郑湘涛/文
三维计算机辅助设计系统(3D-CAD)软件已成为家具行业最主要的设计软件,在使用这一软件的过程中,我们发现存在着“虚拟干扰”的问题。所谓“虚拟干扰”,是指在家具装配过程中,当两零件部分地占据同一空间时,零件间的定位不能满足组装和现实使用要求,但在计算机设计中并不影响设计的继续进行,这种零件间的定位误差称之。例如:假设在3D-CAD模型中有一个2Omm长的榫头却被插进了一个深15mm的榫眼中,这种误差在使用CAD程序时,它并不影响CAD程序的继续执行,但却实实在在存在着这种“空间干扰”。
很明显,这种虚拟干扰会影响企业的生产和销售。我们知道,当今的家具生产按产品出广时的产品最终形态的完成程度可分为两种:一是将产品加工安装至成品后推向市场;另一种是只进行零件加工,而把组装程序交由用户完成。就前者而言,如果出现了这种干扰,如哪个零件该钻孔而未钻孔、尺寸过大或过小等,返工和修复是避免不了的,即采取“虚拟干扰,现实解决”的办法。而对于后者生产模式而言,就意味着将不合格产品交给了用户。存在这种问题的原因有二:一是有时虚拟干扰并没有对产品的装配和使用构成实质性的危害,因而被设计者所忽视了;二是目前设计者使用的3D-CAD程序中没有设置相应的检测程序,而这种干扰极易出现且在设计过程中很难被发现。因此,设计者常常会对3D-CAD系统的使用产生恐惧心理甚至是抵触情绪,这严重影响了这项新技术的推广应用。尽管如此,目前人们还没有找到很好的解决办法。
本文提出了检测在3D-CAD使用过程中出现的虚拟干扰的三步检测程序,来检测出现的静态干扰、模拟木材的胀缩所产生的干扰和由于零件的运动所产生的动态干扰。并以一个两门一屉的小柜为例,说明了具体操作方法并验证了此方法的有效性。
本文提出了检测在3D-CAD使用过程中出现的虚拟干扰的三步检测程序,来检测出现的静态干扰、模拟木材的胀缩所产生的干扰和由于零件的运动所产生的动态干扰。并以一个两门一屉的小柜为例,说明了具体操作方法并验证了此方法的有效性。
1 计算机中家具装配模式的分析
大多数的家具加工企业都使用了CAD系统。目前使用较多的是2D-CAD和3D-CAD。在2D-CAD系统中绘制结构图时可能出现各种各样的干扰错误,但因为2D-CAD系统中没有零件空间的概念,因而也没有办法去决定在两个零件相互组装时是否会有干扰现象发生。基于这种原因,3D-CAD系统则更为先进。
使用3D-CAD系统进行木制品设计时,首先进行的操作是对零件的建模。简单描述其过程大致如下:先为每一个单独的零件建模,然后将这些单独的模型在3D-CAD系统中进行组装。在组装过程中,操作者一次将一个零件组装到位,并与此同时拟定一些相应的组装条件,如决定怎样去将这个零件与已组装到位的其它零件组装到一起。这个过程实质上就是从新零件中拾起一个几何体和从已组装到位的零件中拾取另一个相应的几何体,然后拟定出如何针对这两个几何体的相关性来进行组装的计划。选取几何体的因素可以是面、边(棱)、点和基准面。从几何学的角度分析,一对几何体如具备下述条件总可以实行啮合、匹配、组装和定位的:一对面元素假如它们彼此共面、重合或者具有一个垂直矢量处于相反方向时(如表面互相分别相对);与此相反,假如一对表面是共面的,或者它们的表面垂直矢量处在同一方向上。这两种不同组装条件下的组装类型的区别可以用下面的例子来解释。
图1 横档与立梃的装配
图1描述了一个由立梃和横档组装而成的四周凸面的平板门的一个角。这块门包括3类5个组装单件(2根立梃、2根横档、1块嵌板)。假设立梃是第1个进入程序的单件,横档是第2个。为了实现它们之间的装配,必须拟定它们之间可实现装配的条件,如图1所示,榫头的顶面必须与榫槽的底面组装在一起。就其本身而言,这种组装条件不能完全确定横档关于立梃的定位,因为尽管CAD系统已知榫头的顶端接触到榫槽的底部,但它不知道横档应置于沿立梃长度方向的确切位置,所以,必须再拟定一个附加约束。另外,横档和立梃的上表面是重合的,因为这两个表面当它们彼此处于安装位置时是位于同一个方向而不是相反的方向,故它们之间的对准是校正对准而不是组装对准。最后,把横档的下底面校准于和立梃的端面相重合。这样的3个条件就可以确保横档正确地与立梃定位。相同的步骤用于接下来的把第2根横档装配于立梃上和把第2根立梃装配到横档上。创建门的组装模型的最后步骤是形成框架与嵌板之间的凸面。只要保证嵌板的背面与榫槽的底面在同一个平面上,且榫槽围绕着门框的四周即可。由上面的分析可以看出:组装的所有过程都强调了一点,这就是保证了零件的垂直和水平定位。
木材不同于其它材料,当含水率发生变化时,它的尺寸会发生变化。在门框的几个零件中,尤以嵌板为甚(这里假设嵌板为实木板)。因此,榫槽的深度要预留出这个空间。为了进行干扰检测,不管嵌板的尺寸多大,嵌板应始终定位于四周榫槽之间的中央位置。可以采取通过嵌板中心创建水平和垂直基准面的方法,也可以采取创建一个纵向居中于基准面的方法来达到这一目的。(如图2所示)然后将穿过嵌板中心的纵向基准面与纵向居中穿过横档的基准面相校准,这样就确保了即使不考虑嵌板的尺寸,嵌板也始终能保持在水平居中(边对边)的位置。与此相似,嵌板平面上的水平基准面也可以与纵向居中穿过立梃的基准面相校准。
上面的例子解释了门在CAD系统中是如何组装而成的。组装整件家具时，与此相同的这些组装和校准面和边的过程会不断重复，直至所有零件都被插入到模型中为止。
图2 采用基准面装配
2 干扰检测通过合适的3D-CAD安装,可以执行干扰检测功能。