基于參數化理念的熱泵熱水器設計研究

黃再超　王勇

摘 要：當熱泵熱水器面臨改進和變更時，傳統通過編輯草圖和特征來進行修改的方式無疑會產生大量的重復勞動，且不同設計師的設計方法和設計習慣往往影響到其他設計師對零件的修改，影響企業內部標準化進程的推進。

關鍵詞：變更；重復；標準化

1 參數化思想的引用和借鑒

1.1 參數化設計的定義和要求

參數化設計方法就是將模型中的定量信息變量化，使之成為任意調整的參數。對于變量化參數賦予不同數值，就可得到不同大小和形狀的零件模型。

在參數化設計系統中，設計人員根據工程關系和幾何關系來指定設計要求。要滿足這些設計要求，不僅需要考慮尺寸或工程參數的初值，而且要在每次改變這些設計參數時來維護這些基本關系，即將參數分為兩類：其一為各種尺寸值，稱為可變參數；其二為幾何元素間的各種連續幾何信息，稱為不變參數。參數化設計的本質是在可變參數的作用下，系統能夠自動維護所有的不變參數。因此，參數化模型中建立的各種約束關系，正是體現了設計人員的設計意圖。

1.2 熱泵熱水器的參數化設計

從熱泵熱水器的設計流程和產品衍化的方向來看，將參數化的設計思想帶入到產品零件的設計中一方面適合于公司對產品不斷改進，不斷優化的設計追求，另一方面也滿足了同種零部件不同尺寸規格的多樣化驅動。從結果上來說，就是提高了研發效率，縮短了研發周期。“以一到多”的參數化設計途徑可以更好地滿足現在的熱泵熱水器企業在設計和生產過程中的需求。通過對基礎模型的數字化研究，將模型的部分變量參數化，建立參數化的產品模型。通過參數的修改和重新設置，得到新的參數化模型的設計思路也更適合于中國的熱泵熱水器企業。

從建模方法和設計規范上來說，參數化的設計過程要求有著更加標準的建模方式和更加規范的約束方法。這雖然在一定層面上制約了設計師在零部件設計中的自由度，但也規范了企業整體的設計要求，一定程度上避免了由于不同設計師設計習慣的不同而在零部件修改中發生的約束更替，定義重置以及改動報錯等。這對于企業標準化進程的推進也有著一定的理論和應用價值。

2 參數化設計的方法和建模思路

2.1參數化建模

2.1.1 參數化零部件建模

零部件建模過程中主要的參數變量為草圖參數和特征參數。草圖參數為各零件在草圖繪制中所定義的尺寸參數；特征參數為零部件草圖的各種特征變化中所賦予的尺寸參數。任何部分參數的變動都會對零部件的尺寸特征產生影響。

2.1.2 參數化裝配體建模

從廣義上來說，參數化裝配體建模包含了參數化裝配以及參數化自上而下的設計。參數化裝配是簡單地對現有的零部件或裝配體進行裝配尺寸變量的參數化，從而通過參數化的驅動來改變裝配體的安裝尺寸。

2.2 參數化驅動

從一定層面上來說，參數化驅動正是參數化建模的最終目的和構建目標。一個參數化建立的產品模型也必須通過參數化的驅動來保證模型自身的通用性以及驗證模型設計的標準化程度。

2.2.1 函數和約束關系驅動

作為最為簡單和智能的約束和驅動方式，函數和約束關系的配合驅動方式可以在產品模型構建的初始階段就對產品的參數尺寸起到一個很好的定量和定性的驅動方式。這貫穿于整個模型構建和驅動階段，通過函數和約束關系的插入從一定角度上也簡化了參數化數據，通過各數據的連帶關系得到更加簡潔智能化的驅動形式，提高效率。因此可以說，這也是參數化建模和驅動的必要組成部分之一。

2.2.2到Excel表格驅動

最為簡潔實用的驅動方式，其基本方法就是通過excel來統計和歸納各尺寸及相關配合尺寸的參數數據，通過Solidworks軟件自帶的設計表功能完成由外接程序至模型的驅動。以表格的方式將產品的各參數進行規范，并成為參數化驅動的媒介和重要組成部分。因此，可以說，設計表的驅動方式一方面大大簡化了驅動形式，提高了驅動效率，另一方面也以最為直觀的方式來影響著參數化數據的輸入和輸出。這對于整個產品的研發過程的意義是十分明確的，受益者不僅僅是設計部門，也是管理和規范部門。

2.2.3 API驅動

這里的API驅動指的就是主要通過API接口進行二次開發，利用相應的VB或其他程序進行后臺驅動。API驅動需要編寫相應的代碼程序，對于產品的開發階段而言可能會占用額外的時間，同時零部件特征和拓撲關系的變化也會影響到代碼的修改，且后期的維護也需要投入一定的精力。從產品的開發角度來說確實增加了一定的成本。但從后期驅動和使用過程來說確實最為簡單和直觀的，對應的參數數據和特征變量通過操控程序面板可以進行完整而直接的表現，在各參數輸入和驅動的角度而言是速度最快，目的性最強的方法。

3 復雜裝配體裝配體的設計和驅動

3.1 復雜裝配零件所面臨的設計和驅動問題

熱泵熱水器的設計過程相對于普通熱水器產品而言更加復雜和多樣，同時往往也包含著多個子裝配體和子零件。通常來說，熱泵熱水器的層積包含水箱模塊和熱泵模塊兩個子模塊以及其他例如外殼的維修蓋，導風罩等子零件，他們作為一級裝配體或一級零件。在水箱和熱泵模塊下包含多個子模塊或子零件，包括風機導風罩組件、蒸發器組件、四通閥組件等。通常一款熱泵熱水器的BOM等級可以展開到7至8級甚至更多，這也很好地解釋了在單純采用API接口進行二次開發的前提下所帶來的工作難度。設計師不僅必須對于參數設計的順序，層級關系的設置，零件特征有著很好的把握，更需要有著扎實的語言功底。況且這些都是在滿足產品結構和外殼鈑金，塑料件的設計和成型要求的前提下的，實際的實現難度會更上一個臺階。

3.2 多方式進行參數化驅動

對熱泵熱水器來說，采用單一設計建模方式很難保證各零部件特征參數的可驅動性以及裝配體裝配參數的可控性。各種參數化的方法也有著自身的優勢和局限性。針對熱泵熱水器的復雜裝配體進行參數化零件庫設計的過程中必須兼顧各零件以及裝配關系的參數配置。單一使用一種參數驅動法容易造成局限，鉆進死胡同。而不同的參數驅動法的運用及取舍在模型構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例如參數表，二次開發程序面板，關系式方程，約束及定義等都要有著明確的分工，以保證在參數化驅動的過程中能夠保證連續性和智能化，從而減少工作量，保證整個模型零件庫的實適用性和可靠性。

4 結束語

對于參數化設計來說，熱泵熱水器都是一個比較特殊的設計對象，因此在整機參數化的過程中難免遇到各種問題：約束過定義，驅動沖突或者重置報錯等。但由于針對熱泵熱水器參數化相關的參考思路和文章很少，因此更多地需要我們自己在設計的過程中去思考和挖掘。文章也是以一個優化研發流程，推進標準化發展的視角來對其進行剖視和解讀，希望可以通過設計流程的優化來縮短產品的開發周期，增強產品的競爭力。

參考文獻

[1]趙福臣.基于Solidworks的參數化特征建模技術研究[J].機械設計，2004.

[2]吳文根，王天虎，王三武，等.基于Solid Works的部件參數化設計方法的研究[J].現代機械，2007，1.

[3]管建峰，吳永祥，蔣曉梅.空氣源熱泵熱水器的優化設計分析[J].電子制作，2014，19.

[4]岳亞蛟.空氣源熱泵熱水器的換熱優化設計[D].華南理工大學，2010.

[5]蘇生，壽青云，李小飛，等.空氣源熱泵熱水器的優化設計選擇[J].流體機械，2006，10.

作者簡介：黃再超（1992-），男，江蘇省南京市人，工作單位：南京林業大學，職務：學生，研究方向：產品設計。