參數化和模塊化設計在空調產品中的應用

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注。他們比過去更關注客戶的真實需求，千方百計地去滿足這些需求，以期占領更多的市場。在空調制造行業，特別是商用機領域，降低成本、縮短交貨周期是客戶非常關注的需求。而在空調箱領域的市場，由于門檻低，技術優勢不明顯，越來越多的中小企業加入到這一產品的競爭中。標準的空調產品主要實現的是通風、溫度控制和濕度控制這三大功能。隨著大氣環境污染的日益嚴重，如何提供清潔的優質空氣變得越來越重要了。所以標準的產品已經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品不提供的功能。根據過去幾年的數據統計，空調箱市場的特殊需求大約在 40%以上，這對于一家空調制造企業來說是非常大的挑戰。因而如何設計出特殊的功能并在要求的周期提交產品，對制造企業來說是一個急需解決的問題。

空調箱產品在實際銷售過程中經常會遇到客戶要求改變面板的保溫層厚度的情況，根據客戶現場的有限空間調整空調箱箱體的高寬比，減少占地面積。但是空調箱內的所有部件都是根據箱體預先設計的高寬比來設計的，所以一旦高寬比發生變化，空調箱內的自制零部件基本上全部要進行重新設計。僅依靠工程師臨時進行特殊設計，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計變更的方法顯得尤為重要。本文介紹了一種模塊化、參數化設計和計算機輔助制造相結合的方法，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計兩個方面：當銷售接下一個特殊的訂單時，工廠的技術人員只要根據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中，所有相關的參數化子零件加工文件就自動產生；同時還可以利用標準模塊像搭積木一樣迅速地創建產品的整機模型。通過模塊化和參數化縮短產品的設計周期，另一方面有了這些參數化設計生成圖樣，工廠就可以立即進行生產，從而最大化地縮短設計周期。這樣的一套解決方案不僅需要參數化的設計，同時也需要一套高度自動化的生產加工設備。自動化鈑金加工設備可以實現預編程的自動鈑金下料、沖孔以及折彎。所有參數化設計的零件都已經預置了編好的加工程序，一個特殊訂單產生時，該設備會自動讀取相應的文件進行加工，從而大大提高生產效率。圖 1展示了參數化設計的思路。

1.參數化設計

參數化設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系的。

根據標準的空調箱產品，用 Pro/ENGINEER軟件設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化，使之隨著外形尺寸的大小而變化個數和間距。甚至還能通過參數化控制零件的外形，不同的輸入可以展現不一樣的設計，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的圖樣，是參數化的圖樣。每一個變量都不會標注具體數值，而是顯示 Pro/ENGINEER里定義的參數（圖 3），并在參數表中給出每個參數的公式，即與輸入的外形尺寸的關系（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軟件來編寫邏輯規則和參數設置，即編寫在各種不同情況下，各個參數需要被賦予的數值，或者需要顯示或隱藏的特征，并設置限制條件（例如加工設備極限，原材料最大尺寸等）。定義所有的模板零件參數和客戶輸入之間的關系式，最后輸出 xml文件，即規則文件（圖6）。對于不同功能，都各自有一個規則文件。例如：控制特征顯示或隱藏的規則文件，控制零件裝配關系的規則文件，控制中間參數的規則文件等。一個產品的所有規則文件可放在同一個數據庫中（例如 Microsoft Visual SourceSafe），對其進行權限和版本控制。

最后參數化設計系統讀取模板零件和規則文件，根據訂單需求自動運行并生成生產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系，會優先生成一些虛擬框架組合在一起，用來定義空調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。

2.模塊化設計

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

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

（1）模塊化設計的主要原則。

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品，同時盡量使各模塊結構簡單，模塊間的接口盡可能簡單、清晰。

b.模塊系列化原則：主要用來滿足產品的系列化要求，在系列化時最好結合參數化的設計方法。

（2）模塊化設計的主要特點。

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：模塊接口部位的結構、尺寸和參數標準化，從而很容易實現模塊間的互換，以期滿足更大數量的不同產品的需要。

（3）模塊的定義。

通常模塊的定義是根據產品開發設計需求、市場、加工制造、采購、質量和售后服務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動力。endprint

圖7 展示了把一臺空調產品分成天花板模塊、墻板模塊、地板模塊和內部立柱支撐模塊等。

（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. 體積或區域內有接口（Spatial）：模塊之間存在空間或者面上的參考關系。

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

d. 傳遞操控信號接口（Control）：模塊之間存在控制關系。

e. 現場或者環境接口（Field/Environmental）：現場或環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系，一旦接口關系定義清楚，在后續的設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品的模塊關系。

3.參數化與模塊化設計實例

對于整個空調箱產品，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，我們還要根據上面所提到的規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品系列，所以運用參數化設計是解決系列化設計最有效的手段，通過參數化設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。模塊化設計的方法讓團隊成員多人協同合作變成了現實，而參數化設計則減少了重復建模和出圖樣的工作，從而真正減少工作量，縮短設計周期。圖 10展示了應用參數化和模塊化設計的方法，從一個設計概念到最終產品的過程。

三、優勢分析

1.效率的提高

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

表 2是對于現有一個標準空調箱產品，是否用模塊化、參數化設計的零件和圖樣量的比較。由此可見，參數化設計可以大幅減少工作量，若在非標產品上，其優勢會更顯著。

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

2.多種備選方案

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

3.方便設計維護

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

四、結語

本文主要闡述了模塊化、參數化設計在空調產品開發設計中的應用，通過設計軟件、模塊化方法、參數化設計系統和加工設備的集成，實施快速設計并變更設計，以滿足日趨復雜的市場需求。endprint