基于NX的硬木家具模件参数化设计方法∗

邵兴德 张继娟，2， 杜 莹 张仲凤,

（1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004； 2.国家林业和草原局绿色家具工程技术研究中心， 湖南 长沙 410004； 3.湖南省绿色家居工程技术研究中心，湖南 长沙 410004; 4.索菲亚家居股份有限公司，广东 广州 511358）

近年来，硬木家具深受人们的关注和喜爱[1-4]。但由于硬木家具在木材特性、结构连接、产品种类、工艺要求等方面比板式家具更为复杂[5]，导致传统硬木家具企业的生产、设计、工艺管理等方面缺乏统一的标准。企业没有形成包含标准及通用要素的知识可重用库，所设计生产的家具信息无法得到有效的利用，生产效率低下[6-7]。

随着工业制造体系4.0 的发展，使用高性能的三维软件设计方案并用于制造已经成为趋势[8]。本研究基于UG NX软件平台的参数化功能模块，对硬木家具划分模件体系，进行三维建模，并对所创建的模型模板进行参数化，用户和企业可以通过实际需求调用或修改参数，形成标准模件库，从而提高设计生产效率。

1 NX软件参数化设计简析

UG NX（简称为NX）是一款集机械CAD/CAE/CAM于一体的高端软件，它基于完全的三维实体复合造型、特征建模、装配建模技术，能设计出复杂的产品模型[9]。同时，该软件的CAM模块和内嵌的CAE模块在技术上均处于领先地位， CAD、CAE和CAM有机集成，可以使产品的设计、分析和制造一次性完成。此外，NX还能提供CAD/CAE/CAM业界最先进的编程工具集，以满足用户二次开发的需要[10-14]。

1.1 NX软件优势概述

NX是目前世界上较先进的具有产品设计、分析和制造功能的软件[15]，相较于机械行业其他常用的软件具有以下优势：

1）更加丰富的辅助加工功能模块。相较于Solidworks等软件，其功能更加健全与强大。NX集成PDM、CAE、CAM于一身，除了管理与分析外，还能做辅助加工。

2）强大的PDM管理功能和API接口。NX的管理系统根据管理系统文件方向导向的不同，分成模型文件管理分支、CAPP工艺设计优化分支和PDM集成智能化产品管理分支等方向[16]。

3）缩短产品设计与制造周期。NX能够根据三维模型生成对应的二维图纸，同时能够生成加工所需的NC代码对接生产[17]。NX在对所需产品进行建模之后，能够进行装配检查、干涉检查、孔洞对齐等分析，可有效减少硬木家具新产品和新部件打样的材料浪费。同时，模型利用参数化设计，可以多次重复利用，避免了繁琐的重复建模设计，因而缩短设计周期。

1.2 NX参数化设计方法

NX的参数化设计方法主要有以下4 种：用户自定义特征法、程序编程法、关系式表达法和电子表格法[18]。这4 种方法各有优缺点，在实际使用过程中并不相互独立，而是可结合使用。

用户自定义特征法是根据二维草图的特征，通过对草图特征拉伸、旋转等操作生成实体，其核心是对模型草图的约束。此法在建模中会一直使用。

程序编程法是通过使用NX配置的编程语言，按照模型的构造顺序编写代码，从而描述建模的整个过程[19]。在需要建立模件时，只要导入相应的程序并顺利运行，便可得到所需模件。用户同样可以利用UG/OPEN工具针对实际需求，添加所需的用户菜单与界面并进行应用。程序编程法交互调入方便，应用性好，但对设计者程序开发语言要求较高。

关系式表达法是对尺寸进行直接约束，通过导入函数关系式或是自定义尺寸间的关系，依据尺寸间的关联性，设置主动尺寸与驱动尺寸，即自变量与因变量的关系。当对主动尺寸进行修改时，驱动尺寸会根据所设置的关系式进行相应调整[20]。此法应用范围广泛，创建容易且直观。

电子表格法适用于建立标准与通用的模件，主要运行思路如图1 所示。通过在NX中创建模板模型，并将其各规格参数通过NX创建含有函数表达式的EXCEL驱动表格[21]，用户可以通过控制这一驱动表格对模型进行创建与修改，且用一个标准模件的表格就能表达同类结构模件，从而生成通用模件库。电子表格法又称为零件族法，适用于标准零件的参数化建模。

图1 NX电子表格法构建参数化模件库方式Fig.1 Ways to build a parametric module library with the NX spreadsheet method

2 基于NX的硬木家具模件参数化设计

本文以某企业生产的明式书柜为例，论证NX在硬木家具设计中的可行性。从该企业设计图纸中发现，其柜类产品造型没有太大变化，只是在规格尺寸上有所差别。然而，在实际生产制造过程中仍需要不同的图纸。该企业工艺技术部需在设计制造的初期依据不同规格的图纸进行建模，而参数化设计将大大减少重复设计的时间与工作量。

2.1 参数化设计思路

图2 硬木家具模件参数化设计思路Fig.2 Parametric design ideas for hardwood furniture modules

建立参数化模型是实现参数化设计最为关键的一步[22]。硬木家具参数化的总体思路：基于NX从创建零件模板与装配体模板开始进行建模，结合硬木家具的模件体系[23-24]，将硬木家具分成产品级、部件级与零件级，如图2 所示。模件是组成家具的最小单位，硬木家具种类繁多，相对应的家具模件也多。因此需要对单个模件进行分析，提取通用的模件进行参数化设计，最后依据实际家具产品的装配特性设置参数化关联，达到修改最少的尺寸实现形成最多的产品的目的。

2.2 设计实例分析

依据上述参数化设计总体思路，划分明式书柜模件层级，得到如图3 所示的结构层级关系。图4 是明式书柜的柜门结构，它由两个大边、两个抹头和一块面心板组成。此类柜门结构属于硬木家具通用部件，在硬木家具产品中往往只是规格有所不同[25]。如果按照传统方法进行建模，不能对现成的模型尺寸进行更改，而需要重新对模型尺寸进行设计，从而产生大量重复性的工作。在此，以书柜的柜门为例，阐述参数化设计方法。

首先对该柜门结构进行细致分析（见图4）。其抹头长470 mm，宽40 mm，厚度为30 mm，两端斜切45°，大边与短边用格角夹榫连接，抹头还需开深度为10 mm的槽口安装面心板，零件结构对称。

图3 明式书柜模件划分Fig.3 Ming-style bookcase module division

图4 柜门抹头结构Fig.4 Cabinet door wiper structure

其次，分析该柜门部件在设计中的参数变更需求。根据现实变更需求，书柜在参数化设计中修改的尺寸有柜整体的长、宽、高，相对应的大边与抹头的长度。当绘制不同规格图纸时，这个参数化的模板需要满足尺寸变更需求。

完成上述有关抹头结构与参数变更需求分析后，进行以下基于NX平台构建参数化模型的具体操作：

1）草图绘制。根据尺寸要求绘制一个矩形，由于抹头是左右对称的零件，因此只需建立一半结构进行镜像对称即可得到完整结构，此处矩形赋予尺寸为长235 mm、宽40 mm，拉伸凸台厚度为30 mm（图5）。

图5 绘制草图Fig.5 Sketch stage

2）拉伸切除操作。如图6 绘制一条线段，并由快速尺寸操作设置参考角度为45°，此处设置的45°所形成的模板能确保抹头与大边处的榫为等腰直角三角形，使模板不会因为尺寸变化产生变形，随后将这条线拉伸成面并对抹头进行修剪体操作。

图6 绘制切除角线段Fig.6 Draw cut corner line

图7 构建格角榫Fig.7 Building lattice tenon structure

3）大边与抹头连接处格角榫构造。同样进行草图绘制与拉伸操作。此处可以用表达式法进行参数化设计，参考该企业的具体标准，建立表达式榫头拉伸起始位置为（抹头厚-17）/2，结束位置为（抹头厚-17）/2+8。格角厚度从尖榫结束位置开始减去操作，结束位置为（抹头厚-17）/2+15，最终得到如图7所示的结构。

4）榫槽构建。榫头部分特征完成后，需要在抹头内侧开10 mm深的榫槽。构造装面心板的榫槽时，同样要注意草图的标注方式。为保证在抹头长度变化时，榫槽的长度能够随之产生相应变化，可以如图8所示绘制凹槽草图，以确保槽口能与大边槽口连接，并能与面心板舌配合。

图8 绘制凹槽草图Fig.8 Sketch grooves

5）以上特征构建完成后，还需要对抹头进行倒圆角处理。然后基于右基准面进行镜像操作，即可得到完整的抹头，参数化模型模板的创建到此即全部完成。

6）最后对所创建的模型进行验证，检验能否满足最初参数化设计的需要。点击模型中的长度尺寸470 mm，或者宽度40 mm，即可在弹出的输入框中输入新的尺寸，如图9所示，通过输入新的参数值，即重新生成了一个结构相同，尺寸有所变化的抹头模件模型。表明一个长宽尺寸可任意修改的参数化模件模板完成。

图9 验证参数化模板Fig.9 Validation parameterized template

3 结论

本文主要研究了硬木家具模件的参数化设计方法，结果表明：该方法建立的参数化模型可以生成重复调用的模板，通过修改模板中的主、驱动尺寸即可得到不同规格的产品。该方法能够引导企业重复利用已有的部件，或是对原有的部件进行改型设计，可有效提高企业设计资源的重复利用率。同时，利用NX可以进一步生成基于企业产品的模型资料库，能够缩短产品的设计制造周期，具有较好应用前景。