[內容摘要]本文針對我國目前室內家具設計中存在的問題，將藝術與技術相結合，引入基于特征的部件實體建模技術，以3DMAX為技術平臺，介紹了特征的含義，闡述了特征建模的優勢，并通過實例介紹了基于特征的實體建模技術在家具設計中的實際應用，為室內家具的設計開發提供了一條新的思路。
［關鍵詞］特征/建模技術/室內家具
一、引言
在全球市場競爭日益加劇的今天，對家具制造業來說，如何做出快速的市場響應，如何完全按照顧客的要求生產出高質量低成本的產品是企業生存和發展的重要條件。
目前室內家具設計面臨的主要問題有：
① 研制的周期較長；
② 部件選材不準確、尺寸設計不精確，部件組裝不到位；
③ 造型缺少藝術性；
④ 大多數家具企業的CAD技術僅限于計算機繪圖，應用缺少廣度與深度。
同時，由于家具產品的工作環境復雜，設計計算較為復雜、難度較大，再加上缺少先進的設計計算工具，因而導致了產品造型粗大、笨重，很難滿足現代家具市場的需要，更無法在國際市場上占有一席之地。
二、基于特征的部件實體的建模技術
要解決上述問題，可以采用機械設計領域中的基于特征的部件實體建模技術，從三維角度出發，基于一些三維建模軟件（如3DMAX、MAYA等，這里著重以3DMAX為例），進行室內家具產品的研制開發，以加快開發速度，提高產品質量。
1. 特征的定義
在機械三維設計過程中，所謂特征就是組成部件實體模型的基本元素，它體現了產品的功能要素和工程含義，是描述產品信息的集合。在產品設計過程中，其操作對象不是原始的線條和體面，而是產品的功能要素，諸如拉伸、凹凸、倒角、圓角和打孔等。它使產品設計工作在更高的層次上進行，使所設計的產品，既體現了設計意圖，又易于理解，節省了產品設計的時間，又加強了產品設計、分析、工藝準備、加工、檢驗各部門的聯系，有助于推動產品設計和工藝設計規范化、標準化和系列化。因此，基于特征的設計更符合設計人員的設計思路，更有利于發揮設計者的創造力和想象力，完全可以用于室內家具的開發設計。
2. 特征的分類
在進行三維設計過程中，設計者為了得到不同的部件實體，常選擇不同的特征。在這些特征中，有些是由曲面方法生成的，而有些是通過選擇適當的工具或菜單命令，然后定義所需的尺寸或特征所生成的。
(1) 實體特征
實體特征常分為塊體生成特征、線形生成特征。它是構成部件實體的基本要素，是基于特征的實體建模的含義所在，是創建實體特征和進行細節特征操作的主要部分。實體特征均可由塊體或線形生成。
(2) 塊體生成特征
塊體生成特征常分為方體特征、球體特征、圓柱體特征、圓錐體特征、三角體特征、圓管體特征。它是直接參數創建實體模型上的特征，是系統或設計者已定義好的參數化特征。
(3) 線形生成特征
線形生成特征分為直線特征、圓周特征、矩形特征、圓弧特征、橢圓特征、Bezier曲線特征。它是先創建二維平面圖并進行相應的特征繪制，待平面圖繪制完成后，再把平面圖變成三維實體模型。
(4) 曲面特征
曲面是一種可用來生成實體特征的面。3DMAX提供了曲面建模技術，能夠完成絕大部分工業產品的曲面造型。基于3DMAX平臺的曲面建模方法有：拉伸曲面、旋轉曲面、光滑表面、創建曲面、創建曲點、表面整齊、彎曲面和表面接近等。
3. 基于特征的設計
部件幾何形狀和特性直接由特征來定義，幾何模型由特征來構造。特征的構造用得最多的方法是解構法，即通過在基本塊上執行布爾運算，一步步地形成部件所需的形狀。在3DMAX中，部件(基本體) 可通過線形或塊體來構造，同樣還可以使用預定義的集合特征來執行基本塊上的操作。
4. 參數化設計
參數化設計就是部件尺寸的設計，用參數來描述并在設計修改時通過修改的數值來更改部件的外形，從而實現尺寸對造型的驅動。對于傳統的家具產品結構設計來說，基于3DMAX平臺的參數化設計不但極大地改善了造型的修改手段，提高了設計的柔性，而且該設計還具有實質上的物理意義，即運用體積、表面積、質心等系統參數或密度、厚度等用戶自定義參數加入設計構思中，從而來表達設計思想。這對家具產品設計中所要進行的概念設計、實體建模、裝配等均有著革命性的意義。
5. 基于特征的實體建模技術的步驟
(1) 規劃設計意圖
廣義的設計意圖是從分析部件的結構著手，確定部件的特征組成，理清特征創建的順序，然后按照一定的要求對基本特征進行布爾運算。狹義的設計意圖是規劃被改變后的實體模型如何表現其它特征。
(2) 創建基體特征
最初建立的實體模型稱為基體，它是最簡單的實體，其上沒有任何的細節特征，但它為創建后續細節特征奠定了基礎。
(3) 細節特征
部件細節特征設計是實體建模逐步完善的過程，即在基體特征上進行新特征的添加，逐步完成整個實體的創建。一般細節特征設計分為以下幾個步驟：選擇進行特征設計的平面圖；完成平面圖繪制；創建特征；對于塊體生成特征，則直接在已存在的實體特征上創建細節特征。
(4) 特征修改
通過改變一個或多個特征的形狀或位置約束，并對部件進行處理，則所修改的特征及與之相關的所有特征將一同被修改。由于3DMAX支持三維實體模型與二維工程圖的雙向關聯，可將完成的三維實體模型轉化為二維工程圖，應用于生產、制造部門，也可以在二維工程圖中對三維實體模型進行修改。
三、應用實例
在一些造型復雜椅子的設計過程中，一個主要的難點是椅座部位的設計。因為在椅子的設計過程中，原始構思是三維（3D）概念，設計結果也是三維（3D）實體，但傳統的設計方法（甚至是CAD）所傳遞的信息全是2D圖形，所以較難完成其全面的設計任務。
現在則可以用上面所闡述的基于特征的部件實體建模方法來創建該部件實體。
部件實體的特征分析：該方形曲面椅座實際上是由六個方孔所組成的部件。在該部件中最難設計的是椅座凹陷部位，因為它的結構不太規則。但如果采用基于特征的部件實體建模技術，利用3DMAX就可以很快地解決問題。因為人在設計部件時的原始沖動是三維的，是有顏色、材料、硬度、形狀、尺寸、相關配件、制造工藝等關聯概念的三維實體。分析該部件的結構可以看出，該部件所包含的特征主要有：基體拉伸、基體布爾運算（開孔），并且基體布爾運算這個特征要多次使用。所以在完成該部件的結構，我們的步驟是：首先在3DMAX中利用矩形特征在TOP視圖上建立一個矩形，然后在這個平面圖上進行相應的特征繪制（規定尺寸），利用布爾運算進行表面開孔。當平面圖繪制完成后，再通過修改面版中的擠壓命令規定厚度把這個平面圖變成三維實體模型，利用材質編輯面版指定材質和顏色。接著根據該部位模型的具體形狀，在曲面特征面版里使用創建曲面、拉伸曲面、彎曲面等方法進行細節特征設計，調節模型參數使其符合要求。最后根據部件實體的具體形狀進行一定的修改，得出所需要的三維實體模型。
結語
本文引入了機械設計領域基于特征的部件實體建模技術，基于3DMAX技術平臺，對該特征進行定義、分類，并以此總結、歸納出運用基于特征的部件實體建模技術進行家具部件創建的步驟；最后給出了利用該技術成功設計出一些復雜造型椅子的具體實例。結果表明：在設計室內家具產品過程中，利用該技術具有如下優勢：
1. 所設計的模型可非常直觀地表現出產品的實際情況，提高產品的可信度和競爭力。
2. 可利用所得到的家具部件實體圖，實現整個家具產品的虛擬裝配，不僅可以進行產品的結構驗證，而且可以對產品進行運動分析，提高設計的準確性。
3. 可快速、自動生成工程圖，使部件、裝配、工程圖的尺寸自動保持一致性，大大減輕了設計的工作量，縮短了產品研發周期，降低了開發成本。
＊本文為安徽農業大學校長青年基金項目資助，項目號：20060910
參考文獻
[1] 熊光楞、李伯虎、柴旭東：“虛擬樣機技術”，《系統仿真學報》，2001.1。
[2] 朱林、尹成龍、孔曉玲等：“基于特征的零件實體建模技術在農機中的應用”，《機械工程師》，2005.9。
[3] 錢昀、董蓀：“淺析產品設計以人為本”，《蕪湖師專學報》，2005.2。
[4] 祝國旺等：“基于特征的產品建模研究”，《華中理工大學學報》，1994.2。
[5] 曾旭東、譚潔：“室內設計與家具業的信息化鏈接——智能物體GDL技術的應用研究”，《室內設計》，2005.3。
[6] 朱禮智、馬曉君、陳健敏等：“智能家具對室內設計的影響”，《林業機械與木工設備》，2006.1。
董蓀安徽農業大學輕紡工程與藝術學院
錢昀安徽師范大學美術學院
朱林中國科學技術大學精密機器與精密儀器系
［關鍵詞］特征/建模技術/室內家具
一、引言
在全球市場競爭日益加劇的今天，對家具制造業來說，如何做出快速的市場響應，如何完全按照顧客的要求生產出高質量低成本的產品是企業生存和發展的重要條件。
目前室內家具設計面臨的主要問題有：
① 研制的周期較長；
② 部件選材不準確、尺寸設計不精確，部件組裝不到位；
③ 造型缺少藝術性；
④ 大多數家具企業的CAD技術僅限于計算機繪圖，應用缺少廣度與深度。
同時，由于家具產品的工作環境復雜，設計計算較為復雜、難度較大，再加上缺少先進的設計計算工具，因而導致了產品造型粗大、笨重，很難滿足現代家具市場的需要，更無法在國際市場上占有一席之地。
二、基于特征的部件實體的建模技術
要解決上述問題，可以采用機械設計領域中的基于特征的部件實體建模技術，從三維角度出發，基于一些三維建模軟件（如3DMAX、MAYA等，這里著重以3DMAX為例），進行室內家具產品的研制開發，以加快開發速度，提高產品質量。
1. 特征的定義
在機械三維設計過程中，所謂特征就是組成部件實體模型的基本元素，它體現了產品的功能要素和工程含義，是描述產品信息的集合。在產品設計過程中，其操作對象不是原始的線條和體面，而是產品的功能要素，諸如拉伸、凹凸、倒角、圓角和打孔等。它使產品設計工作在更高的層次上進行，使所設計的產品，既體現了設計意圖，又易于理解，節省了產品設計的時間，又加強了產品設計、分析、工藝準備、加工、檢驗各部門的聯系，有助于推動產品設計和工藝設計規范化、標準化和系列化。因此，基于特征的設計更符合設計人員的設計思路，更有利于發揮設計者的創造力和想象力，完全可以用于室內家具的開發設計。
2. 特征的分類
在進行三維設計過程中，設計者為了得到不同的部件實體，常選擇不同的特征。在這些特征中，有些是由曲面方法生成的，而有些是通過選擇適當的工具或菜單命令，然后定義所需的尺寸或特征所生成的。
(1) 實體特征
實體特征常分為塊體生成特征、線形生成特征。它是構成部件實體的基本要素，是基于特征的實體建模的含義所在，是創建實體特征和進行細節特征操作的主要部分。實體特征均可由塊體或線形生成。
(2) 塊體生成特征
塊體生成特征常分為方體特征、球體特征、圓柱體特征、圓錐體特征、三角體特征、圓管體特征。它是直接參數創建實體模型上的特征，是系統或設計者已定義好的參數化特征。
(3) 線形生成特征
線形生成特征分為直線特征、圓周特征、矩形特征、圓弧特征、橢圓特征、Bezier曲線特征。它是先創建二維平面圖并進行相應的特征繪制，待平面圖繪制完成后，再把平面圖變成三維實體模型。
(4) 曲面特征
曲面是一種可用來生成實體特征的面。3DMAX提供了曲面建模技術，能夠完成絕大部分工業產品的曲面造型。基于3DMAX平臺的曲面建模方法有：拉伸曲面、旋轉曲面、光滑表面、創建曲面、創建曲點、表面整齊、彎曲面和表面接近等。
3. 基于特征的設計
部件幾何形狀和特性直接由特征來定義，幾何模型由特征來構造。特征的構造用得最多的方法是解構法，即通過在基本塊上執行布爾運算，一步步地形成部件所需的形狀。在3DMAX中，部件(基本體) 可通過線形或塊體來構造，同樣還可以使用預定義的集合特征來執行基本塊上的操作。
4. 參數化設計
參數化設計就是部件尺寸的設計，用參數來描述并在設計修改時通過修改的數值來更改部件的外形，從而實現尺寸對造型的驅動。對于傳統的家具產品結構設計來說，基于3DMAX平臺的參數化設計不但極大地改善了造型的修改手段，提高了設計的柔性，而且該設計還具有實質上的物理意義，即運用體積、表面積、質心等系統參數或密度、厚度等用戶自定義參數加入設計構思中，從而來表達設計思想。這對家具產品設計中所要進行的概念設計、實體建模、裝配等均有著革命性的意義。
5. 基于特征的實體建模技術的步驟
(1) 規劃設計意圖
廣義的設計意圖是從分析部件的結構著手，確定部件的特征組成，理清特征創建的順序，然后按照一定的要求對基本特征進行布爾運算。狹義的設計意圖是規劃被改變后的實體模型如何表現其它特征。
(2) 創建基體特征
最初建立的實體模型稱為基體，它是最簡單的實體，其上沒有任何的細節特征，但它為創建后續細節特征奠定了基礎。
(3) 細節特征
部件細節特征設計是實體建模逐步完善的過程，即在基體特征上進行新特征的添加，逐步完成整個實體的創建。一般細節特征設計分為以下幾個步驟：選擇進行特征設計的平面圖；完成平面圖繪制；創建特征；對于塊體生成特征，則直接在已存在的實體特征上創建細節特征。
(4) 特征修改
通過改變一個或多個特征的形狀或位置約束，并對部件進行處理，則所修改的特征及與之相關的所有特征將一同被修改。由于3DMAX支持三維實體模型與二維工程圖的雙向關聯，可將完成的三維實體模型轉化為二維工程圖，應用于生產、制造部門，也可以在二維工程圖中對三維實體模型進行修改。
三、應用實例
在一些造型復雜椅子的設計過程中，一個主要的難點是椅座部位的設計。因為在椅子的設計過程中，原始構思是三維（3D）概念，設計結果也是三維（3D）實體，但傳統的設計方法（甚至是CAD）所傳遞的信息全是2D圖形，所以較難完成其全面的設計任務。
現在則可以用上面所闡述的基于特征的部件實體建模方法來創建該部件實體。
部件實體的特征分析：該方形曲面椅座實際上是由六個方孔所組成的部件。在該部件中最難設計的是椅座凹陷部位，因為它的結構不太規則。但如果采用基于特征的部件實體建模技術，利用3DMAX就可以很快地解決問題。因為人在設計部件時的原始沖動是三維的，是有顏色、材料、硬度、形狀、尺寸、相關配件、制造工藝等關聯概念的三維實體。分析該部件的結構可以看出，該部件所包含的特征主要有：基體拉伸、基體布爾運算（開孔），并且基體布爾運算這個特征要多次使用。所以在完成該部件的結構，我們的步驟是：首先在3DMAX中利用矩形特征在TOP視圖上建立一個矩形，然后在這個平面圖上進行相應的特征繪制（規定尺寸），利用布爾運算進行表面開孔。當平面圖繪制完成后，再通過修改面版中的擠壓命令規定厚度把這個平面圖變成三維實體模型，利用材質編輯面版指定材質和顏色。接著根據該部位模型的具體形狀，在曲面特征面版里使用創建曲面、拉伸曲面、彎曲面等方法進行細節特征設計，調節模型參數使其符合要求。最后根據部件實體的具體形狀進行一定的修改，得出所需要的三維實體模型。
結語
本文引入了機械設計領域基于特征的部件實體建模技術，基于3DMAX技術平臺，對該特征進行定義、分類，并以此總結、歸納出運用基于特征的部件實體建模技術進行家具部件創建的步驟；最后給出了利用該技術成功設計出一些復雜造型椅子的具體實例。結果表明：在設計室內家具產品過程中，利用該技術具有如下優勢：
1. 所設計的模型可非常直觀地表現出產品的實際情況，提高產品的可信度和競爭力。
2. 可利用所得到的家具部件實體圖，實現整個家具產品的虛擬裝配，不僅可以進行產品的結構驗證，而且可以對產品進行運動分析，提高設計的準確性。
3. 可快速、自動生成工程圖，使部件、裝配、工程圖的尺寸自動保持一致性，大大減輕了設計的工作量，縮短了產品研發周期，降低了開發成本。
＊本文為安徽農業大學校長青年基金項目資助，項目號：20060910
參考文獻
[1] 熊光楞、李伯虎、柴旭東：“虛擬樣機技術”，《系統仿真學報》，2001.1。
[2] 朱林、尹成龍、孔曉玲等：“基于特征的零件實體建模技術在農機中的應用”，《機械工程師》，2005.9。
[3] 錢昀、董蓀：“淺析產品設計以人為本”，《蕪湖師專學報》，2005.2。
[4] 祝國旺等：“基于特征的產品建模研究”，《華中理工大學學報》，1994.2。
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[6] 朱禮智、馬曉君、陳健敏等：“智能家具對室內設計的影響”，《林業機械與木工設備》，2006.1。
董蓀安徽農業大學輕紡工程與藝術學院
錢昀安徽師范大學美術學院
朱林中國科學技術大學精密機器與精密儀器系
