郁舒蘭，吳智慧

（南京林業(yè)大學(xué) 家具與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，南京 210037）

家具產(chǎn)品協(xié)同定制數(shù)字化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

郁舒蘭，吳智慧

（南京林業(yè)大學(xué) 家具與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，南京 210037）

快速響應(yīng)當今變化多端的市場需求，實現(xiàn)協(xié)同定制數(shù)字化設(shè)計制造與管理是家具制造業(yè)發(fā)展的方向。本文在對家具產(chǎn)品協(xié)同定制設(shè)計需求分析的基礎(chǔ)上，建立了面向家具產(chǎn)品協(xié)同定制工作的體系結(jié)構(gòu)，并研究了協(xié)同環(huán)境下實現(xiàn)家具產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計所涉及的基于模塊化和基于可調(diào)節(jié)因子的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型建立、基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化設(shè)計功能組件以及協(xié)同環(huán)境支持工具等關(guān)鍵技術(shù)。最后分析開發(fā)一個面向櫥柜類家具行業(yè)的數(shù)字化設(shè)計和制造的原型系統(tǒng)的可行性。

協(xié)同工作；定制；數(shù)字化；家具

0 引言

中國已成為全球重要的家具生產(chǎn)基地和出口基地，培養(yǎng)和吸引了大批的家具研發(fā)技術(shù)人員和制造從業(yè)人員，形成了較為完善的家具設(shè)計制造加工產(chǎn)業(yè)鏈。但中國家具制造業(yè)雖然已形成較大規(guī)模，卻多以勞動密集型產(chǎn)品為主，不少企業(yè)引入了CAD、CAM技術(shù)和設(shè)備，但由于產(chǎn)品信息管理手段和方式的相對落后，無法實現(xiàn)信息的高度集成和共享，在產(chǎn)品的設(shè)計、制造、管理、服務(wù)等各個流程和世界先進水平相比尚有較大差距。

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

近年來，眾多學(xué)者對協(xié)同定制數(shù)字化設(shè)計與制造的關(guān)鍵技術(shù)從多方面進行了研究，取得了一些成果。綜合分析目前該領(lǐng)域的研究成果，還存在沒有真正意義上的與家具行業(yè)和企業(yè)融合等問題。因此，本文以家具產(chǎn)品為研究對象，重點研究異地協(xié)同工作技術(shù)、數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)等，為家具行業(yè)進行規(guī)模化定制敏捷制造模式研發(fā)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 家具產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計與制造的需求分析

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們生活水平日益提高和居住條件的改善，家具產(chǎn)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(chǎn)品的設(shè)計與制造的需求也相應(yīng)地發(fā)生了變化，主要表現(xiàn)為以下幾個方面：

1 ）實現(xiàn)從量變到質(zhì)變需求

家具與家居行業(yè)作為與國民經(jīng)濟建設(shè)和人民生活需要密切相關(guān)的“常青產(chǎn)業(yè)”。未來5-10年，在國際和國內(nèi)市場需求旺盛、國際家具產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的背景下，中國家具將進入第二個高速發(fā)展期，這個時期主要不是以量的擴張為主，而是以質(zhì)的提高為主，其工業(yè)素質(zhì)的提升和制造技術(shù)的創(chuàng)新，傳統(tǒng)家具行業(yè)的改造、升級與轉(zhuǎn)型，各家具企業(yè)都面臨著產(chǎn)品升級換代的壓力，渴望可以通過設(shè)計創(chuàng)新和敏捷制造使產(chǎn)品賣點清晰并取得更大的市場份額。

2）實現(xiàn)大規(guī)模定制需求

隨著國內(nèi)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(jié)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(shè)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(chǎn)品開發(fā)模式，按訂單柔性生產(chǎn)的設(shè)計制造生產(chǎn)能力。

現(xiàn)有的定制設(shè)計系統(tǒng)都是對已有產(chǎn)品進行參數(shù)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(jù)現(xiàn)有的信息選擇現(xiàn)有的產(chǎn)品，不能體現(xiàn)面向大規(guī)模定制的產(chǎn)品定制設(shè)計特點。大多數(shù)系統(tǒng)沒有對產(chǎn)品參數(shù)進行合理的約束和判斷，因此定制結(jié)果不一定合理。系統(tǒng)沒有給出定制產(chǎn)品是否合理的提示信息。并且現(xiàn)有定制系統(tǒng)一般為單向信息流動，只是顧客提交定制信息給系統(tǒng)，沒有系統(tǒng)信息實時反饋給顧客，從而缺乏顧客與企業(yè)之間的信息交流。包括顧客對產(chǎn)品需求、定制產(chǎn)品的更改、產(chǎn)品訂單狀態(tài)等信息的傳遞。大多數(shù)定制系統(tǒng)在顧客完成定制后，提供給顧客的只是簡單的產(chǎn)品參數(shù)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(chǎn)品的詳細信息（包括產(chǎn)品的三維模型信息、產(chǎn)品訂單信息、產(chǎn)品價格信息等），從而造成顧客對定制產(chǎn)品的信息模糊不清。

3）實現(xiàn)設(shè)計制造數(shù)字化需求

家具企業(yè)中各種信息（如圖形、數(shù)據(jù)、知識、技能等）均以數(shù)字化的形式表示，并通過網(wǎng)絡(luò)在企業(yè)內(nèi)部、企業(yè)之間、企業(yè)和經(jīng)銷商間傳遞，且在虛擬現(xiàn)實、快速原型、數(shù)據(jù)庫等多種數(shù)字化技術(shù)的支持下，迅速協(xié)同設(shè)計并制造出相應(yīng)的產(chǎn)品，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的快速重組與對市場的快速響應(yīng)。

4）面向產(chǎn)品全生命周期需求

家具產(chǎn)品生命周期包括市場調(diào)研、設(shè)計、制造、銷售、維護服務(wù)等。為避免差錯和減少返工，在產(chǎn)品開發(fā)階段必須全面考慮產(chǎn)品生命周期各階段的要求，對產(chǎn)品設(shè)計制造過程中的各個版本進行存儲，合理進行家具產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與配置管理[1]。

5）協(xié)同工作環(huán)境的需求

家具產(chǎn)品的定制是一個較為復(fù)雜的過程，需要多領(lǐng)域人員的參與。客戶、設(shè)計師、拆單員、管理者等一個群體為了能夠有效地進行協(xié)作，必須有一個協(xié)同工作機制，進行項目管理、任務(wù)規(guī)劃、進度監(jiān)控等過程管理的工作。

2 家具產(chǎn)品協(xié)同定制數(shù)字化設(shè)計體系的體系結(jié)構(gòu)

針對家具中某一范圍內(nèi)的產(chǎn)品，根據(jù)現(xiàn)有的和未來的可預(yù)測得客戶需求，建立由該類相似產(chǎn)品組成的產(chǎn)品族；在產(chǎn)品族模型的基礎(chǔ)上，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)，根據(jù)客戶的具體需求來快速生成定制產(chǎn)品，并對定制產(chǎn)品的成本和合理性進行評價。并將網(wǎng)上定制系統(tǒng)與ERP、PDM相結(jié)合，實現(xiàn)技術(shù)上的功能集成和管理上的職能集成。協(xié)同定制設(shè)計系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：數(shù)字化產(chǎn)品族模型的建立、定制產(chǎn)品的生成和定制產(chǎn)品的成本估算[2]。

基于模塊化和基于可調(diào)節(jié)因子的產(chǎn)品族設(shè)計方法相結(jié)合，對協(xié)同定制家具產(chǎn)品設(shè)計實現(xiàn)技術(shù)進行全面的研究，使顧客真正參與到產(chǎn)品的設(shè)計中，充分體現(xiàn)顧客在購買過程中由“被動接受”到“主動選擇”地位的轉(zhuǎn)變。在此基礎(chǔ)上開發(fā)的定制設(shè)計系統(tǒng)能夠在顧客提交定制產(chǎn)品時對產(chǎn)品的合理性做出判斷，并結(jié)合原有產(chǎn)品實例對新定制的產(chǎn)品進行推理設(shè)計，將最終設(shè)計結(jié)果以VRML形式展現(xiàn)，更加形象直觀地實現(xiàn)真正意義的網(wǎng)上定制設(shè)計。

3 實現(xiàn)家具產(chǎn)品協(xié)同定制數(shù)字化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 協(xié)同環(huán)境下的定制設(shè)計系統(tǒng)

向客戶提供與設(shè)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(xié)同工具；向各階段工程設(shè)計人員提供系統(tǒng)設(shè)計所需的協(xié)同及管理工具。為支持多方設(shè)計群體的協(xié)同工作，系統(tǒng)須提供網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)管理、操作協(xié)調(diào)與沖突仲裁等基本功能。

基于產(chǎn)品族零部件和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的相似性、通用性，利用標準化模塊化等方法降低產(chǎn)品的內(nèi)部多樣性。建立產(chǎn)品族模型所需的質(zhì)量功能配置、相容決策支持問題、BOM表和事物特性表等技術(shù)；實現(xiàn)定制產(chǎn)品的基于實例的推理技術(shù)、變型設(shè)計、參數(shù)化CAD技術(shù)；實現(xiàn)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(chǎn)品和過程重組將產(chǎn)品定制生產(chǎn)轉(zhuǎn)化或部分轉(zhuǎn)化為零部件的批量生產(chǎn)，從而迅速向顧客提供低成本、高質(zhì)量的定制產(chǎn)品。

3.2 基于KBE的數(shù)字化設(shè)計技術(shù)

3.2.1 數(shù)字化產(chǎn)品建模過程

按照數(shù)字化設(shè)計的要求，把家具設(shè)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(chǎn)品的開發(fā)?；谥R的家具數(shù)字化設(shè)計建模是在設(shè)計需求分析的基礎(chǔ)上，檢索設(shè)計知識字典目錄，查找家具產(chǎn)品模型庫，如果存在知識重用模型，對其進行變異設(shè)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(shè)計，形成新的模型，最終的設(shè)計模型就成為數(shù)字化快速設(shè)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(chǎn)品將家具中方材設(shè)計知識、板件設(shè)計知識、木框設(shè)計知識、箱框設(shè)計知識和五金配件知識等不同粒度的知識根據(jù)家具設(shè)計的需求以一定的邏輯方式銜接起來，形成一條知識供應(yīng)鏈以供給處于不同地域的多領(lǐng)域人員使用。

3.2.3 家具產(chǎn)品編碼

由于家具產(chǎn)品種類繁多，且結(jié)構(gòu)層次分明，涉及的知識面廣，所以用成組技術(shù)，對結(jié)構(gòu)相似、功能相似、工藝相似的家具產(chǎn)品進行分類編碼，以便在設(shè)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(yīng)的知識或知識鏈進行智能設(shè)計，并將成功的設(shè)計結(jié)果按編碼存儲在對應(yīng)的實例庫中。對于產(chǎn)品層次編碼，系統(tǒng)按照產(chǎn)品族部件族和零件族的層次建立相應(yīng)的編碼以方便實例檢索；而對于零件族編碼，產(chǎn)品零件族編碼比產(chǎn)品族部件族要表達的內(nèi)容多，描述零件的特征復(fù)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(jié)構(gòu)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(xié)約的協(xié)同工作平臺上通過數(shù)據(jù)接和動態(tài)資源庫連接實現(xiàn)知識的“無界”交互，保持協(xié)同工作中實例庫、數(shù)據(jù)庫、規(guī)則庫等動態(tài)資源的實時更新，實現(xiàn)協(xié)同工作平臺的數(shù)據(jù)共享。

3.2.5 基于知識復(fù)用的組件設(shè)計

知識復(fù)用的形態(tài)核心是組件和基于組件的開發(fā)。家具設(shè)計組件有零件級組件，也有裝配級組件，這些組件的應(yīng)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(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，它們在不同位置的應(yīng)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(shè)計者輸入設(shè)計參數(shù)和設(shè)計要求；在服務(wù)端用VB以實現(xiàn)家具產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計；通過Socket通訊技術(shù)實現(xiàn)設(shè)計參數(shù)的遠程傳遞。

3.3 家具產(chǎn)品協(xié)同創(chuàng)新數(shù)字化設(shè)計支撐工具

3.3.1 協(xié)同推理工具

組件中開發(fā)的產(chǎn)品零部件設(shè)計模板有許多，是提供給設(shè)計者進行設(shè)計復(fù)用的，如何使設(shè)計者正確地使用這些模板進行快速設(shè)計，即針對給定的新需求，系統(tǒng)如何自動地分析與推理，尋找合適的相似設(shè)計模板，供設(shè)計者修改或借鑒，完成新品開發(fā)，這是家具產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計中必須解決的關(guān)鍵問題。為此，選用一種基于規(guī)則和實例的協(xié)同推理技術(shù)CBD(Case-Based Design, CBD)來求解家具產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計；為體現(xiàn)設(shè)計者對設(shè)計知識的應(yīng)用情況，選用面向?qū)ο蟮闹R表達方法OOKR(Object-Oriented Knowledge Representation)來描述家具產(chǎn)品的設(shè)計知識；根據(jù)產(chǎn)品、部件、零件相似設(shè)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(chǎn)品設(shè)計任務(wù)，不同的設(shè)計者往往會提供不同的設(shè)計方案，究竟采用哪一種設(shè)計方案，需要多領(lǐng)域?qū)＜夜餐瑳Q策。在對設(shè)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(shè)計結(jié)果。

3.4 網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)

分布對象技術(shù)已成為建立應(yīng)用框架和軟構(gòu)件的核心技術(shù)，系統(tǒng)采用ActiveX/分布式組件對象模型，開發(fā)ActiveX控件，嵌入Web頁面中供用戶使用。

3.5 CAD/CAE/CAPP/CAM集成數(shù)據(jù)管理技術(shù)

CAD/CAE/CAPP/CAM的協(xié)同工作中，往往存在產(chǎn)品信息關(guān)聯(lián)差，信息表達不充分等問題，為此采用STEP產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標準，STEP規(guī)定了產(chǎn)品設(shè)計制造等全生命周期中所包含的各種信息，為各領(lǐng)域的協(xié)同工作提供了產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換和共享的基礎(chǔ)。系統(tǒng)建立在基于特征的協(xié)同設(shè)計與制造過程中，如設(shè)計特征、制造特征、形狀特征、材料特征、工藝特征、協(xié)作管理特征等。

4 櫥柜類家具產(chǎn)品協(xié)同定制數(shù)字化設(shè)計應(yīng)用

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

在上述研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)面向櫥柜類家具產(chǎn)品協(xié)同定制數(shù)字化設(shè)計的原型系統(tǒng)，以AutoCAD軟件進行數(shù)字化二次開發(fā)設(shè)計，使用Visual InterDev進行ASP網(wǎng)頁制作，使用VC++來開發(fā)實現(xiàn)特定功能Active控件，通過Socket編程實現(xiàn)客戶端與服務(wù)器端應(yīng)用程序通訊。定制系統(tǒng)與MV軟件無縫集成，實現(xiàn)柔性參數(shù)化建模，MV的每個產(chǎn)品庫模型都具有邏輯判斷規(guī)則，能夠?qū)⑵髽I(yè)生產(chǎn)工藝通過邏輯判斷規(guī)則融入設(shè)計中并且能夠?qū)涌蛻羲哂械娜我馊S的CNC設(shè)備。

5 結(jié)束語

數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)的融合已成為家具制造業(yè)重要發(fā)展方向，家具行業(yè)具有鮮明的傳統(tǒng)加工特點，企業(yè)要從傳統(tǒng)勞動密集型的模式脫離，實現(xiàn)家具設(shè)計制造技術(shù)向集成化、數(shù)字化、柔性化、敏捷化方向發(fā)展，使我國的家具研制水平逐步與國際接軌。家具產(chǎn)品協(xié)同定制數(shù)字化設(shè)計與制造系統(tǒng)在研究分布式處理技術(shù)、DFX技術(shù)、基于模塊化和基于可調(diào)節(jié)因子的產(chǎn)品族設(shè)計技術(shù)、PDM技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)家具產(chǎn)品的協(xié)同定制設(shè)計與制造，為家具研制由傳統(tǒng)方式向協(xié)同定制數(shù)字化設(shè)計制造方式轉(zhuǎn)變提供技術(shù)支持。

[1]劉英.面向機床產(chǎn)品協(xié)同數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].東南大學(xué),2006.

[2]王云霞.基于Internet及MC的客戶驅(qū)動定制產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)研究與應(yīng)用[D].東南大學(xué),2006.

[3]李杰,等.復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計的知識建模與重用研究[J].制造業(yè)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(chuàng)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(guān)的家具家居產(chǎn)品設(shè)計。