目前我國家具設(shè)計面臨的主要問題是研制的周期較長、部件選材不準(zhǔn)確、尺寸設(shè)計不精確，設(shè)計水平與質(zhì)量急需提髙，難以滿足現(xiàn)代家具市場的需要，無法在國際市場上占有一席之地。針對家具設(shè)計中存在的問題，本文提出引入機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域中新方法、新技術(shù)，將虛擬設(shè)計技術(shù)與家具設(shè)計相結(jié)合，利用虛擬裝配技術(shù)對家具部件進(jìn)行虛擬裝配和干涉檢驗(yàn)，對裝配中出現(xiàn)的問題能及早發(fā)現(xiàn)并及時解決，在計算機(jī)虛擬環(huán)境中完成家具產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計全過程，避免了物理樣機(jī)的重復(fù)制造，縮短家具設(shè)計與制造周期，降低開發(fā)成本，為家具產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)提供一條新的思路;同時提髙設(shè)計師的技術(shù)素質(zhì)，提升設(shè)計水平和設(shè)計質(zhì)量。
一、虛擬裝配技術(shù)
1.虛擬裝配的含義
虛擬裝配是實(shí)際裝配過程在計算機(jī)上的本質(zhì)體現(xiàn)，即釆用計算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),通過仿真模型,在計算機(jī)上仿真裝配全過程’實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的工藝規(guī)劃、力口工制造、裝配和調(diào)試。從本質(zhì)上說，虛擬裝配是一種將可視化技術(shù)、仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、決策理論以及裝配和制造過程的研究成果加以綜合運(yùn)用的CAD技術(shù)。
2.虛擬裝配的流程
在進(jìn)行虛擬裝配過程中，首先在虛擬裝配環(huán)境VADE(VirtualAssemblyDesignEnvironment)中對產(chǎn)品的裝配過程進(jìn)行預(yù)規(guī)劃，提取設(shè)計信息，即需要考慮產(chǎn)品零部件之間的層次關(guān)系、裝配關(guān)系和約束關(guān)系，對裝配的可能性和通暢性進(jìn)行判斷，確定各對象間的公差分配、選擇好裝配順序和裝配路徑。同時在對產(chǎn)品進(jìn)行虛擬裝配時，將其各部件在空間的運(yùn)動路徑記錄下來，并在將這些路徑送往CAD系統(tǒng)之前，對其整理優(yōu)化。在虛擬裝配過程中，干涉檢驗(yàn)技術(shù)也是涉及到的一種相當(dāng)關(guān)鍵的技術(shù)。干涉檢驗(yàn)包括靜態(tài)干涉檢驗(yàn)(可裝配性檢驗(yàn)）和動態(tài)碰撞檢驗(yàn)（可達(dá)性檢驗(yàn))。動態(tài)碰撞檢驗(yàn)可通過由裝配路徑等信息形成的虛擬體的方式轉(zhuǎn)化為靜態(tài)干涉檢驗(yàn)而實(shí)現(xiàn)；靜態(tài)干涉檢驗(yàn)首先檢查零件的包容體的干涉情況，如無干涉則一定可裝配，否則通過公差分析來檢查零件的干涉情況，干涉檢驗(yàn)問題關(guān)鍵之一是如何減少計算量。圖1所示為虛擬裝配流程以及各部分內(nèi)容間的關(guān)系，由圖可知，虛擬裝配首先從規(guī)劃設(shè)計信息開始，其次到部件特征建模，再到虛擬裝配，最后是干涉檢查和生成爆炸視圖，優(yōu)化裝配順序和路徑等，值得注意的是這一流程是不斷反復(fù)的。
二、虛擬裝配涉及的一些主要問題
1.虛擬裝配的內(nèi)容
(1)可裝配性分析
虛擬裝配的第一階段是可裝配性分析，它是對現(xiàn)實(shí)生活中真實(shí)的裝配過程進(jìn)行仿真。可裝配性分析主要是檢查裝配關(guān)系、靜態(tài)/動態(tài)模擬復(fù)雜裝配體裝拆工藝過程的可行性;驗(yàn)證裝配序列、路徑的可行性，分析最佳裝配次序、得出最優(yōu)裝配路徑；裝配設(shè)計與操作的誤正分析，利用干涉檢查功能驗(yàn)證裝配體中部件與部件之間、部件與其它工具之間的干涉關(guān)系，以便及時發(fā)現(xiàn)裝配中存在的問題。
(2)裝配精確度分析裝配精度分析的基本法則是“釆用公差分析技術(shù)系統(tǒng)，在產(chǎn)品裝配模型基礎(chǔ)上，確立裝配公差分析系統(tǒng)，提供尺寸鏈計算、分析尺寸敏感度，提供分組選配計算分析、調(diào)整量和補(bǔ)償量定量分析等功能”裝配精性分析主要是驗(yàn)證產(chǎn)品部件的裝配精度;預(yù)測在產(chǎn)品部件裝配前由于裝配方法的影響和部件制造公差的存在，可能導(dǎo)致產(chǎn)品的變動（偏離最初的設(shè)計意圖);在裝配過程中發(fā)生裝配干涉時，分析導(dǎo)致問題的原因，并給出具體干涉數(shù)值，為修改提共參考依據(jù)。
2.虛擬裝配的主要問題
(1)裝配語義的識別語義識別的前提是語義解算，即只有在該語義已被識別的情況下才有可能被操作者認(rèn)定，并進(jìn)行語義解算。裝配語義識別是指將虛擬環(huán)境中裝配對象的屬性進(jìn)行匹配，從中識別出基本構(gòu)成部件間的裝配語義關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)用戶交互意圖的撤足。在SolidWorks系統(tǒng)中，通常的裝配語義主要有配合關(guān)系、層次關(guān)系、動作、麻規(guī)則與尺寸（參數(shù)）等等。這些裝配關(guān)系（語義）所對應(yīng)的是工程中通常遇到的孔/銷/圓柱連接、孔螺/螺栓母連接以及螺釘/螺孔連接等其它多種連接。裝配語義實(shí)現(xiàn)的條件主要有：一是部件的裝配方向性，對于一個裝配體來說，任何部件都有裝配方向，即空間中所對應(yīng)的位置關(guān)系；二是部件屬性(特征參數(shù)）的匹配性，通過比較裝配語義中部件對應(yīng)的特征參數(shù)，確定它們之間是否存在匹配關(guān)系。
(2) 裝配幾何約束的識別
由裝配語義識別可知，一個完
整的裝配體就是“建立幾何約束識別的集合體”；首先依據(jù)“幾何約束識另IJ規(guī)則”去識另IJ裝配零部件的幾何約束，如果滿足“幾何約束識別規(guī)則”，則SolidWorks系統(tǒng)認(rèn)為裝配零部件間的幾何關(guān)系得到識別，就會通過“髙亮顯示”來提示設(shè)計者完成裝配操作，反之則取消裝配關(guān)系。以圖2為例，圖中髙亮顯示的地方是系統(tǒng)可識別的椅子部件裝配約束關(guān)系，其中（1)為重合關(guān)系，（2)、（3)為同軸關(guān)系，這就是裝配幾何約束的識別。
(3) 裝配體的干涉檢驗(yàn)
在一個復(fù)雜的裝配體中，如果想用視覺來檢查部件之間是否存在干涉是件困難的事，SolidWorks可以在零部件之間進(jìn)行干涉檢查，并且能查看所檢查到的干涉，可以檢查與整個裝配體或所選的零部件組之間的碰撞與沖突。對裝配體的干涉檢查可分為靜態(tài)和動態(tài)干涉檢查兩種。對于一個裝配體，在SolidWorks平臺上利用干涉檢查工具進(jìn)行檢驗(yàn)，如果發(fā)現(xiàn)結(jié)合處存在干涉現(xiàn)象，那么會髙亮顯示，此時，干涉分析的結(jié)果還給出詳細(xì)的干涉數(shù)值，一般供修改模型和重新設(shè)計時參考。
三、裝配實(shí)例
真實(shí)裝配中，我們要將所裝配的零部件運(yùn)到裝配現(xiàn)場，然后根據(jù)要求將其裝配好。而在SolidWorks系統(tǒng)中，裝配的方法是：首先建立一個新的裝配體文件（建立裝配體的方法和建立部件的方法相同）;其次向裝配體中導(dǎo)入第一個零部件(即特征實(shí)體模型，以此類推導(dǎo)入所需要的部件，直至完成部件裝配）；再次是通過干涉檢查檢驗(yàn)裝配關(guān)系、語義識別、約束關(guān)系是否成立，如果沒有產(chǎn)生干涉情形則說明裝配關(guān)系成立，若產(chǎn)生干涉情形則需要編輯修改特征模型，直到無干涉;最后利用爆炸技術(shù)將部件分離開來，以了解裝配體中部件的詳細(xì)情況。
1.椅子裝配實(shí)例
基于上文的分析，本文提到的椅子我們釆用的是自頂向下的設(shè)計方法。也就是說，首先規(guī)劃出椅子整體造型，綜合考慮尺寸參數(shù)（長、寬、髙、深度等）、外觀（色彩和材料等）以及結(jié)構(gòu)關(guān)系；同時，還要考慮椅子部件在裝配、功能及實(shí)際制造等方面的設(shè)計需求；其次對組成裝配體的椅子部件進(jìn)行分別設(shè)計，按照前期規(guī)劃的設(shè)計意圖逐個進(jìn)行設(shè)計（這里主要是基于特征的實(shí)體建模設(shè)計），并組成裝配體。
圖3是椅子的裝配結(jié)果。該款椅子設(shè)計中釆用榫卯結(jié)構(gòu)，選擇亞克力（聚甲基丙烯酸甲酯）材質(zhì)，簡潔美觀，設(shè)計尺寸參考人機(jī)工程學(xué)中相關(guān)人體尺寸。
2.椅子裝配體的干涉檢查
因?yàn)槲覀兘⒌闹皇茄b配體模型，不是實(shí)物，所以當(dāng)裝配體創(chuàng)建好以后，我們僅憑肉眼觀察是不能發(fā)現(xiàn)問題的，比如一個部件的模型有可能嵌入到另一個部件的模型中產(chǎn)生干涉。在真正的裝配過程中是不允許也是不可能出現(xiàn)這樣問題的。為此裝配體模型創(chuàng)建完成后有必要對裝配體進(jìn)行必要的檢查。檢查包括干涉檢查和碰撞檢查，所謂干涉檢查就是檢查裝配體中的任意兩個部件在空間上是否有重疊的地方；碰撞檢查就是檢查裝配體的零部件當(dāng)運(yùn)動的時候是否有相互碰撞的現(xiàn)象。事實(shí)上，也可以說干涉檢查是靜態(tài)干涉檢查，而碰撞檢查是動態(tài)干涉檢查，本文涉及的是靜態(tài)干涉檢查。圖4中椅子裝配體，在SolidWorks系統(tǒng)中利用干涉檢查工具進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)椅背與椅腿處存在干涉現(xiàn)象（圖中髙亮顯示部分)。干涉檢查結(jié)果如圖5所示，對干涉區(qū)裝配體的局部進(jìn)行放大，同時查看干涉檢查時給出的詳細(xì)干涉數(shù)值，通常這些數(shù)值可作為修改參考。
經(jīng)過分析，椅子產(chǎn)生干涉的可能原因：椅背部件與椅腿的榫卯不匹配存在誤差，導(dǎo)致干涉。根據(jù)給出的干涉數(shù)值，我們發(fā)現(xiàn)椅腿與椅背榫卯存在誤差導(dǎo)致干涉，立即進(jìn)行修改使之匹配。修改后的模型經(jīng)干涉分析在裝配體中將不再發(fā)生干涉，如圖6所示。
3.爆炸視圖創(chuàng)建
在產(chǎn)品設(shè)計過程中，為了更明確地表達(dá)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，往往需要提供一張所有部件按拆卸關(guān)系放置的裝配體示意圖，以了解該裝配體中部件的詳細(xì)情況，這種裝配體圖就是爆炸視圖。在SolidWorks系統(tǒng)中利用爆炸技術(shù)使裝配體中部件按照指定的裝配方向，從裝配體中分離出來。圖7為椅子的爆炸視圖。
結(jié)論
將虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用至家具設(shè)計中，從根本上改變了傳統(tǒng)家具設(shè)計與開發(fā)方式，在實(shí)際產(chǎn)品制造之前，便在虛擬制造環(huán)境中完成虛擬產(chǎn)品原型代替實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，對其性能和可裝配性等進(jìn)行評價，從而達(dá)到全局最優(yōu)，極大地縮短了家具產(chǎn)品設(shè)計與制造周期，降低開發(fā)成本，提髙家具產(chǎn)品快速響應(yīng)市場變化的能力。