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

1、參數(shù)化和模塊化設(shè)計(jì)在空調(diào)產(chǎn)品中的應(yīng)用一、問題的提出隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(shí)需求，千方百計(jì)地去滿足這些需求，以期占領(lǐng)更多的市場(chǎng)。在空調(diào)制造行業(yè)，特別是商用機(jī)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(chǎng)，由于門檻低，技術(shù)優(yōu)勢(shì)不明顯，越來越多的中小企業(yè)加入到這一產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)中。標(biāo)準(zhǔn)的空調(diào)產(chǎn)品主要實(shí)現(xiàn)的是通風(fēng)、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(yán)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(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品已經(jīng)無法滿足客戶的全部需求，客戶時(shí)常會(huì)提出特殊需求，或者是增加一些標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品不提供的功

2、能。根據(jù)過去幾年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，空調(diào)箱市場(chǎng)的特殊需求大約在40%以上，這對(duì)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(jì)出特殊的功能并在要求的周期提交產(chǎn)品，對(duì)制造企業(yè)來說是一個(gè)急需解決的問題?？照{(diào)箱產(chǎn)品在實(shí)際銷售過程中經(jīng)常會(huì)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(chǎng)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(jì)的高寬比來設(shè)計(jì)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(jìn)行重新設(shè)計(jì)。僅依靠工程師臨時(shí)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，將耗費(fèi)較多的人力物力，同時(shí)也延長(zhǎng)了交貨期。因此提供一種能夠快速進(jìn)行設(shè)計(jì)變更的方法顯得尤為重要。本文介紹了一種模塊化、

3、參數(shù)化設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造相結(jié)合的方法，以期滿足這一市場(chǎng)需求。二、解決方案理想的解決方案包括了加工和設(shè)計(jì)兩個(gè)方面：當(dāng)銷售接下一個(gè)特殊的訂單時(shí)，工廠的技術(shù)人員只要根據(jù)客戶的要求計(jì)算出所需機(jī)組的長(zhǎng)、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(dòng)產(chǎn)生；同時(shí)還可以利用標(biāo)準(zhǔn)模塊像搭積木一樣迅速地創(chuàng)建產(chǎn)品的整機(jī)模型。通過模塊化和參數(shù)化縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，另一方面有了這些參數(shù)化設(shè)計(jì)生成圖樣，工廠就可以立即進(jìn)行生產(chǎn)，從而最大化地縮短設(shè)計(jì)周期。這樣的一套解決方案不僅需要參數(shù)化的設(shè)計(jì)，同時(shí)也需要一套高度自動(dòng)化的生產(chǎn)加工設(shè)備。自動(dòng)化鈑金加工設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)預(yù)編程的自動(dòng)鈑金下料、沖孔以及

4、折彎。所有參數(shù)化設(shè)計(jì)的零件都已經(jīng)預(yù)置了編好的加工程序，一個(gè)特殊訂單產(chǎn)生時(shí)，該設(shè)備會(huì)自動(dòng)讀取相應(yīng)的文件進(jìn)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(jì)的思路。1. 參數(shù)化設(shè)計(jì)參數(shù)化設(shè)計(jì)就是把零件尺寸定義成變量，用x、y、z等來代替，當(dāng)然這些變量和機(jī)組的長(zhǎng)寬高是有一定線性關(guān)系的。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的空調(diào)箱產(chǎn)品，用Pro/ENGINEER軟件設(shè)計(jì)一系列的模板零件，每個(gè)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(gè)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(jì),例如：APIPROFILEL,APIPRO

5、FILER可控制左右法蘭邊形式,如圖2所示。對(duì)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(gè)變量都不會(huì)標(biāo)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(gè)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(huì)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(jī)器的限制來定義的（圖5）。同時(shí),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(gè)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

6、文件，即規(guī)則文件(圖6)。對(duì)于不同功能，都各自有一個(gè)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(gè)產(chǎn)品的所有規(guī)則文件可放在同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中(例如MicrosoftVisualSourceSafe),對(duì)其進(jìn)行權(quán)限和版本控制。最后參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)讀取模板零件和規(guī)則文件，根據(jù)訂單需求自動(dòng)運(yùn)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(huì)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(gè)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(huì)輸出到工廠生產(chǎn)。2

7、. 模塊化設(shè)計(jì)在空調(diào)箱的設(shè)計(jì)中并不是所有的零部件都可以簡(jiǎn)單地利用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，很多時(shí)候一些關(guān)鍵的零部件，特別是外購(gòu)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(jì)出需要的產(chǎn)品，模塊化設(shè)計(jì)方法應(yīng)運(yùn)而生了。模塊化設(shè)計(jì)是指在對(duì)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(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)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(chǎng)的不同需求的設(shè)計(jì)方法。（1）模塊化設(shè)計(jì)的主要原則。a. 盡可能少的原則：在實(shí)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(shí)盡量使各模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，模塊間的接口盡可能簡(jiǎn)單、清晰。b. 模塊系列化原則：主要用來滿足產(chǎn)

8、品的系列化要求，在系列化時(shí)最好結(jié)合參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法。（2）模塊化設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)。a. 相對(duì)獨(dú)立性：各模塊之間相對(duì)獨(dú)立，通過接口進(jìn)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(guó)際化公司在全球進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)化，從而很容易實(shí)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(jì)需求、市場(chǎng)、加工制造、采購(gòu)、質(zhì)量和售后服務(wù)的需要來進(jìn)行分類定義的。表1給出了模塊定義的過程中主要驅(qū)動(dòng)力。圖7展示了把一臺(tái)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

9、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(shí)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(hào)接口（Control）:模塊之間存在控制關(guān)系。e. 現(xiàn)場(chǎng)或者環(huán)境接口（Field/Environmental）：現(xiàn)場(chǎng)或環(huán)境通過接口影響模塊。兩個(gè)模塊之間可能同時(shí)存在多個(gè)

10、接口。用戶在定義模塊的時(shí)候還需要同時(shí)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(jì)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(gè)產(chǎn)品的模塊關(guān)系。3. 參數(shù)化與模塊化設(shè)計(jì)實(shí)例對(duì)于整個(gè)空調(diào)箱產(chǎn)品，首先按照功能不同，分成多個(gè)功能段：水盤管段、蒸汽盤管段、過濾段和混風(fēng)段，如圖9所示。每個(gè)功能段會(huì)拆分成多個(gè)零件，對(duì)于每個(gè)段中的相似的零件也可能因?yàn)楣δ艿牟煌x成不同模塊：水盤模塊、天花板模塊、墻板模塊、地板模塊和風(fēng)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?yàn)槊恳粋€(gè)模塊都需要涵蓋整個(gè)產(chǎn)品系列，所以運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)是解決系列化設(shè)計(jì)最有效的手

11、段，通過參數(shù)化設(shè)計(jì)把該模塊涵蓋的所有不同的零部件快速、全面地表達(dá)出來，從而減少建模和出圖樣的時(shí)間。模塊化設(shè)計(jì)的方法讓團(tuán)隊(duì)成員多人協(xié)同合作變成了現(xiàn)實(shí)，而參數(shù)化設(shè)計(jì)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(jì)周期。圖10展示了應(yīng)用參數(shù)化和模塊化設(shè)計(jì)的方法，從一個(gè)設(shè)計(jì)概念到最終產(chǎn)品的過程。三、優(yōu)勢(shì)分析1. 效率的提高空調(diào)箱多由鈑金件組成，各個(gè)鈑金件的差別大多在于外形尺寸，參數(shù)化設(shè)計(jì)能夠減少重復(fù)建模和出圖樣，降低設(shè)計(jì)者的枯燥感，用設(shè)計(jì)軟件代替人工，設(shè)計(jì)者只需要提供設(shè)計(jì)意圖并編寫規(guī)則和模板零件，結(jié)合設(shè)計(jì)軟件和生產(chǎn)設(shè)備，能夠縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，從而加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)及交付。表2是對(duì)于現(xiàn)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)空調(diào)箱

12、產(chǎn)品，是否用模塊化、參數(shù)化設(shè)計(jì)的零件和圖樣量的比較。由此可見，參數(shù)化設(shè)計(jì)可以大幅減少工作量，若在非標(biāo)產(chǎn)品上，其優(yōu)勢(shì)會(huì)更顯著。圖11是對(duì)于建造一個(gè)新的備選方案，是否用模塊化、參數(shù)化設(shè)計(jì)的工作時(shí)間的比較。由此可見，對(duì)于一個(gè)新的方案，使用模塊化與參數(shù)化結(jié)合的方法設(shè)計(jì)只需要半天時(shí)間就能完成傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)它還能幫助研發(fā)人員在現(xiàn)有的基本設(shè)計(jì)上快速改變?cè)O(shè)計(jì)，生成多個(gè)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(jì)的靈活性不僅能應(yīng)用在產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)階段，在非標(biāo)準(zhǔn)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(jì)維護(hù)使用模塊化、參數(shù)化設(shè)計(jì)方法能夠分散