參數(shù)化和模塊化設(shè)計在空調(diào)產(chǎn)品中的應(yīng)用

劉文華　張晶

一、問題的提出

隨著市場競爭越來越白熱化，如何全方位地滿足客戶需求受到越來越多賣方的關(guān)注。他們比過去更關(guān)注客戶的真實需求，千方百計地去滿足這些需求，以期占領(lǐng)更多的市場。在空調(diào)制造行業(yè)，特別是商用機領(lǐng)域，降低成本、縮短交貨周期是客戶非常關(guān)注的需求。而在空調(diào)箱領(lǐng)域的市場，由于門檻低，技術(shù)優(yōu)勢不明顯，越來越多的中小企業(yè)加入到這一產(chǎn)品的競爭中。標準的空調(diào)產(chǎn)品主要實現(xiàn)的是通風、溫度控制和濕度控制這三大功能。隨著大氣環(huán)境污染的日益嚴重，如何提供清潔的優(yōu)質(zhì)空氣變得越來越重要了。所以標準的產(chǎn)品已經(jīng)無法滿足客戶的全部需求，客戶時常會提出特殊需求，或者是增加一些標準產(chǎn)品不提供的功能。根據(jù)過去幾年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，空調(diào)箱市場的特殊需求大約在 40%以上，這對于一家空調(diào)制造企業(yè)來說是非常大的挑戰(zhàn)。因而如何設(shè)計出特殊的功能并在要求的周期提交產(chǎn)品，對制造企業(yè)來說是一個急需解決的問題。

空調(diào)箱產(chǎn)品在實際銷售過程中經(jīng)常會遇到客戶要求改變面板的保溫層厚度的情況，根據(jù)客戶現(xiàn)場的有限空間調(diào)整空調(diào)箱箱體的高寬比，減少占地面積。但是空調(diào)箱內(nèi)的所有部件都是根據(jù)箱體預(yù)先設(shè)計的高寬比來設(shè)計的，所以一旦高寬比發(fā)生變化，空調(diào)箱內(nèi)的自制零部件基本上全部要進行重新設(shè)計。僅依靠工程師臨時進行特殊設(shè)計，將耗費較多的人力物力，同時也延長了交貨期。因此提供一種能夠快速進行設(shè)計變更的方法顯得尤為重要。本文介紹了一種模塊化、參數(shù)化設(shè)計和計算機輔助制造相結(jié)合的方法，以期滿足這一市場需求。

二、解決方案

理想的解決方案包括了加工和設(shè)計兩個方面：當銷售接下一個特殊的訂單時，工廠的技術(shù)人員只要根據(jù)客戶的要求計算出所需機組的長、寬和高尺寸，然后將這些外形尺寸輸入到系統(tǒng)中，所有相關(guān)的參數(shù)化子零件加工文件就自動產(chǎn)生；同時還可以利用標準模塊像搭積木一樣迅速地創(chuàng)建產(chǎn)品的整機模型。通過模塊化和參數(shù)化縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期，另一方面有了這些參數(shù)化設(shè)計生成圖樣，工廠就可以立即進行生產(chǎn)，從而最大化地縮短設(shè)計周期。這樣的一套解決方案不僅需要參數(shù)化的設(shè)計，同時也需要一套高度自動化的生產(chǎn)加工設(shè)備。自動化鈑金加工設(shè)備可以實現(xiàn)預(yù)編程的自動鈑金下料、沖孔以及折彎。所有參數(shù)化設(shè)計的零件都已經(jīng)預(yù)置了編好的加工程序，一個特殊訂單產(chǎn)生時，該設(shè)備會自動讀取相應(yīng)的文件進行加工，從而大大提高生產(chǎn)效率。圖 1展示了參數(shù)化設(shè)計的思路。

1.參數(shù)化設(shè)計

參數(shù)化設(shè)計就是把零件尺寸定義成變量，用 x、y、z等來代替，當然這些變量和機組的長寬高是有一定線性關(guān)系的。

根據(jù)標準的空調(diào)箱產(chǎn)品，用 Pro/ENGINEER軟件設(shè)計一系列的模板零件，每個模板零件的外形尺寸都是可變的（例如：APIX，APIY），模板零件上的安裝孔的陣列也可參數(shù)化，使之隨著外形尺寸的大小而變化個數(shù)和間距。甚至還能通過參數(shù)化控制零件的外形，不同的輸入可以展現(xiàn)不一樣的設(shè)計，例如：APIPROFILEL，APIPROFILER可控制左右法蘭邊形式，如圖 2所示。

對于模板零件的圖樣也有別于傳統(tǒng)的圖樣，是參數(shù)化的圖樣。每一個變量都不會標注具體數(shù)值，而是顯示 Pro/ENGINEER里定義的參數(shù)（圖 3），并在參數(shù)表中給出每個參數(shù)的公式，即與輸入的外形尺寸的關(guān)系（圖 4）。同樣外形尺寸的最大值和最小值也會列在圖樣的表格中，最大最小值是根據(jù)原材料極限或者加工機器的限制來定義的（圖 5）。

同時，通過 Excel軟件來編寫邏輯規(guī)則和參數(shù)設(shè)置，即編寫在各種不同情況下，各個參數(shù)需要被賦予的數(shù)值，或者需要顯示或隱藏的特征，并設(shè)置限制條件（例如加工設(shè)備極限，原材料最大尺寸等）。定義所有的模板零件參數(shù)和客戶輸入之間的關(guān)系式，最后輸出 xml文件，即規(guī)則文件（圖6）。對于不同功能，都各自有一個規(guī)則文件。例如：控制特征顯示或隱藏的規(guī)則文件，控制零件裝配關(guān)系的規(guī)則文件，控制中間參數(shù)的規(guī)則文件等。一個產(chǎn)品的所有規(guī)則文件可放在同一個數(shù)據(jù)庫中（例如 Microsoft Visual SourceSafe），對其進行權(quán)限和版本控制。

最后參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)讀取模板零件和規(guī)則文件，根據(jù)訂單需求自動運行并生成生產(chǎn)加工所需要的所有文件及料表。

為了方便零件在 Pro/ENGINEER中定位組裝并確定各零件之間的關(guān)系，會優(yōu)先生成一些虛擬框架組合在一起，用來定義空調(diào)箱的總體外形尺寸以及各個功能段的位置大小。這些虛擬零件只是過程零件，不需要圖樣，更不會輸出到工廠生產(chǎn)。

2.模塊化設(shè)計

在空調(diào)箱的設(shè)計中并不是所有的零部件都可以簡單地利用參數(shù)化設(shè)計方法，很多時候一些關(guān)鍵的零部件，特別是外購件可能與產(chǎn)品的外形尺寸沒有直接的關(guān)系。因而如何快速地設(shè)計出需要的產(chǎn)品，模塊化設(shè)計方法應(yīng)運而生了。

模塊化設(shè)計是指在對一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同規(guī)格的產(chǎn)品進行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同的產(chǎn)品，以滿足市場的不同需求的設(shè)計方法。

（1）模塊化設(shè)計的主要原則。

a.盡可能少的原則：在實際定義模塊的過程中力求以盡可能少的模塊組成盡可能多的產(chǎn)品，同時盡量使各模塊結(jié)構(gòu)簡單，模塊間的接口盡可能簡單、清晰。

b.模塊系列化原則：主要用來滿足產(chǎn)品的系列化要求，在系列化時最好結(jié)合參數(shù)化的設(shè)計方法。

（2）模塊化設(shè)計的主要特點。

a.相對獨立性：各模塊之間相對獨立，通過接口進行信息的傳遞，從而使協(xié)同工作模式 （并行模式 ）成為可能。這也是很多的國際化公司在全球進行并行工作的主要方式。

b.互換性：模塊接口部位的結(jié)構(gòu)、尺寸和參數(shù)標準化，從而很容易實現(xiàn)模塊間的互換，以期滿足更大數(shù)量的不同產(chǎn)品的需要。

（3）模塊的定義。

通常模塊的定義是根據(jù)產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計需求、市場、加工制造、采購、質(zhì)量和售后服務(wù)的需要來進行分類定義的。表 1給出了模塊定義的過程中主要驅(qū)動力。endprint

圖7 展示了把一臺空調(diào)產(chǎn)品分成天花板模塊、墻板模塊、地板模塊和內(nèi)部立柱支撐模塊等。

（4）接口類型的定義。

所謂接口（interface） 就是用于定義模塊之間的相互關(guān)系以及信息傳遞的方法。接口的定義非常重要，如何保證模塊之間的信息正確、及時地相互傳遞，需要定義正確有效的模塊接口。接口有多種類型。

a. 物理連接接口（Attach）：模塊之間存在物理接觸或者連接。

b. 體積或區(qū)域內(nèi)有接口（Spatial）：模塊之間存在空間或者面上的參考關(guān)系。

c. 質(zhì)量或能量傳遞接口（Transfer）：模塊之間存在質(zhì)量或能量的傳遞。

d. 傳遞操控信號接口（Control）：模塊之間存在控制關(guān)系。

e. 現(xiàn)場或者環(huán)境接口（Field/Environmental）：現(xiàn)場或環(huán)境通過接口影響模塊。

兩個模塊之間可能同時存在多個接口。用戶在定義模塊的時候還需要同時定義模塊與模塊之間的接口關(guān)系，一旦接口關(guān)系定義清楚，在后續(xù)的設(shè)計中這些接口是不能輕易改變的。圖8 的矩陣清晰的羅列了一個產(chǎn)品的模塊關(guān)系。

3.參數(shù)化與模塊化設(shè)計實例

對于整個空調(diào)箱產(chǎn)品，首先按照功能不同，分成多個功能段：水盤管段、蒸汽盤管段、過濾段和混風段，如圖 9所示。每個功能段會拆分成多個零件，對于每個段中的相似的零件也可能因為功能的不同定義成不同模塊：水盤模塊、天花板模塊、墻板模塊、地板模塊和風口連接模塊。在定義好模塊以后，我們還要根據(jù)上面所提到的規(guī)則定義模塊與模塊之間的接口。因為每一個模塊都需要涵蓋整個產(chǎn)品系列，所以運用參數(shù)化設(shè)計是解決系列化設(shè)計最有效的手段，通過參數(shù)化設(shè)計把該模塊涵蓋的所有不同的零部件快速、全面地表達出來，從而減少建模和出圖樣的時間。模塊化設(shè)計的方法讓團隊成員多人協(xié)同合作變成了現(xiàn)實，而參數(shù)化設(shè)計則減少了重復(fù)建模和出圖樣的工作，從而真正減少工作量，縮短設(shè)計周期。圖 10展示了應(yīng)用參數(shù)化和模塊化設(shè)計的方法，從一個設(shè)計概念到最終產(chǎn)品的過程。

三、優(yōu)勢分析

1.效率的提高

空調(diào)箱多由鈑金件組成，各個鈑金件的差別大多在于外形尺寸，參數(shù)化設(shè)計能夠減少重復(fù)建模和出圖樣，降低設(shè)計者的枯燥感，用設(shè)計軟件代替人工，設(shè)計者只需要提供設(shè)計意圖并編寫規(guī)則和模板零件，結(jié)合設(shè)計軟件和生產(chǎn)設(shè)備，能夠縮短設(shè)計時間，從而加速產(chǎn)品設(shè)計及交付。

表 2是對于現(xiàn)有一個標準空調(diào)箱產(chǎn)品，是否用模塊化、參數(shù)化設(shè)計的零件和圖樣量的比較。由此可見，參數(shù)化設(shè)計可以大幅減少工作量，若在非標產(chǎn)品上，其優(yōu)勢會更顯著。

圖 11是對于建造一個新的備選方案，是否用模塊化、參數(shù)化設(shè)計的工作時間的比較。由此可見，對于一個新的方案，使用模塊化與參數(shù)化結(jié)合的方法設(shè)計只需要半天時間就能完成傳統(tǒng)方法設(shè)計一周的工作量，工作效率提高了近 90%。

2.多種備選方案

使用模塊化、參數(shù)化設(shè)計不僅能夠幫助小組產(chǎn)品開發(fā)人員提高工作效率，減少重復(fù)性的工作；同時它還能幫助研發(fā)人員在現(xiàn)有的基本設(shè)計上快速改變設(shè)計，生成多個空調(diào)箱產(chǎn)品方案，從而選擇最優(yōu)方案以滿足客戶的需求。變更設(shè)計的靈活性不僅能應(yīng)用在產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計階段，在非標準訂單的生產(chǎn)過程中發(fā)揮著更重要的作用，本文篇幅有限在此不再贅述。

3.方便設(shè)計維護

使用模塊化、參數(shù)化設(shè)計方法能夠分散設(shè)計，實現(xiàn)針對同一產(chǎn)品的多人或多部門同時工作，并且能保證一項變更發(fā)生時，所有涉及的零件都能通過接口得到相應(yīng)更新，保證參數(shù)的傳遞，有效防止漏改零件、錯改零件，從而大大降低了返工的風險，為后期設(shè)計維護帶來了方便。

四、結(jié)語

本文主要闡述了模塊化、參數(shù)化設(shè)計在空調(diào)產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計中的應(yīng)用，通過設(shè)計軟件、模塊化方法、參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)和加工設(shè)備的集成，實施快速設(shè)計并變更設(shè)計，以滿足日趨復(fù)雜的市場需求。endprint