柜類家具中，常見的平面接點(diǎn)結(jié)構(gòu)有L型和T型，L型常用于面方連接和門方連接上，一般是通過(guò)帶45°角的格角榫或抄手榫實(shí)現(xiàn)，如圖6a，時(shí)常也會(huì)使用簡(jiǎn)單的直角榫連接，如圖6b；T型結(jié)構(gòu)主要是利用格肩榫和普通直角榫（或橢圓榫）連接橫材和豎材，如圖6[13]。圖5b、c是立體接合，其中圖5b采用了三角齊肩的粽角榫、圖5c采用的是普通直角榫，都實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)不同水平方向的構(gòu)件與垂直構(gòu)件的連接，基于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的考慮，企業(yè)一般使用粽角榫[14-15]。

榫卯節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化包括數(shù)字化改良和參數(shù)化設(shè)計(jì)兩部分。關(guān)于傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)的改良原則，眾說(shuō)紛紜，特別是粽角榫，有人認(rèn)為不可以改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有人認(rèn)為保證連接處造型不變即可。不論如何改良，都應(yīng)該遵循嚴(yán)絲合縫、面面互鎖的原則，在適應(yīng)數(shù)控生產(chǎn)的同時(shí)也要保留傳統(tǒng)榫卯的文化內(nèi)涵[16-17]。參數(shù)化設(shè)計(jì)是為了在物料尺寸變化時(shí)，節(jié)省設(shè)計(jì)師二次設(shè)計(jì)的時(shí)間，一般通過(guò)尺寸驅(qū)動(dòng)法實(shí)現(xiàn)，即利用函數(shù)方程建立尺寸間的約束關(guān)系，當(dāng)驅(qū)動(dòng)尺寸變化時(shí)，從動(dòng)尺寸隨之變化，從而生成符合要求的榫卯模型[18-19]。

3.1.3 線型標(biāo)準(zhǔn)化

通過(guò)對(duì)S企業(yè)柜類家具的線型研究得知，按照構(gòu)件部位，線型可分為邊抹線型和腿足線型兩種形式，如圖7所示。邊抹線型是應(yīng)用在大邊、抹頭斷面的線條形式，變化多種多樣；腿足的線型即線腳裝飾，是區(qū)分家具風(fēng)格的重要標(biāo)識(shí)之一。線型通過(guò)對(duì)家具的分割和組合，使家具在整體上呈現(xiàn)出獨(dú)特的風(fēng)格特征[20]。S企業(yè)的零件線型種類不多，且主要集中在面方上，因此可以用歸納法梳理線型類別及具體規(guī)格，在考慮零件規(guī)格設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)不同物料尺寸下的線型規(guī)格變化不大，比如邊抹線型中的倒小圓線和倒大圓線，面方尺寸變化時(shí)，倒圓半徑保持5 mm和20 mm不變，這為零部件標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)現(xiàn)提供了很大的便利。S企業(yè)24款柜類產(chǎn)品中，指甲圓線型出現(xiàn)的頻率最高，如圖8，主要應(yīng)用在面板邊框方料端面上，根據(jù)面方的斷面規(guī)格，可將指甲圓加工厚度分為兩種，如表2所示，W為物料寬度，D為物料厚度，R為指甲圓加工弧度。當(dāng)物料厚度小于等于30 mm時(shí)，弧形角度R取值35°；當(dāng)物料厚度在30 mm~45 mm范圍內(nèi)時(shí)，弧形角度R取值45°。

表2 指甲圓線型尺寸關(guān)系

■圖11 零件信息卡片示例

3.2 應(yīng)用編碼技術(shù)

零部件標(biāo)準(zhǔn)化庫(kù)是家具企業(yè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，如果沒(méi)有合理的管理方法，很難發(fā)揮零部件庫(kù)的價(jià)值。在零件標(biāo)準(zhǔn)化庫(kù)初步建立以后，就需要對(duì)其進(jìn)行有效的管理與應(yīng)用，其中編碼技術(shù)是企業(yè)信息化的基礎(chǔ)手段，是實(shí)現(xiàn)零件庫(kù)數(shù)字化管理與應(yīng)用的關(guān)鍵，因此必須建立符合企業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)的編碼系統(tǒng)[21]。建立一套完善的零部件標(biāo)準(zhǔn)化庫(kù)是實(shí)木家具企業(yè)實(shí)現(xiàn)多品種、小批量生產(chǎn)的基礎(chǔ)，為了更好的應(yīng)用零部件標(biāo)準(zhǔn)化庫(kù)，對(duì)編碼原則提出了一些制定要求。

（1）唯一性。編碼與產(chǎn)品、零件應(yīng)該是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，保證家具具有較強(qiáng)的可辨性。

（2）延展性。編碼應(yīng)為新產(chǎn)品留有足夠的編碼空間，當(dāng)新的產(chǎn)品出現(xiàn)時(shí)，其編碼也必須與信息庫(kù)中的編碼適配。

（3）定長(zhǎng)性。在相同的編碼系統(tǒng)中，編碼所具有的位數(shù)必須是等同的，從而有助于信息檢索。當(dāng)零件或產(chǎn)品缺少某項(xiàng)屬性時(shí)，需要通過(guò)0彌補(bǔ)。

（4）可讀性。在進(jìn)行編碼的過(guò)程中，需要在最大程度上采用常用的、易于記憶且富有特殊含義的標(biāo)識(shí)、字母以及符號(hào)等，盡可能反映編碼對(duì)象的特點(diǎn)，便于設(shè)計(jì)人員編碼與記憶。

（5）綜合性。編碼原則不應(yīng)僅僅考慮產(chǎn)品及零件本身，還需考慮產(chǎn)品物料、生產(chǎn)、工藝等相關(guān)方面的問(wèn)題，每一部分都應(yīng)設(shè)置代碼結(jié)構(gòu)。

家具產(chǎn)品一般使用分段表示的方法來(lái)進(jìn)行編碼，涵蓋產(chǎn)品系列、類型、材料等信息。由于S企業(yè)的柜類家具的材質(zhì)種類較少，主要是雞翅木、花梨木等，為了減少編碼長(zhǎng)度、壓縮存儲(chǔ)信息，這里不對(duì)材料作編碼處理。圖9和表3分別是實(shí)木柜類家具的產(chǎn)品編碼結(jié)構(gòu)和各部分代碼，主要包括系列、類別、品種、產(chǎn)品順序等信息。例如，產(chǎn)品編碼HGD12，H表示系列，G表示柜類家具，D表示電視柜，012表示產(chǎn)品編號(hào)，代號(hào)HGD12表示序號(hào)為12的花好月圓系列電視柜。

表3 產(chǎn)品組成信息代號(hào)表

零件編碼既要考慮設(shè)計(jì)人員檢索需求，又要考慮生產(chǎn)加工問(wèn)題，相當(dāng)于零件的身份證號(hào)碼，在生產(chǎn)過(guò)程中的加工、入庫(kù)、裝配、打包、運(yùn)輸?shù)任锪鬟^(guò)程中都需要用到[22]。完整的零件編碼包括識(shí)別碼和分類碼，識(shí)別碼也就是零件編碼，可以定位某個(gè)零件是哪件家具中的，使零件編碼具有唯一性。圖10是零件的分類碼結(jié)構(gòu)，一般是數(shù)字、數(shù)字和字母組合的代碼，用來(lái)表示零件的材料、名稱、功能、尺寸、結(jié)構(gòu)、工藝、形狀等方面的信息，每一類信息都可以形成零件的一部分分類碼[23]。

3.3 創(chuàng)建零部件標(biāo)準(zhǔn)化庫(kù)

零件標(biāo)準(zhǔn)化庫(kù)的建立是指在產(chǎn)品和各零件模型建立好以后，利用編碼，存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，每件產(chǎn)品、零件形成對(duì)應(yīng)的信息卡片。圖11是零件信息卡片示例，包括零件名稱、編碼、規(guī)格、節(jié)點(diǎn)類型、線型以及三視圖等信息，點(diǎn)擊零件三視圖可直接調(diào)出圖紙。

車間通過(guò)共享模型庫(kù)可以直接查看零件的各種加工參數(shù)，相似零件利用成組技術(shù)實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)，大大提高了生產(chǎn)效率；設(shè)計(jì)師從模型庫(kù)中查看并選用符合用戶要求的模型及零部件進(jìn)行再設(shè)計(jì)，減少了重復(fù)設(shè)計(jì)工作，也為更新產(chǎn)品提供了便利[24-25]；企業(yè)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化庫(kù)可以更好地實(shí)現(xiàn)信息化管理[26-27]。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)零件尺寸、榫卯節(jié)點(diǎn)、線型標(biāo)準(zhǔn)化的方法研究，發(fā)現(xiàn)零件標(biāo)準(zhǔn)化處理以后，毛料尺寸相同的零件數(shù)量大大提高，對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)數(shù)量也會(huì)隨之增大，通過(guò)成組技術(shù)原理組織生產(chǎn)的效果會(huì)更加明顯；另一方面，簡(jiǎn)化后的產(chǎn)品零件的標(biāo)準(zhǔn)化程度有了很大的提升，設(shè)計(jì)部門在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)化的模塊，最大化重復(fù)利用設(shè)計(jì)信息，這不僅縮短了生產(chǎn)周期，還節(jié)約了設(shè)計(jì)成本。結(jié)果表明，成組技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、參數(shù)化技術(shù)、編碼技術(shù)等思想理論可以應(yīng)用到實(shí)木零件的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)中，對(duì)企業(yè)建立零部件標(biāo)準(zhǔn)化體系具有非常重要的意義。