FreeForm虚拟造型系统在家具设计复杂曲面的应用研究

摘要：研究了一种以freeform虚拟造型设计系统为中心接口，结合3D打印等技术的家具复杂曲面设计与实现的方法。首先，对FreeForm自由造型系统及设计平台的原理进行了分析。在此基础上，提出了基于FreeForm虚拟造型系统为中心接口的复杂曲面设计与实现的思想。然后，对欧式家具复杂曲面设计与实现的案例进行展示与研究。最后，通过对比传统方法，总结出此方法具有设计快速、数据转换方便、人机交互性优等六大优势。

关键词：FreeForm虚拟造型系统 产品创新平台 家具设计 复杂曲面 虚拟现实

中图分类号：TP391.72 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0120-02

所有企业都知道新产品开发对企业成功的重要性，同时竞争使企业要考虑产品创新和产品开发的方式。[1]这就告诉我们新产品开发的如果模式一尘不变，企业就有可能受到灾难性的阻碍。家具产品中装饰性复杂的浮雕花纹一直都是东西方古典家具中的经典元素，新时代家具设计中对这一元素需要重新设计，才能满足现代市场需求。传统的家具复杂花纹曲面开发方法较为原始和复杂，已难以适应市场变化。结合3D打印等技术的FreeForm虚拟造型系统可以在曲面造型自由度和实现性两方面极大提高效率，从而提供了一种易迭代、响应速度快、人机交互强的产品创新方法。

1 以FreeForm虚拟造型系统为中心的创新平台

1.1 FreeForm虚拟造型系统

FreeForm虚拟造型系统是美国麻省理工大学于上世纪末开发的一个整合虚拟现实技术、虚拟数字油泥与力反馈技术的三维技术系统，全称触觉式虚拟设计系统（Haptic Virtual Design System）。产品由美国3D system公司商业化至今，产品已涉及家具、制鞋业、珠宝业、医学、建筑工程等上百个不同领域的行业，在自由曲面造型设计与实现、虚拟力反馈手术、建筑结构力学模拟等多个尖端应用技术点展开有效应用，成为产品创新有效的新开发方式。

产品基于PC平台包括了硬件和软件两个部分，主要有Phantom硬件、Ghost软件与数字油泥Clay三个组成单元。

产品硬件提供了力反馈技术与数字油泥技术，在计算机辅助设计领域展开了新的历史篇章，使得人在使用此系统的过程中，从视觉、触觉两个维度极大的提升了沉浸感（Immersion），与造型空间，从而降低了数字化复杂曲面设计的难度，提升了新产品开发的效率。

1.2 基于FreeForm虚拟造型系统的产品创新平台

虽然FreeForm虚拟造型系统具有优越的建模性能，但在实际新产品开发过程中，还需要数据导入、产品参数化、设计迭代等多项工作的共同作用，才能对创新概念有效的孵化。图2所示的产品创新设计平台是以FreeForm虚拟造型系统为中心，整合逆向扫描技术、3D打印技术的系统化平台，为复杂曲面的设计与实现提供了全流程的技术支撑。力反馈技术及虚拟油泥的应用实现了平台的高度沉浸感（Immersion）、交互感（Interaction）和想象空间（Imagination）[2]，从概念导入、模型建立与修改、3D打印与NC数据接口全对接，及高度自由的曲面造空间。

1.3 产品创新平台的虚拟现实原理

对于虚拟现实，通过多维方式与计算机所创造的虚拟环境进行交互，能使参与者全身心地沉浸在计算机所生成的三维虚拟环境中，产生身临其境的感觉，将人与环境融为一体，使操作人员相信在虚拟境界中人也是确实存在的，而且在操作过程中他可以自始至终地发挥作用，就像在真正的客观现实世界中一样。在虚拟环境中引入听觉系统可以补充视觉信息，以增强对环境的感知。在现实世界中，人们可以操作各种物体，并能感觉到物体的运动阻力、表面纹理、质量、柔性等特征，在虚拟环境中如要体验到这些特性必须引入触觉和力感反馈系统。

图3给出了产品创新平台的虚拟现实原理，详细说明了平台是如何通过力反馈技术和虚拟油泥技术使各要素之间发生关系的。

1.4 力反馈技术在创新平台中的应用

力反馈的直接方法是利用提供动力的电动机和对人体或人体部位进行力反馈的“外骨系统”。所谓外骨系统，实际上就是固定在人体上所需部位的反馈力的系统，如臂部、手部等。一般情况下，系统让你自由行动，一旦接触到虚拟的物体，系统会在适当的部位产生出对应的反作用力，限制该部位的运动，从而产生出力的感觉。不同反馈将会产生出不同的作用而获得的。

在平台中，FreeForm硬件终端――一个具有六个自由度方向空间触感笔（如图1所示）在人建模的过程中，实时提供给人们真实力学感受，让其感受到虚拟空间中模型，在复杂曲面设计的过程中，虚拟油泥的粗糙度，“拖拽”曲面细节的阻力甚至模型内壁的空间状态都可以通过这个装置让人的手真实“触摸”。

2 应用开发案例

本案例选取了复杂曲面最为代表性的产品，欧式家具装饰部件雕花的项目载体。传统的家具雕花制作过程是需要工匠凭借经验雕刻好样件，然后将样件扫描或进行CAD处理，最后送入雕刻机，批量制作生产。在创意阶段，如果工匠出现了错误，只能重新雕刻，在CAD处理的过程中如果出现制造方面的错误，对数字曲面的处理一般软件也很难处理，而大多工匠对数字化生产几乎不懂。造成了从样件到批量化生产的技术瓶颈，本案利用上述的产品创新平台可以直接从开始就将创意导入到数字化生产标准下。

2.1 家具雕花曲面初始形态的建立

在软件中在Planes（ 面编辑）下选取create plane（建立工作面），建立好工作平面，将草图导入到平面中，使用平面Draw curves（绘制曲线）工具描绘好图形的半边轮廓，并利用Sketch（草图）下Mirror（镜像工具）镜像好一个完整的产品轮廓。利用construct clay（建立油泥） 下的wire cut clay（拉伸成型），将距离调整为50MM，建立好初始形态的数字油泥，将数字油泥的精度、调整到1.5，方便初始细节的制作。然后选取 sculpt clay下的smooth clay，将建立的初始形B油泥平滑，如图中4所示。至此初始形态制作完毕。

2.2 家具雕花曲面草模到细节的深入

利用草图的参照性，绘制要陷入或拱起的造型曲线轮廓在工作平面上，然后利用投影平面曲线至初始形态的虚拟油泥上，利用Deform clay（变形油泥）下 Tug area（变形局部区域），操控硬件数字笔，利用力反馈和图像反馈，细致的造型细节复杂曲面。这一过程需要对艺术的把握能力，对雕花间隙和附件的制作还需用到Construct clay（建立油泥）下的Wire cut clay（拉伸成型）Inflate clay（膨胀成型）mirror clay（镜像油泥），Detail clay（细节深入） 下的Ridge（山脊），emboss with image（根据图像凸起）等工具。细节深入的过程需要不断平滑和深入细节，由于过程较复杂，图片不一一详解。最终完整图5的形态样式。

2.3 复杂曲面模型的可制造性检验

FreeForm系统提供了强大的CAM模块Mold（模具）及Analysis tools（检测工具），本案如果需要塑料件，可以使用拔模分析工具，利用彩虹区域来判断形态是否正确。此外Auto surface工具可以将完整好的数字油泥模型自动铺上可供其他CAD/CAM软件的IGES/STEP面。最后选取自动铺设的面图层，导出需要的格式，可以供RP＼CAD＼CAM下游软件和设备使用。（如图6）

3 优势分析

3.1 加快产品设计开发速度

整合FreeForm自由造型系统的产品创新平台，对家具设计中复杂曲面的设计与实现提供了可制造性的数据基础，使得产品创意设计与开发的速度有效提升，提升了新产品登录市场的速度，加强企业的竞争力。

3.2 提升用户人机交互性能

FreeForm雕刻模型的内外表面， 通过利用可触觉的、非程序化的、真实的工具进行学习并迅速而直观，通过视觉和触觉较大程度上提升了用户感受虚拟物体的真实性。

3.3 数据接口的兼容性优

从正向的产品创意产生，产品模型建立到快速原型的加工制作，到逆向的三维扫描，数据修复与更改到生产加工，基于FreeForm的产品创新平台实现了从自由曲面设计到实现的全数据兼容接口，使得创意设计与生产实现的鸿沟消失。

3.4 易迭代、响应速度快

整个产品创新平台实现了数据的无缝联结，因此在从创意、设计到实现的任何一个环节过程都是可逆的，因此在产品创新的过程中无论是方案的修改迭代，还是任何一个环节的错误，都可随时修改。具有易迭代、响应快的优点。

3.5 以制造为中心的复杂曲面设计

基于FreeForm的产品创新平台实现了数字油泥（CLAY）的实体建模化与铺面功能，其拔模分析模块可以直观的显示出曲面设计不合理之处，有效的规避了因曲面设计不合理导致的后期加工困难。

3.6 设计开发过程的绿色化

传统的家具雕花及装饰设计需要耗费一定的木料及其他模型材料，致使用户工作环境不利于健康，同时产生较多的废料。本文提出的这一方法有效的减少了产品设计开发过程的废料产生，同时提升了用户的工作环境。

4 结语

（1）基于FreeForm虚拟造型系统的家具复杂曲面设计在中的流程：①改良设计：扫描数据格式转化（CLAY）曲面修复与更改模型铺面（IGES）3D打印（或CAM）②创意设计：曲面创意设计（CLAY）模型铺面（IGES）3D打印（或CAM）。

（2）基于FreeForm虚拟造型系统的家具复杂曲面设计的方法具有加快产品设计与开发速度，提升人机交互性能、数据兼容性优等六大优势。

参考文献

[1]阿兰.韦伯（AlanWebb）著，袁红林译.成功产品创新项目管理[M].上海：上海财经大学出版社，2004：3-4.

[2]陈龙.基于FreeForm系统的玩偶设计开发[J].陕西：陕西科技大学学报（自然科学版），2010.

[3]刘贤梅.虚拟现实技术及其应用[M].黑龙江：哈尔滨地图出版社，2004：3.

[4]殷炜.欧式家具雕刻装饰图案的研究及应用[D].南京：南京林业大学，2014：18.

[5]陶燎亮.虚拟油泥技术Freeform在文物快速复原中的应用研究[J].天津：数字技术与应用，2016.

[6]周志雄.复杂曲面加工技术的研究现状与发展趋势[J].北京：机械工程学报，2010.

收稿日期：2016-08-16

基金项目：院级课题（07031417）“面向产品造型专业快速设计与制造创新平台关键技术研究”。

作者简介：陈龙（1984―），男，陕西汉中人，硕士研究生，讲师，主要研究方向：数字建模技g应用、产品创新平台、产品设计管理。