装配不仅影响产品的最终质量，而且对制造成 本和生产效率都会产生显著影响，与之相关的产品 可装配性还直接决定着产品的开发周期和开发成 本［1］。然而对传统的家具制造而言，由于缺乏可 视化的分析工具与技术手段，造成以人工操作为主 的家具产品装配工艺过于依赖经验及传统的实物 打样模式，极大限制了装配质量和效率的提升。特 别是在大规模定制(Mass Customization,简称MC) 方式正迅速成为信息时代制造业发展主流模式的 背景下［2］，面对这些产品结构、技术、制造过程复 杂的定制家具产品，装配环节极易成为制约定制家 具制造企业的瓶颈，如何响应定制模式给家具设计 制造提出的挑战已成为业界的研究热点之一。
近年来，在计算机技术和虚拟现实技术支撑 下，虚拟装配技术( Virtual Assembly Technology) 在 有效降低复杂产品的开发难度、缩短开发周期、避 免或减少物理模型的制作以提高装配质量和效率
等方面所起的作用逐渐得到重视［3-6］，美欧等工业 发达国家纷纷投入大量的人力、物力进行该方面的 研究，并取得一系列基础理论研究和系统实现技术 成果［7-8］。不过目前，对虚拟装配的研究绝大多数 集中在飞机、汽车、机械、家电等领域。对家具虚拟 装配最早的国外文献报道为来自日本的 Fuduka 等［9］采用虚拟现实技术实现厨房家具的虚拟装配 和设计，此后，德国的 Mathias 和 Bernhard 10 -11 采 用基于 Web 的技术设计了网络环境下家具的虚拟 装配 BEAVER 系统。美国的 Hyunjoo 等［12］就虚拟 现实技术在家具装配、在线设计等领域的应用进行 了较全面的综述。在我国，对家具装配进行的研究 才刚刚起步［13］，彭龑等［14 -15］就家具产品虚拟装配 中具装配约束的 CAD 建模进行了研究; 周欢伟 等［16］在家具装配建模过程中对装配体建立了属性 约束; 孙妍等［13］则对包括虚拟装配在内的家具虚 拟制造技术进行了综述; 此 外，董 荪［17］ 在 Solid works 软件系统下探讨了椅子的虚拟装配过程。然 而，针对定制家具虚拟装配的系统研究尚不多见， 尤其缺乏适合我国定制家具制造企业的虚拟装配 系统。笔者开发了基于 AutoCAD 环境的定制家具 虚拟装配VASCF系统并开展了相关的应用研究， 以期为定制家具的虚拟装配奠定技术基础。
收稿日期:2012 -08 -09 修回日期:2012 -12 -24
基金项目：江苏省高校自然科学研究计划(10KJB220001)；南京林业大学科技创新基金项目(CX2011 -38) 第一作者: 朱剑刚，副教授，博士 。 E-mail : austin_zhu@ yahoo． com。
引文格式:朱剑刚.定制家具产品的虚拟装配关键技术及应用南京林业大学学报：自然科学版,2013,37(2): 129 -135.
1 虚拟装配的关键技术 虚拟装配是从产品装配的视角出发，综合利用 计算机辅助设计技术、虚拟现实技术、计算机建模与 仿真技术等，在计算机上进行装配操作和规划、检验 和评价产品的可装配性能，以制定合理的装配方 案［5］。虚拟装配等虚拟制造技术是制造信息化技术 的典型应用［18－19］，在设计与制造的无缝连接方面具 有重要作用。虚拟装配涉及诸多关键技术，笔者仅 基于面向装配的设计（Design for Assembly,简称 DFA） 对虚拟装配技术进行研究，即在产品开发的早 期阶段就着眼产品的装配性能和可拆装性，以缩短 产品开发周期，提高产品质量，降低产品成本。
1． 1 面向装配特征的建模技术 装配建模是虚拟装配的基础工作，通过建立产 品及零部件的三维实体模型，为虚拟装配各环节提 供尺寸、形状、约束及接合方式等基本信息。由于 面向装配特征的建模除需表达零部件的几何和拓 扑信息等实体信息，还需包含产品零部件层次结构 关系和装配约束关系等非几何特征，所以其建模方 式和要求显然有别于一般的产品建模。
由于虚拟现实软件建模能力的限制，计算机辅 助设计 CAD 系统仍是虚拟装配中零部件模型建立 的主要手段［6］，建模工作可在 Autodesk AutoCAD 等通用 CAD 设计平台上进行，也可选择 Autodesk Inventor、SolidWorks、Pro / Engineer、UG 等专用 CAD 设计平台。
1． 2 装配分解图技术 装配分解图是将复杂装配体中的各零部件按指 定的次序、方向和距离相互分离，以形象清楚地表达 装配体的几何结构和装配关系的一种图解方式［20］。 装配分解图也可形象地称为装配爆炸图（ 简称爆炸 图） 。装配分解图可清晰展示装配体中所有零部件 的形状、配合和连接关系等，甚至装配顺序和装配路 径［21］，并在直观表现、理解和探究产品信息等方面 具有独特优势。因此，装配分解图在产品全生命周 期过程中均可发挥作用，如产品开发阶段的结构分 析、制造和装配阶段的可行性分析，以及销售阶段的 产品目录和产品安装指引手册制作等。
传统的装配分解图依赖设计人员手工绘制而 成，存在制作花费时间长、劳动量大、无法动态观察 等缺点。随着计算机辅助技术的普及和广泛应用， 如何利用计算机来自动生成产品的装配分解图已 成为制造行业发展的必然要求。 1． 3 装配序列规划技术
规划产品的装配顺序和确定装配路径是虚拟 装配的关键环节和实现装配过程仿真的基础，这个 过程也称为装配序列规划（ Assembly Sequence Planning，简称ASP），其主要内容包括根据工艺知 识在虚拟装配环境中对产品三维装配模型进行试 装/拆卸，生成装配顺序与路径，以直观的可视化形 式展示和验证装配工艺过程，最终得到经济、合理 和实用的装配方案［22］。
装配序列规划通常可简单地理解为零部件排 序问题。传统的装配规划主要借助生产经验进行 人工推导，需耗费大量人力且效率低，随着产品零 部件数量的增加，规划的难度也随之显著加大［23］。 而计算机作为辅助工具在支持产品装配序列规划 上有着明显的优势，如基于图论的装配体拆卸混合 图图解法就具有表示清晰、易于实现等优点［24］。 特别是近年来，虚拟现实技术和人工智能技术的突 破性发展为装配序列规划开辟了新的途径。 1． 4 装配过程仿真技术
装配过程仿真主要基于生成的装配路径对产 品装配顺序进行动态装配过程仿真，检验装配方案 的装配顺序是否可行并确保所有零部件的准确安 装，通过对装配顺序和装配路径的合理性和经济性 提供直观反馈，进而评价整个装配方案的合理性。
为了更形象、逼真地模拟装配过程，除了构建 沉浸式的虚拟装配环境，以DELMIA为代表的人机 工程虚拟仿真软件可借助虚拟人体模型，通过在装 配过程中对虚拟人体模型的姿态、视线、舒适度等 进行分析以优化装配工艺方法［25］。 1． 5 装配干涉检验技术
为了真实地模拟产品的实际装配过程，被视作 实体的待装配零部件模型在虚拟装配时不应该发 生相互穿透的现象［26］，如何检验和判断零部件模 型间是否发生碰撞的干涉检验技术已成为验证装 配方案可行性的一项关键技术。
装配干涉检验可分为静态和动态干涉检验两 种。其中，静态干涉检验是对装配体所有零部件进 行相交性检查，发现装配环境下零部件的干涉情况; 而动态干涉检验是在零部件装配过程中，系统实时 对移动零部件与其他物体间的干涉情况进行检查， 以检验装配顺序、装配路径的可行性和合理性［27］。
2 定制家具虚拟装配系统的技术 实现
基于 AutoCAD 通用设计平台，探索虚拟装配技 术在定制家具产品设计制造中的应用，通过运用 Visual LISP 关联 Excel 数据库等二次开发工具，开 发了面向定制家具产品的虚拟装配系统( Virtual As sembly System for Customized Furniture,简称 VAS- CF) ，初步实现了面向装配特征建模、基于产品零部 件层次关系的装配分解图自动生成、基于装配顺序 的装配过程仿真及装配干涉检验的一体化流程。 2． 1 定制家具产品分析
与传统家具产品相比，定制家具产品具有面向 产品族、面向模块化、面向产品全生命周期等技术 特征。为了实现大规模定制生产模式，定制家具 产品的开发设计、制造以及管理等诸多环节，均需 进行相应的调整和革新，以满足“尽量设法降低产 品内部多样化，增加产品外部多样化”的大规模定 制核心要求。
目前定制家具产品主要以橱柜、衣柜等柜类家 具为主，为此，选取定制柜类家具作为研究对象，并 以一带抽屉的标准柜体为具体实例，进行定制家具 虚拟装配相关技术的应用研究。
2． 2 面向装配特征的定制家具产品零部件三维 建模
产品的建模是实现虚拟装配的基础，但面向装 配特征的建模除了需表达零部件的几何和拓扑信 息等实体信息，还需包含产品零部件层次结构关系 和装配约束关系等非几何特征。笔者利用 Auto CAD 系统所提供的扩展实体数据功能，可以在图 形实体中按不同的需求分门别类地存取不同的非 图形数据。同时，为了更有效组织和使用这些非图 形数据，通过Visual LISP二次开发工具将Auto- CAD 系统与 Excel 进行无缝对接，实现 AutoCAD 的扩展实体数据信息及有关装配信息在 Excel 表 中的存、取、读、写，从而为后续的装配分解图自动 生成、装配仿真等模块提供数据引擎。
主要采用 3DSolid 三维实体进行定制家具零 部件的建模( 其他软件生成的家具三维模型转换 成 3DSolid 实体后也可供此系统使用) ，所建模型 见图1。VASCF系统除了充分利用3DSolid包含的 体积、质心、边界等扩展实体数据属性，还将各零部 件的序号、名称、层次结构关系等重要的非图形信 息与 AutoCAD 系统分配给该实体唯一的实体句柄 一同写入Excel，生成与该产品三维实体模型相关 联的数据表格，以供后续模块调用相关信息。 如有 需要还可继续添加零部件数量、图号等其他信息。
3结语
虚拟装配技术在定制家具产品设计与制造领 域的应用，具有重要的理论意义和实用价值。应用 Visual LISP 关联 Excel 数据库等二次开发技术，研 制开发了基于 AutoCAD 环境的定制家具虚拟装配 VASCF 系统，初步实现了面向装配特征的定制家 具产品零部件三维建模、基于产品零部件层次关系 的定制家具产品装配分解图自动生成、定制家具装 配过程仿真及定制家具虚拟装配过程干涉检验等 一体化流程。今后尚需在复杂定制家具装配顺序 规划和人机工程虚拟仿真技术在定制家具虚拟装 配中的应用等方面开展进一步研究。
参考文献( References) :
[1 ] Abhishek S，Judy M V，James H O． Virtual reality for assembly methods prototyping: a review [J]． Virtual Reality，2011 ，15
(1) :5 －20．
[2] 祁国宁，顾新建，谭建荣.大批量定制技术及其应用M •北 京:机械工业出版社，2003．
[3] 郑轶，宁汝新，刘检华，等.虚拟装配关键技术及其发展J . 系统仿真学报，2006，18(3) :649 －654．
Zheng Y， Ning R X ， Liu J H， et al． Survey on key techniques of virtual assembly[J]． Journal of System Simulation， 2006 ， 18 ( 3 ) : 649 － 654．
[4] 夏平均，陈朋，郎跃东，等.虚拟装配技术的研究综述J ■ 系统仿真学报，2009，21(8) :2267 －2272．
Xia P J， Chen P， Lang Y D ， et al． Study on virtual assembly tech nology: a survey[J]． Journal of System Simulation， 2009 ， 21 ( 8 ) : 2267 － 2272．
[5] 李建广，夏平均•虚拟装配技术研究现状及其发展J .航空
制造技术，2010( 3) : 34 －38．
Li J G， Xia P J． Survey of virtual assembly and its perspective [J]． Aeronautical Manufacturing Technology， 2010( 3 ) : 34 － 38．
[6] 于海霞，王家骐.虚拟装配技术的研究综述J •电脑知识与 技术，2011，7(18) :4420 －4422，4428．
Yu H X， Wang J Q． Survey and analysis of virtual assembly[J]．
Computer Knowledge and Technology， 2011 ， 7 ( 18 ) : 4420 － 4422， 4428．
7]张林林． 协同数字化预装配系统关键技术的研究与实现 D ■南京：南京理工大学,2007.
Zhang L L． Research of key technologies of collaborative digital pre-assembly[D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology， 2007.
[8]南风强.网络协同数字化预装配理论及关键技术研究D - 南京: 南京理工大学，2007.
Nan F Q. Research on network collaborative digital preassembly theory and key technologies[D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology， 2007.
9 ] Fukuda T ， Nagahama R ， Nomura J. Networked VR system: kitch en layout design for customers [C]/ / Proceedings of the Second Symposium on Virtual Reality Modeling Language ， 1997 .
10] Mathias N ， Bernhard J. CAD on the world wide web : virtual as sembly of furniture with BEAVER [R]. Web3 D/ VRML Sympo- sium， 1999.
11] Bernhard J， Mathias N. Design and configuration of furniture u sing internet-based virtual reality techniques [C ]/ / ECAI 2000， 2000.
12] Hyunjoo O ， So-Yeon Y ， Jana H. What virtual reality can offer to the furniture industry [J]. Journal of Textile and Apparel， Tech nology and Management， 2004， 4( 1) : 1 － 17.
13] 孙妍，李克忠. 虚拟制造技术在家具制造业中的应用与研究
[J]. 广西轻工业， 2009( 4) :87 －88.
Sun Y， Li K Z. The application of virtual assembling technology
on furniture industry[J]． Guangxi Journal of Light Industry ，2009
( 4) : 87 － 88．
14彭龑，可玉林，郑太雄.基于装配的柔性化家具CAD设计技 术和方法J ■计算机工程与应用,002(7):231 -233.
Peng Y ，He Y L ，Zheng T X． The technology and method of flexi ble furniture CAD system based on assembly[J]. Computer Engi neering and Applications，2002( 7) :231 -233.
15] 彭龑，林辉，张法伦，等.虚拟装配技术在家具产品CAD设计 中的应用J -家具与室内装饰,001(1)： 16-17.
Peng Y，Lin H，Zhang F L，et al. The application of virtual assem bling technology on design of furniture[J]. Furniture ＆ Interior Decoration,2001 ,( 1 ) : 16 - 17.
16] 周欢伟,陈新度,钟燕锋,等. 面向大规模定制装配的属性约
束平台研究及应用J] •机电工程技术，2006,5 (12) : 17
- 20.
Zhou H W,Chen X D,Zhong Y F,et al. Study on the algorithm and implementation of attribution constrained product configura tion platform for mass customization[J]. Mechanical ＆ Electrical Engineering Technology,2006 ,35( 12):17 -20.
17] 董荪•虚拟设计技术在家具设计中的应用研究D .合肥：合 肥工业大学,2010.
Dong S. Application of virtual design techniques to designing a furniture[D]. Hefei: Hefei University of Technology,2010.
18] Kumar E R,Annamalai K. An overview of virtual manufacturing with case studies [J]. International Journal of Engineering Sci ence and Technology,2011 ,3( 4) : 2720 - 2727.
19] 朱剑刚，吴智慧.家具制造业信息化的构想及关键技术J], 南京林业大学学报:自然科学版,2004,28(1):77-80.
Zhu J G ,Wu Z H. The vision and key technology of manufacture information engineering in furniture manufacture industry [J].
Journal of Nanjing Forestry University : Natural Sciences Edition , 2004,28( 1) :77 -80.
20] 王枕霞.在AutoCAD环境下形成装配分解图的方法J -机 械设计与制造,2008(3):82-84.
Wang Z X. Create exploded views based on AutoCAD by Visual- LISP[J]. Machinery Design ＆ Manufacture,2008( 3) :82 -84.
21] 于嘉鹏,王成恩,张闻雷. 基于装配序列规划的爆炸图自动
生成方法J -机械工程学报,010,6(21)： 149 -157.
Yu J P,Wang C E,Zhang W L. Method for automatic generation of exploded view based on assembly sequence planning[J . Jour nal of Mechanical Engineering,2010,46( 21) :149 -157.
22 贾晨辉,李云峰,夏新涛. 数字规划验证在汽车装配规划中的 应用J -制造业自动化,009,1 (4)：37-41.
Jia C H,Li Y F,Xia X T. The application of digital planning vali dation in automobile assembly[J . Manufacturing Automation, 2009,31(4):37-41.
23 Rashid Mohd,Hutabarat Windo,Tiwari Ashutosh. A review on assembly sequence planning and assembly line balancing optimis ation using soft computing approaches [J . International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2012,59 ( 1 - 4 ) : 335
- 349.
24]章小红.基于蚁群算法的产品拆卸序列规划方法研究D - 武汉: 华中科技大学,2007.
Zhang X H. Product disassembly sequence planning based on ant colony optimization[D . Wuhan: Huazhong University of Science ＆ Technology,2007 .
25 杨敬萍,杜宝瑞,郭洪杰. DELMIA 在某民机前货舱门装配 仿真中的应用J .航空制造技术,2010(24):99-101.
Yang J P,Du B R,Guo H J. Application of DELMIA in assembly simulation of one civil aircraft front good hatch door[J . Aero nautical Manufacturing Technology,2010( 24) :99 -101.
26 滕明燕,孙文磊,可连英,等. 虚拟装配技术在节能抽油机设 计中的应用研究J .机床与液压,011,9(9)： 126 -128.
Teng M Y,Sun W L,He L Y,et al. Application of virtual assem bly technology in the design of pumping unit[J . Machine Tool ＆ Hydraulics,2011,39( 9) : 126 - 128.
27 侯鹏,张丽新,杨碧琦,等. 某型号卫星虚拟装配技术研究及 应用J .航空制造技术,011(22)：70 -73,3.
Hou P,Zhang L X,Yang B Q,et al. Research and application of satellite virtual assembly technology[J . Aeronautical Manufac turing Technology,2011( 22) : 70 - 73,93.
( 责任编辑 李燕文)
教师用户
学生用户
企业用户
社会用户
VIP用户