0 引言

    中國(guó)己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(jì)制造加工產(chǎn)業(yè)鏈。但中國(guó)家具制造業(yè)雖然已形成較大規(guī)模，卻多以勞動(dòng)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(duì)落后，無法實(shí)現(xiàn)信息的高度集成和共享，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、管理、服務(wù)等各個(gè)流程和世界先進(jìn)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(jì)也需要專家、伙伴企業(yè)或客戶的親自參與。面對(duì)動(dòng)態(tài)多變、創(chuàng)新資源分散化和社會(huì)化等特點(diǎn)，有效的協(xié)同工作機(jī)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(duì)協(xié)同定制數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的關(guān)鍵技術(shù)從多方面進(jìn)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(duì)象，重點(diǎn)研究異地協(xié)同工作技術(shù)、數(shù)字化設(shè)計(jì)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(jìn)行規(guī)�；�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(jì)與制造的需求分析

    隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)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(jì)與制造的需求也相應(yīng)地發(fā)生了變化，主要表現(xiàn)為以下兒個(gè)方面：

    1)實(shí)現(xiàn)從量變到質(zhì)變需求

    家具與家居行業(yè)作為與國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(guó)際和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求旺盛、國(guó)際家具產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的背景下，中國(guó)家具將進(jìn)入第二個(gè)高速發(fā)展期，這個(gè)時(shí)期主要不是以量的擴(kuò)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(jí)與轉(zhuǎn)型，各家具企業(yè)都面臨著產(chǎn)品升級(jí)換代的壓力，渴望可以通過設(shè)計(jì)創(chuàng)新和敏捷制造使產(chǎn)品賣點(diǎn)清晰并取得更大的市場(chǎng)份額。

    2)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制需求

    隨著國(guó)內(nèi)房?jī)r(jià)的一路走高，消費(fèi)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問以節(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(chǔ)存空間設(shè)計(jì)合理。對(duì)消費(fèi)者日益擴(kuò)大的多樣化、個(gè)性化需求，需要采用先進(jìn)的產(chǎn)品開發(fā)模式，按訂單柔性生產(chǎn)的設(shè)計(jì)制造生產(chǎn)能力。

    現(xiàn)有的定制設(shè)計(jì)系統(tǒng)都是對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行參數(shù)選擇或模塊組合，并不能真正滿足客戶的個(gè)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(jì)特點(diǎn)。大多數(shù)系統(tǒng)沒有對(duì)產(chǎn)品參數(shù)進(jìn)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(dòng)，只是顧客提交定制信息給系統(tǒng)，沒有系統(tǒng)信息實(shí)時(shí)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(duì)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(jiǎn)單的產(chǎn)品參數(shù)選擇列表信息，或者是簡(jiǎn)單的二維圖片信息，沒有提供定制產(chǎn)品的詳細(xì)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(jià)格信息等），從而造成顧客對(duì)定制產(chǎn)品的信息模糊不清。

    3)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(shí)、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(shí)、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(jì)并制造出相應(yīng)的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的快速重組與對(duì)市場(chǎng)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(chǎng)調(diào)研、設(shè)計(jì)、制造、銷售、維護(hù)服務(wù)等。為避免差錯(cuò)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(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過程中的各個(gè)版本進(jìn)行存儲(chǔ)，合理進(jìn)行家具產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與配置管理。

    5)協(xié)同工作環(huán)境的需求

    家具產(chǎn)品的定制是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，需要多領(lǐng)域人員的參與�？蛻�、設(shè)計(jì)師、拆單員、管理者等一個(gè)群體為了能夠有效地進(jìn)行協(xié)作，必須有一個(gè)協(xié)同工作機(jī)制，進(jìn)行項(xiàng)目管理、任務(wù)規(guī)劃、進(jìn)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(jì)體系的體系結(jié)構(gòu)

    針對(duì)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(cè)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(duì)定制產(chǎn)品的成本和合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)。并將網(wǎng)上定制系統(tǒng)與ERP、PDM相結(jié)合，實(shí)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(jì)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。

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

3 實(shí)現(xiàn)家具產(chǎn)品協(xié)同定制數(shù)字化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

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

    向客戶提供與設(shè)計(jì)人員交流的手段和場(chǎng)所，包括電子郵件、共享白板、同步瀏覽、視頻會(huì)議和遠(yuǎn)程控制等各種協(xié)同工具；向各階段工程設(shè)計(jì)人員提供系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的協(xié)同及管理工具。為支持多方設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)定制產(chǎn)品的基于實(shí)例的推理技術(shù)、變型設(shè)計(jì)、參數(shù)化CAD技術(shù)；實(shí)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(jì)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(jì)的要求，把家具設(shè)計(jì)過程中積累的知識(shí)進(jìn)行收集、提取、整理和存儲(chǔ)，以方便新產(chǎn)品的開發(fā)�；�于知識(shí)的家具數(shù)字化設(shè)計(jì)建模是在設(shè)計(jì)需求分析的基礎(chǔ)上，檢索設(shè)計(jì)知識(shí)字典目錄，查找家具產(chǎn)品模型庫，如果存在知識(shí)重用模型，對(duì)其進(jìn)行變異設(shè)計(jì)，生成知識(shí)進(jìn)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(jìn)行全新設(shè)計(jì)，形成新的模型，最終的設(shè)計(jì)模型就成為數(shù)字化快速設(shè)計(jì)模型。

    3.2.2 知識(shí)粒度與知識(shí)鏈

    板式家具、櫥柜、辦公家具、實(shí)木/軟體家具、商場(chǎng)家具/家具配套產(chǎn)品將家具中方材設(shè)計(jì)知識(shí)、板件設(shè)計(jì)知識(shí)、木框設(shè)計(jì)知識(shí)、箱框設(shè)計(jì)知識(shí)和五金配件知識(shí)等不同粒度的知識(shí)根據(jù)家具設(shè)計(jì)的需求以一定的邏輯方式銜接起來，形成一條知識(shí)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(shí)面廣，所以用成組技術(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)相似、功能相似、工藝相似的家具產(chǎn)品進(jìn)行分類編碼，以便在設(shè)計(jì)過程中對(duì)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(shí)或知識(shí)鏈進(jìn)行智能設(shè)計(jì)，并將成功的設(shè)計(jì)結(jié)果按編碼存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)的實(shí)例庫中。對(duì)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(shí)例檢索；而對(duì)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(dá)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(kuò)充的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)零件編碼表達(dá)模型。

    3.2.4 知識(shí)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(tái)上通過數(shù)據(jù)接和動(dòng)態(tài)資源庫連接實(shí)現(xiàn)知識(shí)的“無界”交互，保持協(xié)同工作中實(shí)例庫、數(shù)據(jù)庫、規(guī)則庫等動(dòng)態(tài)資源的實(shí)時(shí)更新，實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作平臺(tái)的數(shù)據(jù)共享。

    3.2.5 基于知識(shí)復(fù)用的組件設(shè)計(jì)

    知識(shí)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(jì)組件有零件級(jí)組件，也有裝配級(jí)組件，這些組件的應(yīng)用一部分運(yùn)行在客戶端，一部分在中間層，一部分運(yùn)行在后端數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，它們?cè)诓煌�位置的�?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(jì)者輸入設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求；在服務(wù)端用VB以實(shí)現(xiàn)家具產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計(jì)；通過Socket通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的遠(yuǎn)程傳遞。

    3.3 家具產(chǎn)品協(xié)同創(chuàng)新數(shù)字化設(shè)計(jì)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(jì)模板有許多，是提供給設(shè)計(jì)者進(jìn)行設(shè)計(jì)復(fù)用的，如何使設(shè)計(jì)者正確地使用這些模板進(jìn)行快速設(shè)計(jì)，即針對(duì)給定的新需求，系統(tǒng)如何自動(dòng)地分析與推理，尋找合適的相似設(shè)計(jì)模板，供設(shè)計(jì)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(jì)中必須解決的關(guān)鍵問題。為此，選用一種基于規(guī)則和實(shí)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(jì)；為體現(xiàn)設(shè)計(jì)者對(duì)設(shè)計(jì)知識(shí)的應(yīng)用情況，選用面向?qū)ο蟮闹�識(shí)表達(dá)方法OOKR(Object-Oriented Knowledge Representation)來描述家具產(chǎn)品的設(shè)計(jì)知識(shí)；根據(jù)產(chǎn)品、部件、零件相似設(shè)計(jì)不同層次的需要進(jìn)行相似度量。

    3.3.2 模糊綜合評(píng)價(jià)工具

    對(duì)于某個(gè)家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)任務(wù)，不同的設(shè)計(jì)者往往會(huì)提供不同的設(shè)計(jì)方案，究竟采用哪一種設(shè)計(jì)方案，需要多領(lǐng)域?qū)＜夜餐瑳Q策。在對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，有些評(píng)價(jià)指標(biāo)很難進(jìn)行定量分析，因此需要采用模糊綜合評(píng)價(jià)法來裁定設(shè)計(jì)結(jié)果。

    3.4 網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)

    分布對(duì)象技術(shù)己成為建立應(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(duì)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(dá)不充分等問題，為此采用STEP產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，STEP規(guī)定了產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)與制造過程中，如設(shè)計(jì)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(jì)應(yīng)用

    協(xié)同定制設(shè)計(jì)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(shí)對(duì)產(chǎn)品的合理性做出判斷，結(jié)合緣由產(chǎn)品實(shí)例對(duì)新定制的產(chǎn)品進(jìn)行推理設(shè)計(jì)，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(jì)的原型系統(tǒng)，以AutoCAD軟件進(jìn)行數(shù)字化二次開發(fā)設(shè)計(jì)，使用Visual InterDev進(jìn)行ASP網(wǎng)頁制作，使用VC++來開發(fā)實(shí)現(xiàn)特定功能Active控件，通過Socket編程實(shí)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(shí)現(xiàn)柔性參數(shù)化建模，MV的每個(gè)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(jì)中并且能夠?qū)�接客戶所具有的任意三軸的CNC設(shè)備。

5 結(jié)束語

    數(shù)字化設(shè)計(jì)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(diǎn)，企業(yè)要從傳統(tǒng)勞動(dòng)密集型的模式脫離，實(shí)現(xiàn)家具設(shè)計(jì)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(guó)的家具研制水平逐步與國(guó)際接軌。家具產(chǎn)品協(xié)同定制數(shù)字化設(shè)計(jì)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(jì)技術(shù)、PDM技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)家具產(chǎn)品的協(xié)同定制設(shè)計(jì)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(jì)制造方式轉(zhuǎn)變提供技術(shù)支持。

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本文標(biāo)題：家具產(chǎn)品協(xié)同定制數(shù)字化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

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