基于參數(shù)化理念的熱泵熱水器設(shè)計(jì)研究

黃再超　王勇

摘 要：當(dāng)熱泵熱水器面臨改進(jìn)和變更時(shí)，傳統(tǒng)通過(guò)編輯草圖和特征來(lái)進(jìn)行修改的方式無(wú)疑會(huì)產(chǎn)生大量的重復(fù)勞動(dòng)，且不同設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)習(xí)慣往往影響到其他設(shè)計(jì)師對(duì)零件的修改，影響企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的推進(jìn)。

關(guān)鍵詞：變更；重復(fù)；標(biāo)準(zhǔn)化

1 參數(shù)化思想的引用和借鑒

1.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)的定義和要求

參數(shù)化設(shè)計(jì)方法就是將模型中的定量信息變量化，使之成為任意調(diào)整的參數(shù)。對(duì)于變量化參數(shù)賦予不同數(shù)值，就可得到不同大小和形狀的零件模型。

在參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員根據(jù)工程關(guān)系和幾何關(guān)系來(lái)指定設(shè)計(jì)要求。要滿足這些設(shè)計(jì)要求，不僅需要考慮尺寸或工程參數(shù)的初值，而且要在每次改變這些設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)來(lái)維護(hù)這些基本關(guān)系，即將參數(shù)分為兩類(lèi)：其一為各種尺寸值，稱(chēng)為可變參數(shù)；其二為幾何元素間的各種連續(xù)幾何信息，稱(chēng)為不變參數(shù)。參數(shù)化設(shè)計(jì)的本質(zhì)是在可變參數(shù)的作用下，系統(tǒng)能夠自動(dòng)維護(hù)所有的不變參數(shù)。因此，參數(shù)化模型中建立的各種約束關(guān)系，正是體現(xiàn)了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)意圖。

1.2 熱泵熱水器的參數(shù)化設(shè)計(jì)

從熱泵熱水器的設(shè)計(jì)流程和產(chǎn)品衍化的方向來(lái)看，將參數(shù)化的設(shè)計(jì)思想帶入到產(chǎn)品零件的設(shè)計(jì)中一方面適合于公司對(duì)產(chǎn)品不斷改進(jìn)，不斷優(yōu)化的設(shè)計(jì)追求，另一方面也滿足了同種零部件不同尺寸規(guī)格的多樣化驅(qū)動(dòng)。從結(jié)果上來(lái)說(shuō)，就是提高了研發(fā)效率，縮短了研發(fā)周期?！耙砸坏蕉唷钡膮?shù)化設(shè)計(jì)途徑可以更好地滿足現(xiàn)在的熱泵熱水器企業(yè)在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中的需求。通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)模型的數(shù)字化研究，將模型的部分變量參數(shù)化，建立參數(shù)化的產(chǎn)品模型。通過(guò)參數(shù)的修改和重新設(shè)置，得到新的參數(shù)化模型的設(shè)計(jì)思路也更適合于中國(guó)的熱泵熱水器企業(yè)。

從建模方法和設(shè)計(jì)規(guī)范上來(lái)說(shuō)，參數(shù)化的設(shè)計(jì)過(guò)程要求有著更加標(biāo)準(zhǔn)的建模方式和更加規(guī)范的約束方法。這雖然在一定層面上制約了設(shè)計(jì)師在零部件設(shè)計(jì)中的自由度，但也規(guī)范了企業(yè)整體的設(shè)計(jì)要求，一定程度上避免了由于不同設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)習(xí)慣的不同而在零部件修改中發(fā)生的約束更替，定義重置以及改動(dòng)報(bào)錯(cuò)等。這對(duì)于企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的推進(jìn)也有著一定的理論和應(yīng)用價(jià)值。

2 參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法和建模思路

2.1參數(shù)化建模

2.1.1 參數(shù)化零部件建模

零部件建模過(guò)程中主要的參數(shù)變量為草圖參數(shù)和特征參數(shù)。草圖參數(shù)為各零件在草圖繪制中所定義的尺寸參數(shù)；特征參數(shù)為零部件草圖的各種特征變化中所賦予的尺寸參數(shù)。任何部分參數(shù)的變動(dòng)都會(huì)對(duì)零部件的尺寸特征產(chǎn)生影響。

2.1.2 參數(shù)化裝配體建模

從廣義上來(lái)說(shuō)，參數(shù)化裝配體建模包含了參數(shù)化裝配以及參數(shù)化自上而下的設(shè)計(jì)。參數(shù)化裝配是簡(jiǎn)單地對(duì)現(xiàn)有的零部件或裝配體進(jìn)行裝配尺寸變量的參數(shù)化，從而通過(guò)參數(shù)化的驅(qū)動(dòng)來(lái)改變裝配體的安裝尺寸。

2.2 參數(shù)化驅(qū)動(dòng)

從一定層面上來(lái)說(shuō)，參數(shù)化驅(qū)動(dòng)正是參數(shù)化建模的最終目的和構(gòu)建目標(biāo)。一個(gè)參數(shù)化建立的產(chǎn)品模型也必須通過(guò)參數(shù)化的驅(qū)動(dòng)來(lái)保證模型自身的通用性以及驗(yàn)證模型設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化程度。

2.2.1 函數(shù)和約束關(guān)系驅(qū)動(dòng)

作為最為簡(jiǎn)單和智能的約束和驅(qū)動(dòng)方式，函數(shù)和約束關(guān)系的配合驅(qū)動(dòng)方式可以在產(chǎn)品模型構(gòu)建的初始階段就對(duì)產(chǎn)品的參數(shù)尺寸起到一個(gè)很好的定量和定性的驅(qū)動(dòng)方式。這貫穿于整個(gè)模型構(gòu)建和驅(qū)動(dòng)階段，通過(guò)函數(shù)和約束關(guān)系的插入從一定角度上也簡(jiǎn)化了參數(shù)化數(shù)據(jù)，通過(guò)各數(shù)據(jù)的連帶關(guān)系得到更加簡(jiǎn)潔智能化的驅(qū)動(dòng)形式，提高效率。因此可以說(shuō)，這也是參數(shù)化建模和驅(qū)動(dòng)的必要組成部分之一。

2.2.2到Excel表格驅(qū)動(dòng)

最為簡(jiǎn)潔實(shí)用的驅(qū)動(dòng)方式，其基本方法就是通過(guò)excel來(lái)統(tǒng)計(jì)和歸納各尺寸及相關(guān)配合尺寸的參數(shù)數(shù)據(jù)，通過(guò)Solidworks軟件自帶的設(shè)計(jì)表功能完成由外接程序至模型的驅(qū)動(dòng)。以表格的方式將產(chǎn)品的各參數(shù)進(jìn)行規(guī)范，并成為參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的媒介和重要組成部分。因此，可以說(shuō)，設(shè)計(jì)表的驅(qū)動(dòng)方式一方面大大簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)形式，提高了驅(qū)動(dòng)效率，另一方面也以最為直觀的方式來(lái)影響著參數(shù)化數(shù)據(jù)的輸入和輸出。這對(duì)于整個(gè)產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程的意義是十分明確的，受益者不僅僅是設(shè)計(jì)部門(mén)，也是管理和規(guī)范部門(mén)。

2.2.3 API驅(qū)動(dòng)

這里的API驅(qū)動(dòng)指的就是主要通過(guò)API接口進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，利用相應(yīng)的VB或其他程序進(jìn)行后臺(tái)驅(qū)動(dòng)。API驅(qū)動(dòng)需要編寫(xiě)相應(yīng)的代碼程序，對(duì)于產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)階段而言可能會(huì)占用額外的時(shí)間，同時(shí)零部件特征和拓?fù)潢P(guān)系的變化也會(huì)影響到代碼的修改，且后期的維護(hù)也需要投入一定的精力。從產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)角度來(lái)說(shuō)確實(shí)增加了一定的成本。但從后期驅(qū)動(dòng)和使用過(guò)程來(lái)說(shuō)確實(shí)最為簡(jiǎn)單和直觀的，對(duì)應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)和特征變量通過(guò)操控程序面板可以進(jìn)行完整而直接的表現(xiàn)，在各參數(shù)輸入和驅(qū)動(dòng)的角度而言是速度最快，目的性最強(qiáng)的方法。

3 復(fù)雜裝配體裝配體的設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)

3.1 復(fù)雜裝配零件所面臨的設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)問(wèn)題

熱泵熱水器的設(shè)計(jì)過(guò)程相對(duì)于普通熱水器產(chǎn)品而言更加復(fù)雜和多樣，同時(shí)往往也包含著多個(gè)子裝配體和子零件。通常來(lái)說(shuō)，熱泵熱水器的層積包含水箱模塊和熱泵模塊兩個(gè)子模塊以及其他例如外殼的維修蓋，導(dǎo)風(fēng)罩等子零件，他們作為一級(jí)裝配體或一級(jí)零件。在水箱和熱泵模塊下包含多個(gè)子模塊或子零件，包括風(fēng)機(jī)導(dǎo)風(fēng)罩組件、蒸發(fā)器組件、四通閥組件等。通常一款熱泵熱水器的BOM等級(jí)可以展開(kāi)到7至8級(jí)甚至更多，這也很好地解釋了在單純采用API接口進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的前提下所帶來(lái)的工作難度。設(shè)計(jì)師不僅必須對(duì)于參數(shù)設(shè)計(jì)的順序，層級(jí)關(guān)系的設(shè)置，零件特征有著很好的把握，更需要有著扎實(shí)的語(yǔ)言功底。況且這些都是在滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和外殼鈑金，塑料件的設(shè)計(jì)和成型要求的前提下的，實(shí)際的實(shí)現(xiàn)難度會(huì)更上一個(gè)臺(tái)階。

3.2 多方式進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)

對(duì)熱泵熱水器來(lái)說(shuō)，采用單一設(shè)計(jì)建模方式很難保證各零部件特征參數(shù)的可驅(qū)動(dòng)性以及裝配體裝配參數(shù)的可控性。各種參數(shù)化的方法也有著自身的優(yōu)勢(shì)和局限性。針對(duì)熱泵熱水器的復(fù)雜裝配體進(jìn)行參數(shù)化零件庫(kù)設(shè)計(jì)的過(guò)程中必須兼顧各零件以及裝配關(guān)系的參數(shù)配置。單一使用一種參數(shù)驅(qū)動(dòng)法容易造成局限，鉆進(jìn)死胡同。而不同的參數(shù)驅(qū)動(dòng)法的運(yùn)用及取舍在模型構(gòu)建初期就必須有十分清晰的邏輯思考，并且任何方法的整理和歸類(lèi)例如參數(shù)表，二次開(kāi)發(fā)程序面板，關(guān)系式方程，約束及定義等都要有著明確的分工，以保證在參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的過(guò)程中能夠保證連續(xù)性和智能化，從而減少工作量，保證整個(gè)模型零件庫(kù)的實(shí)適用性和可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于參數(shù)化設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，熱泵熱水器都是一個(gè)比較特殊的設(shè)計(jì)對(duì)象，因此在整機(jī)參數(shù)化的過(guò)程中難免遇到各種問(wèn)題：約束過(guò)定義，驅(qū)動(dòng)沖突或者重置報(bào)錯(cuò)等。但由于針對(duì)熱泵熱水器參數(shù)化相關(guān)的參考思路和文章很少，因此更多地需要我們自己在設(shè)計(jì)的過(guò)程中去思考和挖掘。文章也是以一個(gè)優(yōu)化研發(fā)流程，推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的視角來(lái)對(duì)其進(jìn)行剖視和解讀，希望可以通過(guò)設(shè)計(jì)流程的優(yōu)化來(lái)縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)

[1]趙福臣.基于Solidworks的參數(shù)化特征建模技術(shù)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2004.

[2]吳文根，王天虎，王三武，等.基于Solid Works的部件參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的研究[J].現(xiàn)代機(jī)械，2007，1.

[3]管建峰，吳永祥，蔣曉梅.空氣源熱泵熱水器的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析[J].電子制作，2014，19.

[4]岳亞蛟.空氣源熱泵熱水器的換熱優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].華南理工大學(xué)，2010.

[5]蘇生，壽青云，李小飛，等.空氣源熱泵熱水器的優(yōu)化設(shè)計(jì)選擇[J].流體機(jī)械，2006，10.

作者簡(jiǎn)介：黃再超（1992-），男，江蘇省南京市人，工作單位：南京林業(yè)大學(xué)，職務(wù)：學(xué)生，研究方向：產(chǎn)品設(shè)計(jì)。