虚拟装配技术在榫卯结构应用探究

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1、虚拟装配技术在榫卯结构应用探究　　摘要：本文针对传统榫卯结构与在当今家具研究中存在的问题，提出传统工艺与现代设计相结合，将虚拟仿真领域中的数字化仿真技术引入到榫卯结构设计的研究中，以Pro/E为平台，以“有束腰方凳”为研究对象，进行虚拟仿真设计。文章首先阐述虚拟仿真技术的含义，其次提出榫卯结构设计在现代研究的困难及问题；最后通过实例来验证虚拟仿真技术在榫卯结构设计中应用的可行性。结果表明，利用虚拟仿真技术能有效的提高榫卯结构研究的效率，为家具设计开发提供一条新的思路。关键词：榫卯结构数字化仿真有束

2、腰凳一、前言7传统榫卯工艺是传统文化中的瑰宝[1]，在现代家具设计中迫切需要对其进行深入学习与研究。但是由于榫卯工艺结构复杂，在教学中此类物理教具制作困难，不能进行批量的机械化生产。并且内部榫卯结构不能通过物理教具直接观察到，学习者不能直观的理解其结构，这造成学习榫卯结构的过程非常困难[2]。针对榫卯工艺在研究过程中存在的此类问题，本文提出引入数字化设计中的新方法、新技术，将数字化仿真设计与榫卯工艺相结合，以“有束腰方凳”为例，进行虚拟仿真设计。利用仿真技术对榫卯结构进行数字化模型的构建，并利用虚

3、拟装配技术对其进行装配和构建。这样避免了物理教具的批量制造，降低教学成本，提升了教学效率，为榫卯结构的教学研究提供了一条新的思路，本文主要研究的是通过仿真模拟技术对传统榫卯工艺进行研究及其数据库的建立。二、数字化仿真构建方法1、数字化仿真技术含义数字化仿真技术是以虚拟现实和仿真技术为基础，对产品的设计过程统一建模，在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、整个生命周期的模拟和仿真。这样可以在产品的设计阶段就模拟出产品及其性能和制造过程，以此来优化产品的设计质量和制造过程。与传统的工业设计相比，数

4、字化设计技术在设计方法、设计过程、设计质量和效率等各方面都发生了质的变化，数字化工业设计将主要包括数字化建模，数字化装配，数字化评价，数字化制造，以及数字化信息交换等几方面。2、数字化仿真设计流程7在现实家具榫卯工艺研究的方法是：把已有的家具进行拆解，对拆解后的榫卯结构进行测量、记录与学习。而在Pro/E系统中，学习研究榫卯结构的方法是：首先通过对榫卯家具进行拆解，并对其结构进行精细测量；然后通过数字化设计技术，并采用数字化样机来代替原来的物理原型，在数字状态下进行仿真分析，对原设计进行装配重组。

5、这样不需要实物原型，就可以让更多的设计人员在不同时间不同的地点在计算机上进行榫卯结构的学习和研究。三、数字化仿真实例首先是建模平台的选取，考虑到数据格式的通用性、三维模型建设的便捷性，以及数据管理方式的先进性，最终选用了软件Pro/E作为三维建模平台。对结构件和零件用软件Pro/E进行建模来更直观的展示传统结构，以此来系统阐述榫卯结构制图和模型制作的现代工艺流程。由于凳子是明清家具中最基本的单品，其结构也是桌、案、几等家具的本源。本文将具有榫卯结构的束腰凳进行拆解，并对拆解后的结构进行仿真模拟。1

6、、定义初步产品结构在进行详细设计之前要对产品进行初步结构分析：首先采用自顶向下设计方法规划出束腰凳的整体造型结构关系，即产品结构包含了一系列的子装配件，以及它们所继承的设计意图。产品结构由各层次装配和元件清单组成，在定义设计意图时，有许多子装配是预先确定下来的：比如对本例束腰凳进行结构分析，可以看到本例凳子一共使用了攒边打槽装板、抱肩榫、格肩榫这三种榫卯装配结构。2、数字化样机详细设计7在明确了设计意图并定义了“有束腰凳”产品基本结构和框架前提下，将围绕设计意图和基本框架展开零件和子装配的详细设计

7、。首先是子装配件的确定，通过对基本框架的研究分析得出产品共分为三个子装配体：攒边打槽装板结构子装配体、抱肩榫结构子装配体、格肩榫子装配体。当子装配体确定下来，设计基准传递下去之后，可以进行单个的零件设计。2.1凳面榫卯结构仿真从拆解图二可以看出，凳面采用的是攒边打槽装板连接方式。我们将攒边打槽装板连接方式定义为子装配件，在子装配件下进行板心及边框的详细设计。趱边打槽装板的装配结构是首先将板心装纳在四根边框之中，然后将装板的边框装配起来[3]。这种装配结构的优点在于边框伸缩性不大，使得整个家具的结构

8、不至由于面板的胀缩而受影响，起到了稳定坚实的作用。趱边打槽装板装配结构定义完之后开始进行零部件的详细设计，由图四可以看出此装配零部件由凳面的带榫头的两根大边和两条带榫眼的抹头组成。这四根木框两根长而出榫的叫“大边”，两根短而凿眼的叫“抹头”。经过以上分析，在Pro/E环境中建立这四根带有榫卯结构的木框零部件。2.2腿足的抱肩榫结构仿真7从图三可以看出，凳面与腿足及其束腰采用的是抱肩榫连接方式，将抱肩榫连接方式定义为子装配件，抱肩榫是束腰家具的腿足与束腰、牙条相结合时使用的榫卯结构。