Construction and Application of Parametric Design System for Mortise-Tenon Connection in Ming-Style Furniture

YANG Jing, YU Sui-huai, YANG Gang-jun

Abstract :To realize mode rnized production for Ming-style furniture of mortise-tenon connection , on the basis of the research of mortise-tenonconnection , a new parametric design method of mortise-tenon connection was proposed ;And a parametric design sy stem with standardized components of mortise-tenon and characteristic modeling technology was developed on the Solidworks platfo rm by V B language .The design for furniture products was given as an example , which proved that the methodology was rational and feasible .

Key words:mo rtise-tenon co nnection ;Ming-style furniture ;pa rametric technology ;sy stem construction

The tenon structure is the essence of Chinese traditional furniture, is Chinas earliest scientific design significance of the language. The construction of the tenon structure in the scientific, practical and aesthetic perfect combination, is the other connection can not match. When the furniture force, the wooden components through the tenon force, only tenon can be done up and down, left and right, the thickness of the straight and straight connection, the board will be evenly distributed to other parts of the furniture, making furniture to maintain stability, Sturdy.

Chinas tenon technology through a long evolution and development, to the late Ming and early Qing Dynasty mature and perfect, of which Ming-style furniture for the tenon process development of the peak for. Ming-style furniture making tenon compact, the structure of scientific and reasonable, durable, attention and make full use of the natural texture of wood and color of the United States, from the overall style, the details of the node to the use of decorative patterns, have a unique flavor and clear style of the Ming Dynasty The The structure of the frame structure provides the content and the basis for the jointing of the mortise and the earth, and the mortise and the joint are prepared for the form and the form.

The structure of the tenon structure is diverse, the structure of the tenon structure is complex, the structure is complex and the efficiency is very low by the traditional modeling method. Therefore, it is necessary to consider the parameterized design. In addition, because the tenon structure is relatively stable, with the characteristics of standardized design, so the parametric design work is also feasible. However, the tenon structure of the structure at the same time has a more flexible form and structure size, for the component of the fully parametric design has a negative side. Most of the researches at home and abroad focus on the morphological design of Mingtian tenon furniture, and lack the parametric design of tenon structure. In view of this, the research group has developed a computer-aided design system integrating the parametric design and characterization of the integrated standard components, which solves the contradiction of the parametric design and has achieved good results in the concrete design. In this paper, we introduce the parametric design subsystem of the structure of the furniture with the structure of the mortise structure, and the characteristic modeling subsystem will not be the main part.

1 the system design of Ming furniture

Development platform and tool selection

Ming-style furniture parametric design system development of the selected three-dimensional software platform for So lidw orks, development tools selected Visual Basic (VB) visual programming software.

(VB) visual programming software.

So lidw orks is a three-dimensional CAD / CAE / CAM / PDM desktop integration software based on Window s platform. It adopts fully non-constrained feature modeling technology. The design process is fully correlated and can easily design and modify 3D solid model. Shorten the product design cycle. At present, Solidw orks is the fastest growing market share, the fastest growing technology, the best market prospects, the best cost performance software.

So lidw orks software provides hundreds of API (Application Prog ram Intefaces, application interface) function. The API function is an O LE (Object Linking and Embedding) interface, and the core of O LE technology is to allow a Window s application to control and manipulate another Window s program through exposed objects. Through OLE technology, using Visual Basic (VB), Delphi, Visual C (VC) and other high-level language can be very convenient for the second development of Solidw oks.

System composition

The function of the parametric design subsystem of the Ming-style furniture component is to realize the modularization of the characteristic relations of the furniture components with universal standardization characteristics and to achieve the goal of minimizing parameter-driven modeling. Components that are not standardized are characterized by the characterization of the tenon structure to achieve the functionality of computer-aided design [7-8]. The parametric design subsystem is mainly composed of furniture component module, user interface and database module. The component module is mainly responsible for constructing the structural parameters of the basic components in the Ming furniture. The database module records the basic drive parameters of the corresponding components, through the component module and the user interface call to achieve the basic structure of the building and interactive changes (Figure 1).

Fig .1 Structu re of desi gn syst em

Tenon structure graphics library

Ming-style furniture tenon structure, function is complete, different shapes. Table 1 lists the common basic tenon structure. The determination of the structural parameter of the component is an important part of the parametric d

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明式家具榫卯结构的参数化设计系统构建与应用

杨 静,余隋怀,杨刚俊

摘 要:为了实现榫卯结构明式家具现代化生产, 在研究榫卯结构的基础上 ,提出了榫卯结构的参 数化设计方法, 并在 So lidw orks 平台上,采用 VB 作为开发工具 ,研发了集成榫卯标准构件参数化 设计和特征建模为一体的设计系统 ,并通过明式家具产品的设计 ,证明该方法的可行性与合理性。

关键词:榫卯结构;明式家具;参数化;系统构建。

榫卯结构是中国传统家具的精华部分, 是中国 最早具有科学设计意义的语言 。榫卯结构形式多 样,在科学性、实用性和审美的完美结合方面, 是其 他连接方式无法比拟的 。家具受力时, 木制构件通 过榫卯传力,仅凭榫卯就可以做到上下、左右、粗细 斜直合理连接, 将板面受力均衡地分配到家具其他 部件 ,使得家具保持稳定 、坚固 。

我国榫卯工艺经过漫长的演变和发展, 到明末 清初日臻成熟和完美, 其中以明式家具为榫卯工艺 发展的颠峰之作 。明式家具制作榫卯精巧严密 、 结构科学合理、坚固耐用 ,重视和充分利用木材的自 然纹理和色泽之美, 从整体风貌、细部节点到装饰纹 样的运用 ,都具有独特的韵味和明晰的明代风格 。 明式家具的榫卯接合和框架结构相辅相成, 缺一不可 ;框架结构为榫卯接合提供了内容和依据,而榫卯 接合又为形体构成准备了条件和形式 。

榫卯结构的构件种类繁多, 榫卯结构多样, 结构 复杂,单纯靠传统的建模方式工作量大 ,效率很低, 所以考虑参数化设计非常必要 。另外, 由于榫卯结 构比较稳定 ,具有标准化设计的特点 ,所以参数化设 计工作也具有可行性。但是 ,榫卯结构构件同时又 具有较灵活的形态和结构尺寸, 对于构件的完全参 数化设计又有不利的一面。国内外的研究大多集中 在明式榫卯家具的形态设计方面, 缺乏榫卯结构的 参数化设计研究 。鉴于此 ,课题组研究开发了集 成标准构件参数化设计和特征化建模为一体的计算 机辅助设计系统, 解决了该参数化设计的矛盾, 在具 体实际设计中取得了良好效果 。限于篇幅 ,本文主要介绍榫卯结构明式家具构件的参数化设计子系 统,特征化建模子系统将不作为主体部分。

1 明式家具参数化设计的系统构建

开发平台与工具选用

明式家具参数化设计系统开发所选用的三维软 件平台为 So lidw orks, 开发工具选用 Visual Basic (VB)可视化编程软件。

(VB)可视化编程软件。

So lidw orks 是 基 于 Window s 平台的三维 CAD/CAE/CAM/PDM 桌面集成软件, 它全面采用非全约束的特征建模技术 ,设计过程具有全相关性 , 可方便地设计和修改三维实体模型 ,缩短了产品的 设计周期 。目前 , Solidw orks 是市场份额增长最快、技术发展最快、市场前景最好、性能价格比最优的软 件。

So lidw orks 软件提供了数百个 API(Application Prog ram Inte rface , 应用程序接口)函数。 API 函数 是 Solidw orks 的 O LE (Object Linking and Embedding ,对象的嵌入与链接)接口 ,而 O LE 技术 的核心是允许一个 Window s 应用程序通过暴露对 象控制和操作另一个 Window s 程序 。通过 OLE 技 术,使用 Visual Basic (VB)、Delphi 、Visual C (VC)等高级语言可以很方便地对 Solidw oks 进行二次开发 。

系统组成

明式家具构件的参数化设计子系统的功能是实 现具有普遍标准化特点的家具构件的特征关系的模 块程序化, 并达到尽量少的参数驱动建模的目的。 而不具标准化特点的构件可采用榫卯结构的特征化 建模,以达到计算机辅助设计的功能[ 7-8] 。参数化设 计子系统主要由家具构件模块、用户界面和数据库 模块等组成 。构件模块主要负责构建明式家具中基 本构件的结构参数关系 。数据库模块记录有相应构 件的基本驱动参数, 通过构件模块和用户界面的调 用实现构件的基本搭建和交互修改(图 1)。

图 1 系统组织结构

榫卯结构图形库

明式家具榫卯结构繁多 ,功能齐备, 形态各异。 表 1 列举了常见的基本榫卯结构 。构件的结构参数 关系式的确定是参数化设计的重要环节 , 为榫卯结 构家具迈进标准化设计与生产的进程奠定了基础。

表 1 基本榫卯结构

2 参数化设计过程与实例

构件的参数化设计过程

构件的参数化设计基本步骤如下:

(1)基本榫卯构件参数关系式的确立。

(2)相应 Access 数据管理系统的建立。

(3)So lidw orks 建立构件的模板模型,对具有关 联性质的模型尺寸添加关系方程式 。

(4)VB 编辑构建模块, 实现构件模型与 Acce ss 数据库建立联系 。

(5)VB 编辑应用程序 ,实现 Solidwo rk 建立的 模板模型的参数化驱动。

实例

攒边结角榫 明式家具中 ,攒边结角榫一般 用于攒接椅面的两条“大边”和 2 条“抹边”(图 2), 并使之结合为矩形方框, 借此支撑和固定椅面 。“大 边”两端在对称的 45°切角基面上伸出榫头, 与之相 对应, “抹边”两侧刨出卯眼 。攒边结角榫的抹边结 构在明式家具中具有较普遍的使用意义, 而且具有 明确的标准化特点, 因此 ,适合对其进行参数化设计 模块的构建。

图 2 抹边参数化设计用户界面 Fig .2 Int erface of the syst em

具体的构建技术如下 :

建立模型尺寸及尺寸间的约束关系式:

L2 =L1 -C1 ;D2 =D1 /2 ;H2 =H1 /3 ;H3 =H2/ 2 ;R =C2

其中 ,C1 和 C2 为正常数 。

关键程序源代码 :

hellip; hellip;

Set swApp = CreateObject('SldWo rks .Applicatio n')启动 solidw orks 程序

swA pp .Visible =T rue 打开文件

Set part = swApp .OpenDoc6('攒边结角榫结 构官帽椅座面抹边 So lidw orks 文件路径', 1 , 0 , '', long status , longw arnings)

Set part =swApp .Activ ateDoc2('抹边.SLDPRT', False , long status)

L1 =Val (tx t 抹边长度 L1 .Tex t)/ 1000 :L2 =L1 -C1

D1 =Val(tx t 抹边宽度 D1 .Text)/ 1000 :D2 =D1/2

H1 =Val(txt 抹边厚度 H1 .Te xt)/ 1000 :H2 =H1 /3 :H3 =H2 /2

part .Paramete r('D1 @草图 1').Sy stemValue =L1

part .Paramete r('D1 @拉伸 3').Sy stemValue =L2

part .Paramete r('D2 @草图 1').Sy stemValue =D1

part .Paramete r('D2 @草图 6').Sy stemValue =D2

part .Paramete r('D1 @拉伸 1').Sy stemValue =H1

part .Paramete r('D1 @草图 6').Sy stemValue =H2

part .Paramete r('D3 @草图 3').Sy stemValue =H3

part .EditRebuild3重新生成

Set pa rt =Nothing

Set swApp =Nothing

hellip; hellip;

走马销 走马销又称“扎榫” ,一般用在方便 装拆的两个构件之间(图 3)。其构造为榫头端部 大,内部小 ;对应的榫眼的开口外边大, 内边小 ,且宽 度基本为榫头宽度的 2 倍 。榫头由榫眼的大半边纳 入,推向开口小的半边, 销接后榫头纵向难于拔出 ; 若要拆卸 ,还须退到开口的的半边方能拔出 。在明 清家具和家具摆设品中 , 翘头案的活翘头与抹头的 结合,罗汉床围子与床身边抹的结合 ,屏风式罗汉床 围子扇与扇之间的结合 , 屏风式宝座靠背与扶手的 结合等 ,都常用走马销 。

图 3 走马销参数化设计用户界面

具体构建技术如下:

建立模型尺寸及尺寸间的约束关系式:

L1 =C1 ;L2 =L1/4 ;L3 =C2 ;L4 =L3 -C3 ;L5 = L1 /4 L3 ;D1 =C4 ;D2 =C5 ;D3 =D2 -C6 ;H1 =C7 ; H2 =2H1/3 ;H3 =C8

其中 :L1 、D1 、H1 分别为采用走马销的家具组 件长 、宽和高;C1 ～ C8 为正常数。

关键程序源代码 :

hellip;hellip;

Set swApp = C reateObject('SldWorks .A pplication')启动 solidw o rks 程序

swApp .Visible = True

打开文件

Set part =swApp .OpenDoc6('走马销结构罗 汉床床边 So lidw orks 文件路径', 1 , 0 , '', longstatus, longw arning s)

Set part = swApp .ActivateDoc2('罗汉床床 边.S LDPRT', False , longsta tus)

L1 = Val (tx t 罗汉床床边长度 L1 .Tex t)/ 1000 :L2 =L1/4 :L3 =C2 :L4 =L3 -C3 :L5 =L1 /4 L3

D1 = Val(tx t 罗汉床床边宽度 D1 .Text)/ 1000 :D2 =C5 :D3 =D2 -C6

H1 =Val(tx t 罗汉床床边厚度 H1 .Text)/ 1000 :H2 =2H1 /3 :H3 =C8

part .Parame ter('D1 @草图 1').Sy stemValue =L1

part .Parame ter('D1 @草图 3').Sy stemValue =L2

part .Parame ter('D2 @草图 3').Sy stemValue =L3

part .Parameter('D1 @切除-拉伸1').SystemValue=L4

part .Parameter('3@阵列(线性)1 ').SystemValue=L5

part .Parame ter('D2 @草图 1').Sy stemValue =D1

part .Parame ter('D1 @拉伸 2').Sy stemValue =D2

part .Parame ter('D2 @草图 5').Sy stemValue =D3

part .Paramete r('D1 @拉伸 1').Sy stemV alue =H1

part .Paramete r('D3 @草图 3').Sy stemV alue =H2

part .Paramete r('D1 @草图 5').Sy stemV alue =H3

part .EditRebuild3重新生成

Set pa rt =Nothing

Set swApp =Nothing

hellip; hellip;

3 结 论

采用 So lidw orks 三维软件的 VB 二次开发技 术 ,建立了明式家具榫卯结构的参数化设计系统 ,对 缩短榫卯明式家具研制周期 、减少重复劳动、降低生 产成本、宏扬中国传统家具文化具有一定意义。同 时 ,由于该参数化设计系统内有其相关的配置属性, 对其他榫卯文化产品的研发也具有一定参考价值。 榫卯结构的参数化标准还有待深入探讨 , 进一步构 建榫卯结构特征库, 完善榫卯结构明式家具的计算 机辅助设计系统。

参考文献:

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[ 2] 王世襄.明式家具研究[ M] .香港:三联书店有限公司, 2002.

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[ 5] 江洪, 魏峥, 王涛威.S olidw orks 二次开发实例解析[ M] .北京: 机械工业出版社, 2004:3. [ 6] 王宗彦, 吴淑芳, 秦慧斌, 等.S olidw orks 机械产品高级开发技 术[ M] .北京:北京理工大学出版社, 2005:10.

[ 7] 蔡闻峰, 周惠群.在Au t oCAD

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