家具产品协同定制数字化设计关键技术研究

郁舒兰，吴智慧

（南京林业大学 家具与工业设计学院，南京 210037）

家具产品协同定制数字化设计关键技术研究

郁舒兰，吴智慧

（南京林业大学 家具与工业设计学院，南京 210037）

快速响应当今变化多端的市场需求，实现协同定制数字化设计制造与管理是家具制造业发展的方向。本文在对家具产品协同定制设计需求分析的基础上，建立了面向家具产品协同定制工作的体系结构，并研究了协同环境下实现家具产品数字化设计所涉及的基于模块化和基于可调节因子的产品数据模型建立、基于网络的数字化设计功能组件以及协同环境支持工具等关键技术。最后分析开发一个面向橱柜类家具行业的数字化设计和制造的原型系统的可行性。

协同工作；定制；数字化；家具

0 引言

中国已成为全球重要的家具生产基地和出口基地，培养和吸引了大批的家具研发技术人员和制造从业人员，形成了较为完善的家具设计制造加工产业链。但中国家具制造业虽然已形成较大规模，却多以劳动密集型产品为主，不少企业引入了CAD、CAM技术和设备，但由于产品信息管理手段和方式的相对落后，无法实现信息的高度集成和共享，在产品的设计、制造、管理、服务等各个流程和世界先进水平相比尚有较大差距。

家具产品是客户化要求非常高的产品，产品创新能力是家具企业的生命。创新性与客户化的家具家居产品设计也需要专家、伙伴企业或客户的亲自参与。面对动态多变、创新资源分散化和社会化等特点，有效的协同工作机制、模式及软件支撑成为解决问题的关键。

近年来，众多学者对协同定制数字化设计与制造的关键技术从多方面进行了研究，取得了一些成果。综合分析目前该领域的研究成果，还存在没有真正意义上的与家具行业和企业融合等问题。因此，本文以家具产品为研究对象，重点研究异地协同工作技术、数字化设计与制造技术、产品数据管理技术等，为家具行业进行规模化定制敏捷制造模式研发提供技术基础。

1 家具产品协同设计与制造的需求分析

随着国内经济的高速发展，人们生活水平日益提高和居住条件的改善，家具产品的更新周期越来越短，而其功能的多样性和特殊性的要求越来越高，家具产品的设计与制造的需求也相应地发生了变化，主要表现为以下几个方面：

1 ）实现从量变到质变需求

家具与家居行业作为与国民经济建设和人民生活需要密切相关的“常青产业”。未来5-10年，在国际和国内市场需求旺盛、国际家具产业转移的背景下，中国家具将进入第二个高速发展期，这个时期主要不是以量的扩张为主，而是以质的提高为主，其工业素质的提升和制造技术的创新，传统家具行业的改造、升级与转型，各家具企业都面临着产品升级换代的压力，渴望可以通过设计创新和敏捷制造使产品卖点清晰并取得更大的市场份额。

2）实现大规模定制需求

随着国内房价的一路走高，消费者既希望购置的家具能彰显文化品位，更希望家具能充分利用空间以节省或拓展住房面积，希望住房里有梁有柱和边界不周正的地方能充分利用，储存空间设计合理。对消费者日益扩大的多样化、个性化需求，需要采用先进的产品开发模式，按订单柔性生产的设计制造生产能力。

现有的定制设计系统都是对已有产品进行参数选择或模块组合，并不能真正满足客户的个性化需求。顾客只能根据现有的信息选择现有的产品，不能体现面向大规模定制的产品定制设计特点。大多数系统没有对产品参数进行合理的约束和判断，因此定制结果不一定合理。系统没有给出定制产品是否合理的提示信息。并且现有定制系统一般为单向信息流动，只是顾客提交定制信息给系统，没有系统信息实时反馈给顾客，从而缺乏顾客与企业之间的信息交流。包括顾客对产品需求、定制产品的更改、产品订单状态等信息的传递。大多数定制系统在顾客完成定制后，提供给顾客的只是简单的产品参数选择列表信息，或者是简单的二维图片信息，没有提供定制产品的详细信息（包括产品的三维模型信息、产品订单信息、产品价格信息等），从而造成顾客对定制产品的信息模糊不清。

3）实现设计制造数字化需求

家具企业中各种信息（如图形、数据、知识、技能等）均以数字化的形式表示，并通过网络在企业内部、企业之间、企业和经销商间传递，且在虚拟现实、快速原型、数据库等多种数字化技术的支持下，迅速协同设计并制造出相应的产品，实现生产过程的快速重组与对市场的快速响应。

4）面向产品全生命周期需求

家具产品生命周期包括市场调研、设计、制造、销售、维护服务等。为避免差错和减少返工，在产品开发阶段必须全面考虑产品生命周期各阶段的要求，对产品设计制造过程中的各个版本进行存储，合理进行家具产品结构与配置管理[1]。

5）协同工作环境的需求

家具产品的定制是一个较为复杂的过程，需要多领域人员的参与。客户、设计师、拆单员、管理者等一个群体为了能够有效地进行协作，必须有一个协同工作机制，进行项目管理、任务规划、进度监控等过程管理的工作。

2 家具产品协同定制数字化设计体系的体系结构

针对家具中某一范围内的产品，根据现有的和未来的可预测得客户需求，建立由该类相似产品组成的产品族；在产品族模型的基础上，利用网络技术和信息技术，根据客户的具体需求来快速生成定制产品，并对定制产品的成本和合理性进行评价。并将网上定制系统与ERP、PDM相结合，实现技术上的功能集成和管理上的职能集成。协同定制设计系统主要由三部分构成：数字化产品族模型的建立、定制产品的生成和定制产品的成本估算[2]。

基于模块化和基于可调节因子的产品族设计方法相结合，对协同定制家具产品设计实现技术进行全面的研究，使顾客真正参与到产品的设计中，充分体现顾客在购买过程中由“被动接受”到“主动选择”地位的转变。在此基础上开发的定制设计系统能够在顾客提交定制产品时对产品的合理性做出判断，并结合原有产品实例对新定制的产品进行推理设计，将最终设计结果以VRML形式展现，更加形象直观地实现真正意义的网上定制设计。

3 实现家具产品协同定制数字化设计的关键技术

3.1 协同环境下的定制设计系统

向客户提供与设计人员交流的手段和场所，包括电子邮件、共享白板、同步浏览、视频会议和远程控制等各种协同工具；向各阶段工程设计人员提供系统设计所需的协同及管理工具。为支持多方设计群体的协同工作，系统须提供网络通信、数据共享、数据管理、操作协调与冲突仲裁等基本功能。

基于产品族零部件和产品结构的相似性、通用性，利用标准化模块化等方法降低产品的内部多样性。建立产品族模型所需的质量功能配置、相容决策支持问题、BOM表和事物特性表等技术；实现定制产品的基于实例的推理技术、变型设计、参数化CAD技术；实现成本估算的特征提取等。增加顾客可感知的外部多样性，通过产品和过程重组将产品定制生产转化或部分转化为零部件的批量生产，从而迅速向顾客提供低成本、高质量的定制产品。

3.2 基于KBE的数字化设计技术

3.2.1 数字化产品建模过程

按照数字化设计的要求，把家具设计过程中积累的知识进行收集、提取、整理和存储，以方便新产品的开发。基于知识的家具数字化设计建模是在设计需求分析的基础上，检索设计知识字典目录，查找家具产品模型库，如果存在知识重用模型，对其进行变异设计，生成知识进化模型，并重新添加到模型库中，如果没有可参考的模型，则进行全新设计，形成新的模型，最终的设计模型就成为数字化快速设计模型。

3.2.2 知识粒度与知识链

板式家具、橱柜、办公家具、实木/软体家具、商场家具/家具配套产品将家具中方材设计知识、板件设计知识、木框设计知识、箱框设计知识和五金配件知识等不同粒度的知识根据家具设计的需求以一定的逻辑方式衔接起来，形成一条知识供应链以供给处于不同地域的多领域人员使用。

3.2.3 家具产品编码

由于家具产品种类繁多，且结构层次分明，涉及的知识面广，所以用成组技术，对结构相似、功能相似、工艺相似的家具产品进行分类编码，以便在设计过程中对不同类别的家具、不同种类、不同层次的零部件采用相应的知识或知识链进行智能设计，并将成功的设计结果按编码存储在对应的实例库中。对于产品层次编码，系统按照产品族部件族和零件族的层次建立相应的编码以方便实例检索；而对于零件族编码，产品零件族编码比产品族部件族要表达的内容多，描述零件的特征复杂，需要兼顾成组编码法中串式和并式两种模式，建立柔性化、可扩充的链式结构零件编码表达模型。

3.2.4 知识工程KBE与CAX的全面融合

全面融合的模式在遵守协约的协同工作平台上通过数据接和动态资源库连接实现知识的“无界”交互，保持协同工作中实例库、数据库、规则库等动态资源的实时更新，实现协同工作平台的数据共享。

3.2.5 基于知识复用的组件设计

知识复用的形态核心是组件和基于组件的开发。家具设计组件有零件级组件，也有装配级组件，这些组件的应用一部分运行在客户端，一部分在中间层，一部分运行在后端数据库服务器上，它们在不同位置的应用采用不同的编程语言编写，例如在客户端可以用ASP语言编程以便设计者输入设计参数和设计要求；在服务端用VB以实现家具产品参数化设计；通过Socket通讯技术实现设计参数的远程传递。

3.3 家具产品协同创新数字化设计支撑工具

3.3.1 协同推理工具

组件中开发的产品零部件设计模板有许多，是提供给设计者进行设计复用的，如何使设计者正确地使用这些模板进行快速设计，即针对给定的新需求，系统如何自动地分析与推理，寻找合适的相似设计模板，供设计者修改或借鉴，完成新品开发，这是家具产品数字化设计中必须解决的关键问题。为此，选用一种基于规则和实例的协同推理技术CBD(Case-Based Design, CBD)来求解家具产品创新设计；为体现设计者对设计知识的应用情况，选用面向对象的知识表达方法OOKR(Object-Oriented Knowledge Representation)来描述家具产品的设计知识；根据产品、部件、零件相似设计不同层次的需要进行相似度量。

3.3.2 模糊综合评价工具

对于某个家具产品设计任务，不同的设计者往往会提供不同的设计方案，究竟采用哪一种设计方案，需要多领域专家共同决策。在对设计方案进行评价时，有些评价指标很难进行定量分析，因此需要采用模糊综合评价法来裁定设计结果。

3.4 网络支撑技术

分布对象技术已成为建立应用框架和软构件的核心技术，系统采用ActiveX/分布式组件对象模型，开发ActiveX控件，嵌入Web页面中供用户使用。

3.5 CAD/CAE/CAPP/CAM集成数据管理技术

CAD/CAE/CAPP/CAM的协同工作中，往往存在产品信息关联差，信息表达不充分等问题，为此采用STEP产品模型数据交换标准，STEP规定了产品设计制造等全生命周期中所包含的各种信息，为各领域的协同工作提供了产品数据交换和共享的基础。系统建立在基于特征的协同设计与制造过程中，如设计特征、制造特征、形状特征、材料特征、工艺特征、协作管理特征等。

4 橱柜类家具产品协同定制数字化设计应用

协同定制设计系统服务于小批量、多品种需求的板式柜类家具产品敏捷制造模式，以产品数据管理系统(PDM)集成橱柜研制过程中所有产品信息，以CAPP提供工艺模块。该系统能够在顾客提交定制产品时对产品的合理性做出判断，结合缘由产品实例对新定制的产品进行推理设计，将最终结果以VRML形式展现在客户面前。

在上述研究的基础上，开发面向橱柜类家具产品协同定制数字化设计的原型系统，以AutoCAD软件进行数字化二次开发设计，使用Visual InterDev进行ASP网页制作，使用VC++来开发实现特定功能Active控件，通过Socket编程实现客户端与服务器端应用程序通讯。定制系统与MV软件无缝集成，实现柔性参数化建模，MV的每个产品库模型都具有逻辑判断规则，能够将企业生产工艺通过逻辑判断规则融入设计中并且能够对接客户所具有的任意三轴的CNC设备。

5 结束语

数字化设计制造技术的融合已成为家具制造业重要发展方向，家具行业具有鲜明的传统加工特点，企业要从传统劳动密集型的模式脱离，实现家具设计制造技术向集成化、数字化、柔性化、敏捷化方向发展，使我国的家具研制水平逐步与国际接轨。家具产品协同定制数字化设计与制造系统在研究分布式处理技术、DFX技术、基于模块化和基于可调节因子的产品族设计技术、PDM技术等关键技术的基础上，实现家具产品的协同定制设计与制造，为家具研制由传统方式向协同定制数字化设计制造方式转变提供技术支持。

[1]刘英.面向机床产品协同数字化关键技术的研究[D].东南大学,2006.

[2]王云霞.基于Internet及MC的客户驱动定制产品设计技术研究与应用[D].东南大学,2006.

[3]李杰,等.复杂产品设计的知识建模与重用研究[J].制造业自动化, 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

国家863项目(2010AA101705)；江苏省普通高校研究生科研创新计划（苏教研[2009]6号）

郁舒兰（1969 -），女，副教授，在职博士生，研究方向为与人们居住生活密切相关的家具家居产品设计。