基于参数化理念的热泵热水器设计研究

黄再超　王勇

摘 要：当热泵热水器面临改进和变更时，传统通过编辑草图和特征来进行修改的方式无疑会产生大量的重复劳动，且不同设计师的设计方法和设计习惯往往影响到其他设计师对零件的修改，影响企业内部标准化进程的推进。

关键词：变更；重复；标准化

1 参数化思想的引用和借鉴

1.1 参数化设计的定义和要求

参数化设计方法就是将模型中的定量信息变量化，使之成为任意调整的参数。对于变量化参数赋予不同数值，就可得到不同大小和形状的零件模型。

在参数化设计系统中，设计人员根据工程关系和几何关系来指定设计要求。要满足这些设计要求，不仅需要考虑尺寸或工程参数的初值，而且要在每次改变这些设计参数时来维护这些基本关系，即将参数分为两类：其一为各种尺寸值，称为可变参数；其二为几何元素间的各种连续几何信息，称为不变参数。参数化设计的本质是在可变参数的作用下，系统能够自动维护所有的不变参数。因此，参数化模型中建立的各种约束关系，正是体现了设计人员的设计意图。

1.2 热泵热水器的参数化设计

从热泵热水器的设计流程和产品衍化的方向来看，将参数化的设计思想带入到产品零件的设计中一方面适合于公司对产品不断改进，不断优化的设计追求，另一方面也满足了同种零部件不同尺寸规格的多样化驱动。从结果上来说，就是提高了研发效率，缩短了研发周期。“以一到多”的参数化设计途径可以更好地满足现在的热泵热水器企业在设计和生产过程中的需求。通过对基础模型的数字化研究，将模型的部分变量参数化，建立参数化的产品模型。通过参数的修改和重新设置，得到新的参数化模型的设计思路也更适合于中国的热泵热水器企业。

从建模方法和设计规范上来说，参数化的设计过程要求有着更加标准的建模方式和更加规范的约束方法。这虽然在一定层面上制约了设计师在零部件设计中的自由度，但也规范了企业整体的设计要求，一定程度上避免了由于不同设计师设计习惯的不同而在零部件修改中发生的约束更替，定义重置以及改动报错等。这对于企业标准化进程的推进也有着一定的理论和应用价值。

2 参数化设计的方法和建模思路

2.1参数化建模

2.1.1 参数化零部件建模

零部件建模过程中主要的参数变量为草图参数和特征参数。草图参数为各零件在草图绘制中所定义的尺寸参数；特征参数为零部件草图的各种特征变化中所赋予的尺寸参数。任何部分参数的变动都会对零部件的尺寸特征产生影响。

2.1.2 参数化装配体建模

从广义上来说，参数化装配体建模包含了参数化装配以及参数化自上而下的设计。参数化装配是简单地对现有的零部件或装配体进行装配尺寸变量的参数化，从而通过参数化的驱动来改变装配体的安装尺寸。

2.2 参数化驱动

从一定层面上来说，参数化驱动正是参数化建模的最终目的和构建目标。一个参数化建立的产品模型也必须通过参数化的驱动来保证模型自身的通用性以及验证模型设计的标准化程度。

2.2.1 函数和约束关系驱动

作为最为简单和智能的约束和驱动方式，函数和约束关系的配合驱动方式可以在产品模型构建的初始阶段就对产品的参数尺寸起到一个很好的定量和定性的驱动方式。这贯穿于整个模型构建和驱动阶段，通过函数和约束关系的插入从一定角度上也简化了参数化数据，通过各数据的连带关系得到更加简洁智能化的驱动形式，提高效率。因此可以说，这也是参数化建模和驱动的必要组成部分之一。

2.2.2到Excel表格驱动

最为简洁实用的驱动方式，其基本方法就是通过excel来统计和归纳各尺寸及相关配合尺寸的参数数据，通过Solidworks软件自带的设计表功能完成由外接程序至模型的驱动。以表格的方式将产品的各参数进行规范，并成为参数化驱动的媒介和重要组成部分。因此，可以说，设计表的驱动方式一方面大大简化了驱动形式，提高了驱动效率，另一方面也以最为直观的方式来影响着参数化数据的输入和输出。这对于整个产品的研发过程的意义是十分明确的，受益者不仅仅是设计部门，也是管理和规范部门。

2.2.3 API驱动

这里的API驱动指的就是主要通过API接口进行二次开发，利用相应的VB或其他程序进行后台驱动。API驱动需要编写相应的代码程序，对于产品的开发阶段而言可能会占用额外的时间，同时零部件特征和拓扑关系的变化也会影响到代码的修改，且后期的维护也需要投入一定的精力。从产品的开发角度来说确实增加了一定的成本。但从后期驱动和使用过程来说确实最为简单和直观的，对应的参数数据和特征变量通过操控程序面板可以进行完整而直接的表现，在各参数输入和驱动的角度而言是速度最快，目的性最强的方法。

3 复杂装配体装配体的设计和驱动

3.1 复杂装配零件所面临的设计和驱动问题

热泵热水器的设计过程相对于普通热水器产品而言更加复杂和多样，同时往往也包含着多个子装配体和子零件。通常来说，热泵热水器的层积包含水箱模块和热泵模块两个子模块以及其他例如外壳的维修盖，导风罩等子零件，他们作为一级装配体或一级零件。在水箱和热泵模块下包含多个子模块或子零件，包括风机导风罩组件、蒸发器组件、四通阀组件等。通常一款热泵热水器的BOM等级可以展开到7至8级甚至更多，这也很好地解释了在单纯采用API接口进行二次开发的前提下所带来的工作难度。设计师不仅必须对于参数设计的顺序，层级关系的设置，零件特征有着很好的把握，更需要有着扎实的语言功底。况且这些都是在满足产品结构和外壳钣金，塑料件的设计和成型要求的前提下的，实际的实现难度会更上一个台阶。

3.2 多方式进行参数化驱动

对热泵热水器来说，采用单一设计建模方式很难保证各零部件特征参数的可驱动性以及装配体装配参数的可控性。各种参数化的方法也有着自身的优势和局限性。针对热泵热水器的复杂装配体进行参数化零件库设计的过程中必须兼顾各零件以及装配关系的参数配置。单一使用一种参数驱动法容易造成局限，钻进死胡同。而不同的参数驱动法的运用及取舍在模型构建初期就必须有十分清晰的逻辑思考，并且任何方法的整理和归类例如参数表，二次开发程序面板，关系式方程，约束及定义等都要有着明确的分工，以保证在参数化驱动的过程中能够保证连续性和智能化，从而减少工作量，保证整个模型零件库的实适用性和可靠性。

4 结束语

对于参数化设计来说，热泵热水器都是一个比较特殊的设计对象，因此在整机参数化的过程中难免遇到各种问题：约束过定义，驱动冲突或者重置报错等。但由于针对热泵热水器参数化相关的参考思路和文章很少，因此更多地需要我们自己在设计的过程中去思考和挖掘。文章也是以一个优化研发流程，推进标准化发展的视角来对其进行剖视和解读，希望可以通过设计流程的优化来缩短产品的开发周期，增强产品的竞争力。

参考文献

[1]赵福臣.基于Solidworks的参数化特征建模技术研究[J].机械设计，2004.

[2]吴文根，王天虎，王三武，等.基于Solid Works的部件参数化设计方法的研究[J].现代机械，2007，1.

[3]管建峰，吴永祥，蒋晓梅.空气源热泵热水器的优化设计分析[J].电子制作，2014，19.

[4]岳亚蛟.空气源热泵热水器的换热优化设计[D].华南理工大学，2010.

[5]苏生，寿青云，李小飞，等.空气源热泵热水器的优化设计选择[J].流体机械，2006，10.

作者简介：黄再超（1992-），男，江苏省南京市人，工作单位：南京林业大学，职务：学生，研究方向：产品设计。