家具產品協同定制數字化設計關鍵技術研究

郁舒蘭，吳智慧

（南京林業大學 家具與工業設計學院，南京 210037）

家具產品協同定制數字化設計關鍵技術研究

郁舒蘭，吳智慧

（南京林業大學 家具與工業設計學院，南京 210037）

快速響應當今變化多端的市場需求，實現協同定制數字化設計制造與管理是家具制造業發展的方向。本文在對家具產品協同定制設計需求分析的基礎上，建立了面向家具產品協同定制工作的體系結構，并研究了協同環境下實現家具產品數字化設計所涉及的基于模塊化和基于可調節因子的產品數據模型建立、基于網絡的數字化設計功能組件以及協同環境支持工具等關鍵技術。最后分析開發一個面向櫥柜類家具行業的數字化設計和制造的原型系統的可行性。

協同工作；定制；數字化；家具

0 引言

中國已成為全球重要的家具生產基地和出口基地，培養和吸引了大批的家具研發技術人員和制造從業人員，形成了較為完善的家具設計制造加工產業鏈。但中國家具制造業雖然已形成較大規模，卻多以勞動密集型產品為主，不少企業引入了CAD、CAM技術和設備，但由于產品信息管理手段和方式的相對落后，無法實現信息的高度集成和共享，在產品的設計、制造、管理、服務等各個流程和世界先進水平相比尚有較大差距。

家具產品是客戶化要求非常高的產品，產品創新能力是家具企業的生命。創新性與客戶化的家具家居產品設計也需要專家、伙伴企業或客戶的親自參與。面對動態多變、創新資源分散化和社會化等特點，有效的協同工作機制、模式及軟件支撐成為解決問題的關鍵。

近年來，眾多學者對協同定制數字化設計與制造的關鍵技術從多方面進行了研究，取得了一些成果。綜合分析目前該領域的研究成果，還存在沒有真正意義上的與家具行業和企業融合等問題。因此，本文以家具產品為研究對象，重點研究異地協同工作技術、數字化設計與制造技術、產品數據管理技術等，為家具行業進行規?；ㄖ泼艚葜圃炷Ｊ窖邪l提供技術基礎。

1 家具產品協同設計與制造的需求分析

隨著國內經濟的高速發展，人們生活水平日益提高和居住條件的改善，家具產品的更新周期越來越短，而其功能的多樣性和特殊性的要求越來越高，家具產品的設計與制造的需求也相應地發生了變化，主要表現為以下幾個方面：

1 ）實現從量變到質變需求

家具與家居行業作為與國民經濟建設和人民生活需要密切相關的“常青產業”。未來5-10年，在國際和國內市場需求旺盛、國際家具產業轉移的背景下，中國家具將進入第二個高速發展期，這個時期主要不是以量的擴張為主，而是以質的提高為主，其工業素質的提升和制造技術的創新，傳統家具行業的改造、升級與轉型，各家具企業都面臨著產品升級換代的壓力，渴望可以通過設計創新和敏捷制造使產品賣點清晰并取得更大的市場份額。

2）實現大規模定制需求

隨著國內房價的一路走高，消費者既希望購置的家具能彰顯文化品位，更希望家具能充分利用空間以節省或拓展住房面積，希望住房里有梁有柱和邊界不周正的地方能充分利用，儲存空間設計合理。對消費者日益擴大的多樣化、個性化需求，需要采用先進的產品開發模式，按訂單柔性生產的設計制造生產能力。

現有的定制設計系統都是對已有產品進行參數選擇或模塊組合，并不能真正滿足客戶的個性化需求。顧客只能根據現有的信息選擇現有的產品，不能體現面向大規模定制的產品定制設計特點。大多數系統沒有對產品參數進行合理的約束和判斷，因此定制結果不一定合理。系統沒有給出定制產品是否合理的提示信息。并且現有定制系統一般為單向信息流動，只是顧客提交定制信息給系統，沒有系統信息實時反饋給顧客，從而缺乏顧客與企業之間的信息交流。包括顧客對產品需求、定制產品的更改、產品訂單狀態等信息的傳遞。大多數定制系統在顧客完成定制后，提供給顧客的只是簡單的產品參數選擇列表信息，或者是簡單的二維圖片信息，沒有提供定制產品的詳細信息（包括產品的三維模型信息、產品訂單信息、產品價格信息等），從而造成顧客對定制產品的信息模糊不清。

3）實現設計制造數字化需求

家具企業中各種信息（如圖形、數據、知識、技能等）均以數字化的形式表示，并通過網絡在企業內部、企業之間、企業和經銷商間傳遞，且在虛擬現實、快速原型、數據庫等多種數字化技術的支持下，迅速協同設計并制造出相應的產品，實現生產過程的快速重組與對市場的快速響應。

4）面向產品全生命周期需求

家具產品生命周期包括市場調研、設計、制造、銷售、維護服務等。為避免差錯和減少返工，在產品開發階段必須全面考慮產品生命周期各階段的要求，對產品設計制造過程中的各個版本進行存儲，合理進行家具產品結構與配置管理[1]。

5）協同工作環境的需求

家具產品的定制是一個較為復雜的過程，需要多領域人員的參與?？蛻?、設計師、拆單員、管理者等一個群體為了能夠有效地進行協作，必須有一個協同工作機制，進行項目管理、任務規劃、進度監控等過程管理的工作。

2 家具產品協同定制數字化設計體系的體系結構

針對家具中某一范圍內的產品，根據現有的和未來的可預測得客戶需求，建立由該類相似產品組成的產品族；在產品族模型的基礎上，利用網絡技術和信息技術，根據客戶的具體需求來快速生成定制產品，并對定制產品的成本和合理性進行評價。并將網上定制系統與ERP、PDM相結合，實現技術上的功能集成和管理上的職能集成。協同定制設計系統主要由三部分構成：數字化產品族模型的建立、定制產品的生成和定制產品的成本估算[2]。

基于模塊化和基于可調節因子的產品族設計方法相結合，對協同定制家具產品設計實現技術進行全面的研究，使顧客真正參與到產品的設計中，充分體現顧客在購買過程中由“被動接受”到“主動選擇”地位的轉變。在此基礎上開發的定制設計系統能夠在顧客提交定制產品時對產品的合理性做出判斷，并結合原有產品實例對新定制的產品進行推理設計，將最終設計結果以VRML形式展現，更加形象直觀地實現真正意義的網上定制設計。

3 實現家具產品協同定制數字化設計的關鍵技術

3.1 協同環境下的定制設計系統

向客戶提供與設計人員交流的手段和場所，包括電子郵件、共享白板、同步瀏覽、視頻會議和遠程控制等各種協同工具；向各階段工程設計人員提供系統設計所需的協同及管理工具。為支持多方設計群體的協同工作，系統須提供網絡通信、數據共享、數據管理、操作協調與沖突仲裁等基本功能。

基于產品族零部件和產品結構的相似性、通用性，利用標準化模塊化等方法降低產品的內部多樣性。建立產品族模型所需的質量功能配置、相容決策支持問題、BOM表和事物特性表等技術；實現定制產品的基于實例的推理技術、變型設計、參數化CAD技術；實現成本估算的特征提取等。增加顧客可感知的外部多樣性，通過產品和過程重組將產品定制生產轉化或部分轉化為零部件的批量生產，從而迅速向顧客提供低成本、高質量的定制產品。

3.2 基于KBE的數字化設計技術

3.2.1 數字化產品建模過程

按照數字化設計的要求，把家具設計過程中積累的知識進行收集、提取、整理和存儲，以方便新產品的開發?；谥R的家具數字化設計建模是在設計需求分析的基礎上，檢索設計知識字典目錄，查找家具產品模型庫，如果存在知識重用模型，對其進行變異設計，生成知識進化模型，并重新添加到模型庫中，如果沒有可參考的模型，則進行全新設計，形成新的模型，最終的設計模型就成為數字化快速設計模型。

3.2.2 知識粒度與知識鏈

板式家具、櫥柜、辦公家具、實木/軟體家具、商場家具/家具配套產品將家具中方材設計知識、板件設計知識、木框設計知識、箱框設計知識和五金配件知識等不同粒度的知識根據家具設計的需求以一定的邏輯方式銜接起來，形成一條知識供應鏈以供給處于不同地域的多領域人員使用。

3.2.3 家具產品編碼

由于家具產品種類繁多，且結構層次分明，涉及的知識面廣，所以用成組技術，對結構相似、功能相似、工藝相似的家具產品進行分類編碼，以便在設計過程中對不同類別的家具、不同種類、不同層次的零部件采用相應的知識或知識鏈進行智能設計，并將成功的設計結果按編碼存儲在對應的實例庫中。對于產品層次編碼，系統按照產品族部件族和零件族的層次建立相應的編碼以方便實例檢索；而對于零件族編碼，產品零件族編碼比產品族部件族要表達的內容多，描述零件的特征復雜，需要兼顧成組編碼法中串式和并式兩種模式，建立柔性化、可擴充的鏈式結構零件編碼表達模型。

3.2.4 知識工程KBE與CAX的全面融合

全面融合的模式在遵守協約的協同工作平臺上通過數據接和動態資源庫連接實現知識的“無界”交互，保持協同工作中實例庫、數據庫、規則庫等動態資源的實時更新，實現協同工作平臺的數據共享。

3.2.5 基于知識復用的組件設計

知識復用的形態核心是組件和基于組件的開發。家具設計組件有零件級組件，也有裝配級組件，這些組件的應用一部分運行在客戶端，一部分在中間層，一部分運行在后端數據庫服務器上，它們在不同位置的應用采用不同的編程語言編寫，例如在客戶端可以用ASP語言編程以便設計者輸入設計參數和設計要求；在服務端用VB以實現家具產品參數化設計；通過Socket通訊技術實現設計參數的遠程傳遞。

3.3 家具產品協同創新數字化設計支撐工具

3.3.1 協同推理工具

組件中開發的產品零部件設計模板有許多，是提供給設計者進行設計復用的，如何使設計者正確地使用這些模板進行快速設計，即針對給定的新需求，系統如何自動地分析與推理，尋找合適的相似設計模板，供設計者修改或借鑒，完成新品開發，這是家具產品數字化設計中必須解決的關鍵問題。為此，選用一種基于規則和實例的協同推理技術CBD(Case-Based Design, CBD)來求解家具產品創新設計；為體現設計者對設計知識的應用情況，選用面向對象的知識表達方法OOKR(Object-Oriented Knowledge Representation)來描述家具產品的設計知識；根據產品、部件、零件相似設計不同層次的需要進行相似度量。

3.3.2 模糊綜合評價工具

對于某個家具產品設計任務，不同的設計者往往會提供不同的設計方案，究竟采用哪一種設計方案，需要多領域專家共同決策。在對設計方案進行評價時，有些評價指標很難進行定量分析，因此需要采用模糊綜合評價法來裁定設計結果。

3.4 網絡支撐技術

分布對象技術已成為建立應用框架和軟構件的核心技術，系統采用ActiveX/分布式組件對象模型，開發ActiveX控件，嵌入Web頁面中供用戶使用。

3.5 CAD/CAE/CAPP/CAM集成數據管理技術

CAD/CAE/CAPP/CAM的協同工作中，往往存在產品信息關聯差，信息表達不充分等問題，為此采用STEP產品模型數據交換標準，STEP規定了產品設計制造等全生命周期中所包含的各種信息，為各領域的協同工作提供了產品數據交換和共享的基礎。系統建立在基于特征的協同設計與制造過程中，如設計特征、制造特征、形狀特征、材料特征、工藝特征、協作管理特征等。

4 櫥柜類家具產品協同定制數字化設計應用

協同定制設計系統服務于小批量、多品種需求的板式柜類家具產品敏捷制造模式，以產品數據管理系統(PDM)集成櫥柜研制過程中所有產品信息，以CAPP提供工藝模塊。該系統能夠在顧客提交定制產品時對產品的合理性做出判斷，結合緣由產品實例對新定制的產品進行推理設計，將最終結果以VRML形式展現在客戶面前。

在上述研究的基礎上，開發面向櫥柜類家具產品協同定制數字化設計的原型系統，以AutoCAD軟件進行數字化二次開發設計，使用Visual InterDev進行ASP網頁制作，使用VC++來開發實現特定功能Active控件，通過Socket編程實現客戶端與服務器端應用程序通訊。定制系統與MV軟件無縫集成，實現柔性參數化建模，MV的每個產品庫模型都具有邏輯判斷規則，能夠將企業生產工藝通過邏輯判斷規則融入設計中并且能夠對接客戶所具有的任意三軸的CNC設備。

5 結束語

數字化設計制造技術的融合已成為家具制造業重要發展方向，家具行業具有鮮明的傳統加工特點，企業要從傳統勞動密集型的模式脫離，實現家具設計制造技術向集成化、數字化、柔性化、敏捷化方向發展，使我國的家具研制水平逐步與國際接軌。家具產品協同定制數字化設計與制造系統在研究分布式處理技術、DFX技術、基于模塊化和基于可調節因子的產品族設計技術、PDM技術等關鍵技術的基礎上，實現家具產品的協同定制設計與制造，為家具研制由傳統方式向協同定制數字化設計制造方式轉變提供技術支持。

[1]劉英.面向機床產品協同數字化關鍵技術的研究[D].東南大學,2006.

[2]王云霞.基于Internet及MC的客戶驅動定制產品設計技術研究與應用[D].東南大學,2006.

[3]李杰,等.復雜產品設計的知識建模與重用研究[J].制造業自動化, 2010(2):102-105.

Research on the critical technology of collaborative customization digital design for furniture

YU Shu-lan, WU Zhi-hui

book=62,ebook=4

TH166

A

1009-0134(2010)11(下)-0062-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(下).23

2010-08-29

國家863項目(2010AA101705)；江蘇省普通高校研究生科研創新計劃（蘇教研[2009]6號）

郁舒蘭（1969 -），女，副教授，在職博士生，研究方向為與人們居住生活密切相關的家具家居產品設計。