一.   CREO参数化&自由曲面建模在计算机辅助工业设计中的优势

计算机辅助工业设计(实体三维建模)始于20世纪70年代^[1]。起始阶段的绘图元素只有直线、曲线, 直至后期发展出如昆式嵌面(见图 1)、B样条曲线(NURBS, 见图 2)、贝塞尔曲线(Bezier, 见图 3)等元素用于复杂曲线及曲面设计。

图  1  昆式嵌面

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图  2  B样条曲线

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图  3  贝塞尔曲线

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发展至今计算机辅助工业设计已经呈现出百花齐放的状态, 如美国Robert McNeel & Associates开发的基于NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines, 非均匀有理B样条曲线)建模方式的Rhino软件; Discreet公司开发的基于网格建面方式的3DMAX; 包括Studio/paint、Design/Studio、Studio、Surface/Studio和AutoStudio等5个部分的Autodesk Alias Automotive, 可创建高质量的曲面模型, 包括A级曲面, 使用单跨距贝塞尔曲线几何图形或多跨距非均匀理性B样条曲线几何图形^[2]。除此之外还有Sketchup、Solidworks、MAYA、UG、CATIA、圆方等三维建模软件, 其中参数化建模软件有SolidWorks、CATIA、UG。

PTC公司(美国参数技术公司)于2010年10月推出CREO设计软件包, 将Pro/ENGINEER、CoCreate和ProductView整合后重新分发。Pro/ ENGINEER是一款将产品几何模型化, 最终分解为有限数量的构成特征, 其中每个特征都可以用有限参数完全约束^[3]; CoCreate是一款快速、轻松的三维软件系统, 它提供3D CAD和2D CAD、CAE以及集成的产品数据管理(PDM)^[4]; ProductView是一款可查看PTC旗下的各种三维数据, 同时还可查看200余种文档类型的软件, 还可实现测量尺寸、标记等工作。整合后的软件系统将建模、参数管理、模型预览集为一体, 用户可按需安装不同软件模块, 现在多利用于产品设计、制造行业。

CREO最为革命性的改变是其将参数化建模与ISDX(interactive surface design extension, 自由曲面设计)进行了整合。熟悉工业产品设计的人员都应当了解:如上文提到的可将产品几何模型化的Pro/ ENGINEER目前并未广泛使用, 小产品行业多用Rhino; 橱柜行业多用3DMAX; 汽车行业多用Alias。这3款软件都有如下特点:①可快速表现产品; ②已经建好产品不允许由尺寸驱动修改模型; ③所建产品不可直接开模。结构工程师多用Preo、UG等工程软件, 以上3款软件不可与结构直接对接。

笔者于2014年在厦门松霖集团负责一项花洒项目(见图 4), 深灰色外表面为产品外壳, 由工业设计部负责, 内部为产品结构, 由结构设计师负责。内核为公司核心技术, 外观设计要根据其尺寸要求将内核包裹, 同时要通过外观来体现产品的功能特色。此款产品的设计方式为:在结构工程师已经设计好的结构外合理地包裹一层外壳, 除却通过外观表现产品特色外还需要满足产品的正常开模、产品外壳与内核的间隙等条件。笔者将设计方案发送给结构工程师后, 后者会按照相关要求对产品抽壳并排布相加强筋等相关结构。花洒项目期间工业设计师通常要对外观进行若干次微调。如果使用上文提到的Rhino、3DMAX、Alias 3款软件, 修改模型几乎要对模型进行重建, 但CREO提供了模型树功能(见图 5), 如果修改先前设定的参数, 只要逻辑合理, 后面的参数即可自动生成。

图  4  花洒项目局部

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图  5  CREO中的模型树

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二.   明式家具的模块化特征

明式家具可分为椅凳类、桌案类、床榻类(脚踏)、柜架类以及其他类^[5]。根据王世襄先生在《明式家具研究》中的介绍, 明式家具有诸如龙凤榫、走马销、枨子、揣揣榫、楔钉榫等构件^[6], 同一构件可见于不同家具中。具体特征可概括如下。

一   模块的结构相似性

就龙凤榫来讲, 其作用是将板材进行平面接合, 常用于案面芯板、柜门、床面等其他需要板材接合的部位, 如桌面(见图 6)、柜门(见图 7)、床板(见图 8)都采用了平板接合的方式。其共同点是三者所用的接合方式都由龙凤榫或龙凤榫加穿带, 结构相同, 区别在于不同产品内结构尺寸不同。

图  6  明代黄花梨无束腰罗锅枨加卡子花方桌

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图  7  黄花梨圈口栏杆亮格柜

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图  8  六足折叠式榻

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二   明式家具的同构异质性

明式家具的另一模块化特征体现在单一家具都由特定的零部件拼接而成(见图 9、10)。

图  9  攒边打槽装板

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图  10  弧形弯材接

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若将其模块构建分别归类命名为x、y、z…, 那某款明代家具可用公式来表达:家具X=mx+ny+kz+…, m、n、k为常数。故而明式家具可以定义为:结构相同、尺寸驱动的模块化家具。

三.   建立明式家具零件库的可行性和必要性

CREO软件由于其参数化特点, 在结构相似的零件建立方面有很大优势, 零件库的建立多见于机械制图。上文提到的零件结构相似性是建立零件库的根本。就拿最常用的六角螺母来说, 形状相似但尺寸不同。不同型号的六角螺母是基于k、s、d 3种参数来确定的(见图 11、表 1)。建立相应的模型库后可在工程师需要相应模型时直接从对应的模型库调动, 或者直接修改相应的参数即可, 大大缩减了项目周期。

图  11  六角螺母参数

k代表头部厚度; s代表六角头对边宽度; d代表螺纹大径

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表  1  六角螺母参数表 mm

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由上文可知, 明式家具在结构方面具有模块化特征, 故而在家具模块的构建方面可省去每次都需要建模的窘境, 可直接调用相关模块。再者根据目前的生产技术来讲, 明式家具的表面处理方式尚不能完全由工业化所替代。在其模型生产方面, 一者可研究以其他材料来替代, 再者可利用工业化优势来生产家具模块, 如此做法还可对明式家具的推广和传承助以一臂之力。

下面以龙凤榫为例来进行零件库的构建:

1) 对无束腰罗锅枨加卡子花方桌(见图 6)的桌面芯板进行构建, 确定龙凤榫的驱动尺寸为d₀=300 mm、d₁=900 mm、d₂=20 mm、d₆=3 mm、d₇=4 mm、d₉=11.583 457 mm、d₁₀=900 mm(见图 12)。

图  12  龙凤榫尺寸实例

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2) 选定CREO中“工具”→“族表”命令, 选定添加表列命令, 选定前面所定的驱动尺寸为族项(见图 13)。

图  13  选定驱动尺寸为族项

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3) 确定后可得到族表项目(见图 14), 上面所提到的驱动尺寸可在合理逻辑范围内进行修改。

图  14  族表项目

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4) 在此例中由于篇幅所限只将无束腰罗锅枨加卡子花方桌与一腿三牙罗锅枨六仙方桌(见图 15)中所用到的龙凤榫模块建于零件库中。点击“在选定行处插入新的实例”按钮, 将新的对应尺寸改为后者家具的尺寸参数, d₀=250 mm、d₁=750 mm、d₁₀=750 mm(见图 16)。

图  15  一腿三牙罗锅枨六仙方桌

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图  16  族表新插入实例

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5) 至此, 龙凤榫其中一个模块已经构建完成, 接下来使用CREO中自下而上的建模方式对另外一个模块进行构建。首先将之前建好的零件在默认模式下装配到一个新的组件中, 同时新建一个空白零件也用相同方式装配至该组件中, 同时将新建的空白零件激活来构建龙凤榫的另外一个模块(见图 17)。

图  17  激活空白零件建模

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6) 选取特征部位尺寸为参照, 这样的话新的构件会随着参照模型的尺寸变动而变动, 提高建模效率(见图 18)。

图  18  选取参照建模

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7) 将剩下三边的尺寸参照前面图中的边长来进行构建, 可随着之前零件的尺寸变化而变化(见图 19), L₁=L₁, L₂=L₂, 即不同部件尺寸相同。

图  19  新建尺寸与原先尺寸约束相等

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8) 同样的道理, 将此处草绘拉伸为体时, 也可参照原先构件拉伸的位置以便其尺寸对应的被动修改(见图 20)。

图  20  拉伸尺寸参照前一零件尺寸

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9) 完成后的龙凤榫见图 21。

图  21  完成后的龙凤榫

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10) 若要将整体组建替换为前文所提到的一腿三牙罗锅枨六仙方桌的相关尺寸, 只需在模型树中右击第一部分构件, 选取替换选定元件即可, 替换时可在列表中选定前文所创建的族表中的项目(见图 22)。

图  22  替换组建中的参照元件

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11) 替换之后YI -2A部分构件尺寸即会自动修改为对应YI -2A_INST的尺寸(见图 23、24)。

图  23  替换前元件的尺寸

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图  24  替换后元件的尺寸

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四.   结论

CREO自带的族表功能很大地方便了对零件库的创建, 避免了如SolidWorks软件建立零件库还需通过VB二次开发的麻烦。与此同时, 建立明式家具零件库极大地减少了明式家具榫卯结构的研发周期, 避免重复建模, 对明式家具的传承以及推广有着质的影响。由于榫卯结构在中国古代木制产品中的大量使用, 对其零件库的建立有很大的必要性, 但是其建立标准与数据库尚需继续完善。