FreeForm虛擬造型系統(tǒng)在家具設(shè)計(jì)復(fù)雜曲面的應(yīng)用研究

陳龍++周玲++吳榮++陳學(xué)斌

摘要：研究了一種以FreeForm虛擬造型設(shè)計(jì)系統(tǒng)為中心接口，結(jié)合3D打印等技術(shù)的家具復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的方法。首先，對(duì)FreeForm自由造型系統(tǒng)及設(shè)計(jì)平臺(tái)的原理進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，提出了基于FreeForm虛擬造型系統(tǒng)為中心接口的復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的思想。然后，對(duì)歐式家具復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的案例進(jìn)行展示與研究。最后，通過對(duì)比傳統(tǒng)方法，總結(jié)出此方法具有設(shè)計(jì)快速、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方便、人機(jī)交互性優(yōu)等六大優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：FreeForm虛擬造型系統(tǒng) 產(chǎn)品創(chuàng)新平臺(tái) 家具設(shè)計(jì) 復(fù)雜曲面 虛擬現(xiàn)實(shí)

中圖分類號(hào)：TP391.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）10-0120-02

所有企業(yè)都知道新產(chǎn)品開發(fā)對(duì)企業(yè)成功的重要性，同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)使企業(yè)要考慮產(chǎn)品創(chuàng)新和產(chǎn)品開發(fā)的方式。[1]這就告訴我們新產(chǎn)品開發(fā)的如果模式一塵不變，企業(yè)就有可能受到災(zāi)難性的阻礙。家具產(chǎn)品中裝飾性復(fù)雜的浮雕花紋一直都是東西方古典家具中的經(jīng)典元素，新時(shí)代家具設(shè)計(jì)中對(duì)這一元素需要重新設(shè)計(jì)，才能滿足現(xiàn)代市場(chǎng)需求。傳統(tǒng)的家具復(fù)雜花紋曲面開發(fā)方法較為原始和復(fù)雜，已難以適應(yīng)市場(chǎng)變化。結(jié)合3D打印等技術(shù)的FreeForm虛擬造型系統(tǒng)可以在曲面造型自由度和實(shí)現(xiàn)性兩方面極大提高效率，從而提供了一種易迭代、響應(yīng)速度快、人機(jī)交互強(qiáng)的產(chǎn)品創(chuàng)新方法。

1 以FreeForm虛擬造型系統(tǒng)為中心的創(chuàng)新平臺(tái)

1.1 FreeForm虛擬造型系統(tǒng)

FreeForm虛擬造型系統(tǒng)是美國(guó)麻省理工大學(xué)于上世紀(jì)末開發(fā)的一個(gè)整合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、虛擬數(shù)字油泥與力反饋技術(shù)的三維技術(shù)系統(tǒng)，全稱觸覺式虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)（Haptic Virtual Design System）。產(chǎn)品由美國(guó)3D system公司商業(yè)化至今，產(chǎn)品已涉及家具、制鞋業(yè)、珠寶業(yè)、醫(yī)學(xué)、建筑工程等上百個(gè)不同領(lǐng)域的行業(yè)，在自由曲面造型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、虛擬力反饋手術(shù)、建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)模擬等多個(gè)尖端應(yīng)用技術(shù)點(diǎn)展開有效應(yīng)用，成為產(chǎn)品創(chuàng)新有效的新開發(fā)方式。

產(chǎn)品基于PC平臺(tái)包括了硬件和軟件兩個(gè)部分，主要有Phantom硬件、Ghost軟件與數(shù)字油泥Clay三個(gè)組成單元。

產(chǎn)品硬件提供了力反饋技術(shù)與數(shù)字油泥技術(shù)，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域展開了新的歷史篇章，使得人在使用此系統(tǒng)的過程中，從視覺、觸覺兩個(gè)維度極大的提升了沉浸感（Immersion），與造型空間，從而降低了數(shù)字化復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)的難度，提升了新產(chǎn)品開發(fā)的效率。

1.2 基于FreeForm虛擬造型系統(tǒng)的產(chǎn)品創(chuàng)新平臺(tái)

雖然FreeForm虛擬造型系統(tǒng)具有優(yōu)越的建模性能，但在實(shí)際新產(chǎn)品開發(fā)過程中，還需要數(shù)據(jù)導(dǎo)入、產(chǎn)品參數(shù)化、設(shè)計(jì)迭代等多項(xiàng)工作的共同作用，才能對(duì)創(chuàng)新概念有效的孵化。圖2所示的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)平臺(tái)是以FreeForm虛擬造型系統(tǒng)為中心，整合逆向掃描技術(shù)、3D打印技術(shù)的系統(tǒng)化平臺(tái)，為復(fù)雜曲面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了全流程的技術(shù)支撐。力反饋技術(shù)及虛擬油泥的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)的高度沉浸感（Immersion）、交互感（Interaction）和想象空間（Imagination）[2]，從概念導(dǎo)入、模型建立與修改、3D打印與NC數(shù)據(jù)接口全對(duì)接，及高度自由的曲面造空間。

1.3 產(chǎn)品創(chuàng)新平臺(tái)的虛擬現(xiàn)實(shí)原理

對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)，通過多維方式與計(jì)算機(jī)所創(chuàng)造的虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，能使參與者全身心地沉浸在計(jì)算機(jī)所生成的三維虛擬環(huán)境中，產(chǎn)生身臨其境的感覺，將人與環(huán)境融為一體，使操作人員相信在虛擬境界中人也是確實(shí)存在的，而且在操作過程中他可以自始至終地發(fā)揮作用，就像在真正的客觀現(xiàn)實(shí)世界中一樣。在虛擬環(huán)境中引入聽覺系統(tǒng)可以補(bǔ)充視覺信息，以增強(qiáng)對(duì)環(huán)境的感知。在現(xiàn)實(shí)世界中，人們可以操作各種物體，并能感覺到物體的運(yùn)動(dòng)阻力、表面紋理、質(zhì)量、柔性等特征，在虛擬環(huán)境中如要體驗(yàn)到這些特性必須引入觸覺和力感反饋系統(tǒng)。

圖3給出了產(chǎn)品創(chuàng)新平臺(tái)的虛擬現(xiàn)實(shí)原理，詳細(xì)說明了平臺(tái)是如何通過力反饋技術(shù)和虛擬油泥技術(shù)使各要素之間發(fā)生關(guān)系的。

1.4 力反饋技術(shù)在創(chuàng)新平臺(tái)中的應(yīng)用

力反饋的直接方法是利用提供動(dòng)力的電動(dòng)機(jī)和對(duì)人體或人體部位進(jìn)行力反饋的“外骨系統(tǒng)”。所謂外骨系統(tǒng)，實(shí)際上就是固定在人體上所需部位的反饋力的系統(tǒng)，如臂部、手部等。一般情況下，系統(tǒng)讓你自由行動(dòng)，一旦接觸到虛擬的物體，系統(tǒng)會(huì)在適當(dāng)?shù)牟课划a(chǎn)生出對(duì)應(yīng)的反作用力，限制該部位的運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生出力的感覺。不同反饋將會(huì)產(chǎn)生出不同的作用而獲得的。

在平臺(tái)中，F(xiàn)reeForm硬件終端——一個(gè)具有六個(gè)自由度方向空間觸感筆（如圖1所示）在人建模的過程中，實(shí)時(shí)提供給人們真實(shí)力學(xué)感受，讓其感受到虛擬空間中模型，在復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)的過程中，虛擬油泥的粗糙度，“拖拽”曲面細(xì)節(jié)的阻力甚至模型內(nèi)壁的空間狀態(tài)都可以通過這個(gè)裝置讓人的手真實(shí)“觸摸”。

2 應(yīng)用開發(fā)案例

本案例選取了復(fù)雜曲面最為代表性的產(chǎn)品，歐式家具裝飾部件雕花的項(xiàng)目載體。傳統(tǒng)的家具雕花制作過程是需要工匠憑借經(jīng)驗(yàn)雕刻好樣件，然后將樣件掃描或進(jìn)行CAD處理，最后送入雕刻機(jī)，批量制作生產(chǎn)。在創(chuàng)意階段，如果工匠出現(xiàn)了錯(cuò)誤，只能重新雕刻，在CAD處理的過程中如果出現(xiàn)制造方面的錯(cuò)誤，對(duì)數(shù)字曲面的處理一般軟件也很難處理，而大多工匠對(duì)數(shù)字化生產(chǎn)幾乎不懂。造成了從樣件到批量化生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸，本案利用上述的產(chǎn)品創(chuàng)新平臺(tái)可以直接從開始就將創(chuàng)意導(dǎo)入到數(shù)字化生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)下。

2.1 家具雕花曲面初始形態(tài)的建立

在軟件中在Planes（ 面編輯）下選取create plane（建立工作面），建立好工作平面，將草圖導(dǎo)入到平面中，使用平面Draw curves（繪制曲線）工具描繪好圖形的半邊輪廓，并利用Sketch（草圖）下Mirror（鏡像工具）鏡像好一個(gè)完整的產(chǎn)品輪廓。利用construct clay（建立油泥） 下的wire cut clay（拉伸成型），將距離調(diào)整為50MM，建立好初始形態(tài)的數(shù)字油泥，將數(shù)字油泥的精度、調(diào)整到1.5，方便初始細(xì)節(jié)的制作。然后選取 sculpt clay下的smooth clay，將建立的初始形態(tài)油泥平滑，如圖中4所示。至此初始形態(tài)制作完畢。

2.2 家具雕花曲面草模到細(xì)節(jié)的深入

利用草圖的參照性，繪制要陷入或拱起的造型曲線輪廓在工作平面上，然后利用投影平面曲線至初始形態(tài)的虛擬油泥上，利用Deform clay（變形油泥）下 Tug area（變形局部區(qū)域），操控硬件數(shù)字筆，利用力反饋和圖像反饋，細(xì)致的造型細(xì)節(jié)復(fù)雜曲面。這一過程需要對(duì)藝術(shù)的把握能力，對(duì)雕花間隙和附件的制作還需用到Construct clay（建立油泥）下的Wire cut clay（拉伸成型）Inflate clay（膨脹成型）mirror clay（鏡像油泥），Detail clay（細(xì)節(jié)深入） 下的Ridge（山脊），emboss with image（根據(jù)圖像凸起）等工具。細(xì)節(jié)深入的過程需要不斷平滑和深入細(xì)節(jié)，由于過程較復(fù)雜，圖片不一一詳解。最終完整圖5的形態(tài)樣式。

2.3 復(fù)雜曲面模型的可制造性檢驗(yàn)

FreeForm系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的CAM模塊Mold（模具）及Analysis tools（檢測(cè)工具），本案如果需要塑料件，可以使用拔模分析工具，利用彩虹區(qū)域來判斷形態(tài)是否正確。此外Auto surface工具可以將完整好的數(shù)字油泥模型自動(dòng)鋪上可供其他CAD/CAM軟件的IGES/STEP面。最后選取自動(dòng)鋪設(shè)的面圖層，導(dǎo)出需要的格式，可以供RP＼CAD＼CAM下游軟件和設(shè)備使用。（如圖6）

3 優(yōu)勢(shì)分析

3.1 加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)速度

整合FreeForm自由造型系統(tǒng)的產(chǎn)品創(chuàng)新平臺(tái)，對(duì)家具設(shè)計(jì)中復(fù)雜曲面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了可制造性的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，使得產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)與開發(fā)的速度有效提升，提升了新產(chǎn)品登錄市場(chǎng)的速度，加強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

3.2 提升用戶人機(jī)交互性能

FreeForm雕刻模型的內(nèi)外表面， 通過利用可觸覺的、非程序化的、真實(shí)的工具進(jìn)行學(xué)習(xí)并迅速而直觀，通過視覺和觸覺較大程度上提升了用戶感受虛擬物體的真實(shí)性。

3.3 數(shù)據(jù)接口的兼容性優(yōu)

從正向的產(chǎn)品創(chuàng)意產(chǎn)生，產(chǎn)品模型建立到快速原型的加工制作，到逆向的三維掃描，數(shù)據(jù)修復(fù)與更改到生產(chǎn)加工，基于FreeForm的產(chǎn)品創(chuàng)新平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了從自由曲面設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的全數(shù)據(jù)兼容接口，使得創(chuàng)意設(shè)計(jì)與生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)的鴻溝消失。

3.4 易迭代、響應(yīng)速度快

整個(gè)產(chǎn)品創(chuàng)新平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無縫聯(lián)結(jié)，因此在從創(chuàng)意、設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的任何一個(gè)環(huán)節(jié)過程都是可逆的，因此在產(chǎn)品創(chuàng)新的過程中無論是方案的修改迭代，還是任何一個(gè)環(huán)節(jié)的錯(cuò)誤，都可隨時(shí)修改。具有易迭代、響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)。

3.5 以制造為中心的復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)

基于FreeForm的產(chǎn)品創(chuàng)新平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字油泥（CLAY）的實(shí)體建模化與鋪面功能，其拔模分析模塊可以直觀的顯示出曲面設(shè)計(jì)不合理之處，有效的規(guī)避了因曲面設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的后期加工困難。

3.6 設(shè)計(jì)開發(fā)過程的綠色化

傳統(tǒng)的家具雕花及裝飾設(shè)計(jì)需要耗費(fèi)一定的木料及其他模型材料，致使用戶工作環(huán)境不利于健康，同時(shí)產(chǎn)生較多的廢料。本文提出的這一方法有效的減少了產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程的廢料產(chǎn)生，同時(shí)提升了用戶的工作環(huán)境。

4 結(jié)語

（1）基于FreeForm虛擬造型系統(tǒng)的家具復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)在中的流程：①改良設(shè)計(jì)：掃描數(shù)據(jù)→格式轉(zhuǎn)化（CLAY）→曲面修復(fù)與更改→模型鋪面（IGES）→3D打印（或CAM）②創(chuàng)意設(shè)計(jì)：曲面創(chuàng)意設(shè)計(jì)（CLAY）→模型鋪面（IGES）→3D打印（或CAM）。

（2）基于FreeForm虛擬造型系統(tǒng)的家具復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)的方法具有加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)速度，提升人機(jī)交互性能、數(shù)據(jù)兼容性優(yōu)等六大優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1]阿蘭.韋伯（AlanWebb）著，袁紅林譯.成功產(chǎn)品創(chuàng)新項(xiàng)目管理[M].上海：上海財(cái)經(jīng)大學(xué)出版社，2004：3-4.

[2]陳龍.基于FreeForm系統(tǒng)的玩偶設(shè)計(jì)開發(fā)[J].陜西：陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010.

[3]劉賢梅.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用[M].黑龍江：哈爾濱地圖出版社，2004：3.

[4]殷煒.歐式家具雕刻裝飾圖案的研究及應(yīng)用[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2014：18.

[5]陶燎亮.虛擬油泥技術(shù)Freeform在文物快速?gòu)?fù)原中的應(yīng)用研究[J].天津：數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2016.

[6]周志雄.復(fù)雜曲面加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].北京：機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010.

收稿日期：2016-08-16

基金項(xiàng)目：院級(jí)課題（07031417）“面向產(chǎn)品造型專業(yè)快速設(shè)計(jì)與制造創(chuàng)新平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究”。

作者簡(jiǎn)介：陳龍（1984—），男，陜西漢中人，碩士研究生，講師，主要研究方向：數(shù)字建模技術(shù)應(yīng)用、產(chǎn)品創(chuàng)新平臺(tái)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)管理。