改革開放以來，我國家具制造業(yè)快速發(fā)展，制造能力大幅提升，2008年已經(jīng)成為全球家具生產(chǎn)大國和出口第一大國。但近年來，受金融危機、人民幣升值、能源及原輔材料價格上揚、勞動力成本上升等因素的影響，我國家具制造企業(yè)的出口和內(nèi)銷遭遇嚴重挑戰(zhàn)。在此背景下，信息技術(shù)、先進制造技術(shù)和大規(guī)模定制等生產(chǎn)模式，正在為我國家具制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級發(fā)揮積極的作用。
產(chǎn)品設(shè)計是制造業(yè)的靈魂。據(jù)統(tǒng)計，產(chǎn)品設(shè)計階段對產(chǎn)品總成本的影響通常占70%左右，約75%的產(chǎn)品質(zhì)量問題由產(chǎn)品設(shè)計不合理導(dǎo)致。由此可見，開發(fā)設(shè)計技術(shù)，對于實現(xiàn)家具產(chǎn)品的大規(guī)模定制至關(guān)重要。本文闡述面向大規(guī)模定制的家具數(shù)字化設(shè)計技術(shù)，旨為我國家具企業(yè)的技術(shù)轉(zhuǎn)型升級提供參考。
1 大規(guī)模定制的基本內(nèi)涵
大規(guī)模定制(Mass customization，MC)，又稱大批量定制、大規(guī)模客戶化生產(chǎn)和批量客戶化生產(chǎn)等，是一種集企業(yè)、客戶、供應(yīng)商和環(huán)境于一體，在系統(tǒng)思想指導(dǎo)下，用整體優(yōu)化的觀點，充分利用企業(yè)已有的各種資源，在標準化技術(shù)、現(xiàn)代設(shè)計方法學(xué)、信息技術(shù)和先進制造技術(shù)等支持下，根據(jù)客戶的個性化需求，以大批量生產(chǎn)的低成本、高質(zhì)量和高效率，提供定制產(chǎn)品和服務(wù)的生產(chǎn)方式。
盡管大規(guī)模定制概念的產(chǎn)生僅有40年的歷史，但由于集成大規(guī)模生產(chǎn)和定制化生產(chǎn)的優(yōu)勢，已成為企業(yè)競爭的新前沿，不僅己被美歐等眾多國外家具企業(yè)視為重獲競爭優(yōu)勢的戰(zhàn)略選擇，而且在我國家具行業(yè)中也獲得關(guān)注，并已在櫥柜、衣柜等板式家具制造企業(yè)率先得到應(yīng)用。
大規(guī)模定制的基本內(nèi)涵，是基于標準化原理，利用系列化、模塊化等標準化設(shè)計方法，降低產(chǎn)品的內(nèi)部多樣化（如零件、原材料、工藝等的種類），增加顧客可感知的產(chǎn)品外部多樣化（如產(chǎn)品的風格、顏色、規(guī)格等），并通過產(chǎn)品重組和過程重組，將產(chǎn)品定制生產(chǎn)轉(zhuǎn)化或部分轉(zhuǎn)化為零部件的批量生產(chǎn)，從而迅速向顧客提供低成本、高質(zhì)量的定制產(chǎn)品。
為了實現(xiàn)大規(guī)模定制，家具產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計、制造以及管理等諸多環(huán)節(jié)，均需進行相應(yīng)的調(diào)整和革新，以滿足“盡量設(shè)法降低產(chǎn)品內(nèi)部多樣化，增加產(chǎn)品外部多樣化”的核心要求。
2 家具數(shù)字化設(shè)計的概念及應(yīng)用現(xiàn)狀
2.1 家具數(shù)字化設(shè)計的概念
20世紀70年代以來，計算機輔助設(shè)計(Computer aided design，CAD)技術(shù)飛速發(fā)展，極大地提高設(shè)計效率和精度，有效地支持了產(chǎn)品的設(shè)計創(chuàng)新。在充分吸收數(shù)字化設(shè)計技術(shù)研究成果的基礎(chǔ)上，家具的CAD成為家具設(shè)計的發(fā)展方向。有關(guān)研究表明，家具企業(yè)采用CAD等數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)，可顯著縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，減少設(shè)計階段的人工成本，并有助于企業(yè)實現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的生產(chǎn)。
不過，僅僅滿足“設(shè)計手段”數(shù)字化的CAD技術(shù)，只是產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計的最初應(yīng)用形式；隨著相關(guān)研究的深入，數(shù)字化設(shè)計的內(nèi)涵不斷得到擴展。真正意義上的數(shù)字化設(shè)計，是建立在計算機輔助技術(shù)基礎(chǔ)上的一種創(chuàng)新設(shè)計，更注重“設(shè)計過程”的數(shù)字化。因此，家具數(shù)字化設(shè)計可以定義為：在現(xiàn)代設(shè)計理論、方法和數(shù)字化設(shè)計手段的支持下，基于數(shù)字化設(shè)計平臺、面向設(shè)計過程的家具創(chuàng)新設(shè)計。
2.2 我國家具數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀
我國對家具數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的研究與開發(fā)始于20世紀80年代，并取得一定成果。例如：1986年北京木材工業(yè)研究所研制的家具零部件及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)CAFD，1987年南京大學(xué)和南京木器廠共同開發(fā)的家具結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)FCAD，上海家具公司與上海交通大學(xué)開發(fā)的室內(nèi)設(shè)計和家具造型設(shè)計CAD系統(tǒng)；上海家具研究所研制開發(fā)的室內(nèi)設(shè)計和家具造型CAD系統(tǒng)；1990年東北林業(yè)大學(xué)開發(fā)的刨花板家具結(jié)構(gòu)強度有限元分析軟件SFCAD、32mm系列板式家具設(shè)計系統(tǒng)DLFDH；1992年重慶大學(xué)聯(lián)合光明家具集團開發(fā)的家具造型設(shè)計系統(tǒng)FCAD。但由于上述軟件功能有限，缺乏應(yīng)有維護與技術(shù)升級等原因，未能在行業(yè)內(nèi)得到推廣和應(yīng)用。
1994年，美國歐特克(Autodesk)軟件（中國）有限公司成立，其開發(fā)的AutoCAD系列計算機輔助設(shè)計通用平臺，憑借易學(xué)易用及豐富的二次開發(fā)接口等特點，迅速打開了我國市場，并逐步得到我國家具企業(yè)的認可。中南林業(yè)科技大學(xué)適時推出的基于AutoCAD二次開發(fā)的家具設(shè)計系統(tǒng)CADF，以及《家具》雜志刊登的《計算機輔助家具設(shè)計系統(tǒng)》系列講座，為AutoCAD系列軟件在我國家具企業(yè)的應(yīng)用，起到一定的推動作用。
在發(fā)達國家和地區(qū)，專門為木材加工、家具企業(yè)設(shè)計和開發(fā)軟件的行業(yè)已經(jīng)形成，軟件的商品化也比較成熟。90年代中后期，隨著歐、美等海外家具企業(yè)逐步加大對我國的投資，一些國外的家具設(shè)計專業(yè)軟件也逐漸被引，其中以KCD Cabinet Designer、Cabinet Pro、Cabinet Vision Solid等美國櫥柜設(shè)計軟件為代表。但是，由于價格昂貴、格式不兼容或未經(jīng)漢化、售后服務(wù)及技術(shù)支持渠道不暢等問題，這些專業(yè)軟件僅限于少數(shù)外資企業(yè)或OEM企業(yè)使用。
進入21世紀，我國家具制造和出口的規(guī)模不斷擴大，我國市場開始受到國外知名軟件公司的重視，如加拿大的20-20 Design、德國的Imos 3D、法國的TopSolid Wood、美國的Microvellum等家具設(shè)計軟件開發(fā)公司相繼進軍我國市場，通過提供家具數(shù)字化設(shè)計解決方案和技術(shù)支持，搶占我國家具制造企業(yè)中的高端用戶市場。
3 面向大規(guī)模定制的家具數(shù)字化設(shè)計體系
3.1 面向大規(guī)模定制家具設(shè)計的技術(shù)特征
面向大規(guī)模定制的生產(chǎn)模式對家具設(shè)計提出了全新的要求，使其完全有別于傳統(tǒng)大批量生產(chǎn)模式下的家具設(shè)計，并具有如下技術(shù)特征。
1)設(shè)計面向產(chǎn)品族，而不是單個產(chǎn)品。
通過分析顧客的需求，根據(jù)擬采用的定制方法提取變型參數(shù)，同時對一族產(chǎn)品進行設(shè)計，從而形成可變型的產(chǎn)品模型。以產(chǎn)品族的方式進行產(chǎn)品設(shè)計和管理，改變了孤立設(shè)計單一產(chǎn)品的傳統(tǒng)模式，不僅可簡化產(chǎn)品設(shè)計、縮短制造時間，而且可有效降低產(chǎn)品設(shè)計、制造和管理的成本。
2)設(shè)計面向模塊化，而不是終端產(chǎn)品本身。
基于模塊化設(shè)計的基本思想，結(jié)合客戶需求，對家具產(chǎn)品族進行全面分析，將具有相同或相似功能的單元部件加以分離，開發(fā)出一些具有獨立功能的家具模塊化產(chǎn)品。通過對模塊重新組合，形成完整的產(chǎn)品族，實現(xiàn)家具產(chǎn)品的多樣化和個性化。
3)設(shè)計面向家具產(chǎn)品的全生命周期，而不僅僅停留在家具產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計階段。
面向大規(guī)模定制的家具設(shè)計，不僅要縮短家具產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計周期，提高產(chǎn)品的開發(fā)質(zhì)量，而且應(yīng)考慮產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計、制造、管理、營銷、售后服務(wù)等全生命周期，即在其整個生命周期實行產(chǎn)品族管理。
3.2 面向大規(guī)模定制的家具數(shù)字化設(shè)計技術(shù)體系
由圖1所示可知，面向大規(guī)模定制的家具數(shù)字化設(shè)計基于客戶的需求，面向制造和裝配，包括家具開發(fā)、家具設(shè)計和家具工程分析等三個主要設(shè)計過程。
圖1 面向大規(guī)模定制的家具數(shù)字化設(shè)計技術(shù)體系
1)家具開發(fā)數(shù)字化
是一個明確并實現(xiàn)客戶需求的創(chuàng)造性過程主要基于產(chǎn)品族和模塊化的設(shè)計方法，并通過面向特征的參數(shù)化建模技術(shù)，建立貫穿設(shè)計全過程的家具產(chǎn)品主模型。該階段關(guān)鍵技術(shù)為計算機輔助概念設(shè)計(Computer aided concept design，CACD)，具體包含家具產(chǎn)品概念設(shè)計、參數(shù)分析等。
2)家具設(shè)計數(shù)字化
對家具產(chǎn)品主模型采用配置設(shè)計和變型設(shè)計等方法，實現(xiàn)家具定制產(chǎn)品的快速設(shè)計，并迅速提供準確的報價。關(guān)鍵技術(shù)主要是計算機輔助工業(yè)設(shè)計(Computer aided industrial design,CAID)，具體包括：貫徹工業(yè)設(shè)計的理念和方法運用數(shù)字化設(shè)計手段，實現(xiàn)家具產(chǎn)品形態(tài)、色彩、人體工程學(xué)和美學(xué)原則的定量化描述和評價。
3)家具工程分析數(shù)字化
關(guān)鍵技術(shù)主要有計算機輔助工程分析(Computer aided engineering，CAE)，即對家具整體設(shè)計和零部件進行強度等有限元分析，進行虛擬裝配和干涉檢查，以保證設(shè)計功能符合實際工程需要，并使家具產(chǎn)品重量、用料、結(jié)構(gòu)、成本達到最優(yōu)化。
CAE在提升企業(yè)研發(fā)能力、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面起著重要的作用，已經(jīng)成為聯(lián)系“設(shè)計”與“制造”的紐帶及關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具有從設(shè)計技術(shù)體系中獨立，發(fā)展成為工程分析技術(shù)體系的趨勢。
4 我國實現(xiàn)面向大規(guī)模定制的家具數(shù)字化設(shè)計亟待解決的問題
數(shù)字化設(shè)計技術(shù)在我國家具企業(yè)已有近20年的應(yīng)用，也涌現(xiàn)了一些自主研發(fā)家具數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)的企業(yè)。但是，大多數(shù)家具制造企業(yè)仍停留在單純的數(shù)字化繪圖階段，距離實現(xiàn)真正意義上的家具數(shù)字化設(shè)計還存在著很大的差距。筆者認為，我國家具制造業(yè)要實現(xiàn)面向大規(guī)模定制的家具數(shù)字化設(shè)計，亟待解決如下三方面的問題：
1)開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的家具數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)。
雖然國產(chǎn)家具數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)的二維制圖功能，與AutoCAD等通用軟件相差不大，但在三維參數(shù)化建模技術(shù)、工程數(shù)據(jù)庫等方面，與國外成熟產(chǎn)品的差距較大。尤其是尚未出現(xiàn)具有自主品牌的家具數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)，造成我國面向大規(guī)模定制的家具數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)的對外依賴性較強。
2)培養(yǎng)設(shè)計人員的全局觀。
大多數(shù)家具制造企業(yè)認識到數(shù)字化設(shè)計的重要性，但往往只關(guān)注設(shè)計手段的數(shù)字化，而忽視設(shè)計過程的數(shù)字化，或僅將數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)作為繪圖工具。特別是現(xiàn)有教育體系和產(chǎn)業(yè)環(huán)境中培養(yǎng)的家具設(shè)計人員，往往比較關(guān)注產(chǎn)品設(shè)計本身，普遍忽視客戶的需求，以及家具產(chǎn)品的加工性能、制造成本、生產(chǎn)周期等全局性問題。不合理的開發(fā)設(shè)計，往往是造成產(chǎn)品質(zhì)量問題和成本高企的主要根源。
3)攻克設(shè)計與制造一體化的瓶頸。
為謀求轉(zhuǎn)型升級，家具制造企業(yè)紛紛加大了在數(shù)字化設(shè)計軟件、數(shù)控制造設(shè)備和管理信息系統(tǒng)等方面的投資，但存在軟件與設(shè)備系統(tǒng)的接口不通、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換不暢和信息無法共享等問題，系統(tǒng)的集成應(yīng)用功能無法發(fā)揮，不僅造成系統(tǒng)功能的閑置和浪費，而且無法通過“面向可制造性的設(shè)計”和“面向可裝配性的設(shè)計”，解決家具產(chǎn)品在實際制造和裝配前的可制造性和可裝配性等問題。
5 結(jié)語
我國家具制造業(yè)已經(jīng)具備了應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的基礎(chǔ)，但要實現(xiàn)面向大規(guī)模定制的家具數(shù)字化設(shè)計，一方面尚需加強產(chǎn)品技術(shù)研究，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)和市場競爭力的產(chǎn)品，另一方面還需要重視培養(yǎng)設(shè)計人員的全局觀，通過面向可制造性和可裝配性的設(shè)計，實現(xiàn)家具產(chǎn)品設(shè)計與制造的一體化。
軟件開發(fā)企業(yè)、家具制造企業(yè)、科研院所和高校等，應(yīng)聯(lián)合實現(xiàn)產(chǎn)、學(xué)、研協(xié)作，突破面向大規(guī)模定制的家具數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的瓶頸，逐步提升我國家具制造業(yè)應(yīng)用信息技術(shù)、先進制造技術(shù)和大規(guī)模定制等生產(chǎn)模式的水平，推進我國家具制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。
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本文標題：面向大規(guī)模定制的家具數(shù)字化設(shè)計技術(shù)
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