基于Creo的參數(shù)化設(shè)計在空調(diào)定制中的應(yīng)用

崔梓華 汪劍鑫

（廣東申菱環(huán)境系統(tǒng)股份有限公司 廣東省佛山市 528313）

1 導(dǎo)言

近四十年來，中國空調(diào)無論是市場規(guī)模還是科技實(shí)力均得到較大發(fā)展，市場越發(fā)成熟。但當(dāng)標(biāo)桿企業(yè)的創(chuàng)新能力跑不過模仿能力時，產(chǎn)品同質(zhì)化將日益嚴(yán)重，競爭日趨激烈。2019年因空調(diào)庫存高企展開了價格大戰(zhàn)，拉起了空調(diào)市場從增量時代到存量時代的序幕，競爭進(jìn)入白熱化階段。企業(yè)若不仔細(xì)研究市場變化、面向客戶定制、加快技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品升級，不改變傳統(tǒng)的庫存銷售模式將舉步維艱。德國2013年提出“工業(yè)4.0”聞名于世，概念包含了由集中式控制向分散式增強(qiáng)型控制的基本模式轉(zhuǎn)變，目標(biāo)是建立一個高度靈活的個性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。這種生產(chǎn)模式具有高度的靈活性，能夠滿足每個客戶的“定制需求”。然而，定制化有產(chǎn)品種類多，訂單批量小、批次多，制造成本高的特點(diǎn)，企業(yè)需采取“大規(guī)模定制”方法予以解決，它要求廠商有更高的定制開發(fā)能力和生產(chǎn)管理能力。尤其產(chǎn)品研發(fā)部門，需有精準(zhǔn)的產(chǎn)品定位和規(guī)劃、適合的設(shè)計理念、高效靈活的設(shè)計工具，才能“以最小的變形設(shè)計、最少的零部件，定制出更多的產(chǎn)品”實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制的目標(biāo)。實(shí)踐證明，基于Creo的參數(shù)化設(shè)計在空調(diào)定制中有較高的應(yīng)用價值。

2 基于Creo的參數(shù)化設(shè)計

參數(shù)化設(shè)計（Parameric Design）也稱變量化設(shè)計（Variational Design）是美國麻省理工學(xué)院Gossard 教授提出的，近幾十年是CAD 領(lǐng)域里的一大研究熱點(diǎn)。如圖1，參數(shù)化設(shè)計它是通過定義產(chǎn)品或零部件的模板文件，用變量x、y、z 來關(guān)聯(lián)零部件的尺寸、特征。編寫邏輯規(guī)則和參數(shù)，定義模板零部件參數(shù)與用戶輸入輸出的關(guān)系，輸出規(guī)則文件。參數(shù)化程序讀取模板零部件和規(guī)則文件，自動運(yùn)行并生成生產(chǎn)加工所需要的圖文及BOM 等資料。

Creo 軟件是美國PTC 公司于2010年推出CAD 設(shè)計軟件。Creo 是整合了PTC 公司的三個軟件Pro/e 的參數(shù)化技術(shù)、CoCreate的直接建模技術(shù)和PruductView 的三維可視化技術(shù)的新型CAD 設(shè)計軟件?；贑reo 平臺的參數(shù)化設(shè)計，由超級BOM、模型庫、設(shè)計參數(shù)規(guī)則表三大要素構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)輸入?yún)?shù)即可自動生成相應(yīng)的三維模型、BOM、工程圖等成套數(shù)據(jù)，支持實(shí)時預(yù)覽，所見即所得的體驗(yàn)讓設(shè)計變得簡單、直觀、快捷、準(zhǔn)確。

3 空調(diào)定制

按制冷原理，空調(diào)器主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流裝置四大件構(gòu)成，如圖2；輔以管路、閥門、控制系統(tǒng)、框架結(jié)構(gòu)、防護(hù)等器件構(gòu)成完整的系統(tǒng)。設(shè)計人員根據(jù)器件的選型、組合、配置、結(jié)構(gòu)布置、安裝方式等因素，衍生出不同類型、不同尺寸、樣式繁多的空調(diào)器。目前空調(diào)主要分家用空調(diào)和中央空調(diào)。家用空調(diào)常見的產(chǎn)品有窗機(jī)、風(fēng)管機(jī)、座吊機(jī)、天花機(jī)等；中央空調(diào)主流產(chǎn)品有離心機(jī)、風(fēng)冷螺桿機(jī)、水冷螺桿機(jī)、模塊機(jī)、多聯(lián)機(jī)、溴化鋰、單元機(jī)、末端、兩聯(lián)供機(jī)組（含戶式水機(jī)）等。隨著人們對美好生活的向往，對生活、辦工、學(xué)習(xí)、文娛等室內(nèi)環(huán)境也提出更多要求，希望所到之處均能獲得舒適、健康、節(jié)能、環(huán)保、高效、智能的美好體驗(yàn)。因此，新的制冷技術(shù)、智能控制技術(shù)、節(jié)能技術(shù)、新材料、新工藝等均在不斷地涌現(xiàn)、創(chuàng)新和應(yīng)用，最終通過定制空調(diào)產(chǎn)品為人們提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

表1：空調(diào)設(shè)計的條件

表2：某類換熱器的設(shè)計參數(shù)

表3：空調(diào)中部分零部件的設(shè)計對比

圖1：參數(shù)化模型

圖2：制冷原理圖

圖3：參數(shù)化平臺搭建流程

供應(yīng)廠商為滿足用戶的需求，需進(jìn)行適應(yīng)性、差異化定制。根據(jù)用戶所在地理位置、氣候條件、地區(qū)法律法規(guī)、所屬行業(yè)、能效環(huán)保要求、場地安裝、用途和其他特殊要求等因素確定產(chǎn)品的基本形態(tài)或技術(shù)解決方案，設(shè)計開發(fā)人員以此構(gòu)建或匹配出適合的產(chǎn)品以滿足客戶要求。如空調(diào)位于海岸潮濕地區(qū)則需要增加防腐、防銹；位于沙漠干旱地區(qū)則需增加防塵、防沙，醫(yī)用手術(shù)室則需有恒溫恒濕、清潔、殺菌抗菌、安靜等要求?？照{(diào)設(shè)計的條件如表1所示。

空調(diào)定制的一般特點(diǎn)是進(jìn)行適應(yīng)性差異化產(chǎn)品開發(fā)，而非進(jìn)行顛覆性技術(shù)革新或研發(fā)另類產(chǎn)品。如空調(diào)機(jī)組中的翅片式換熱器，常見的結(jié)構(gòu)只有直板型、V 型、U 型三種。在同類或近似的產(chǎn)品族中，它的結(jié)構(gòu)相近，有相同的設(shè)計規(guī)律可循；在定制時亦可遵循同樣的規(guī)律進(jìn)行變形設(shè)計。翅片式換熱器的功能主要由設(shè)計參數(shù)描述，如蒸發(fā)溫度和冷凝溫度、過熱度和過冷度、換熱器風(fēng)速、管徑和厚度、行距X 排距、翅片材質(zhì)規(guī)格、管路結(jié)構(gòu)、流路設(shè)計等，它們均是通過傳熱管、翅片、小彎頭、進(jìn)出口集管、端板、分流頭、框架等結(jié)構(gòu)設(shè)計實(shí)現(xiàn)。如表2所示。

4 參數(shù)化設(shè)計平臺搭建過程及說明

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，目標(biāo)市場中的客戶對產(chǎn)品功能需求一般是相同或類似的，但因?qū)Χㄖ菩枨蟮牟煌斫?，且沒有統(tǒng)一規(guī)則的平臺工具，不同的設(shè)計人員會提供不同的設(shè)計方案；也會出現(xiàn)同一批設(shè)計人員在不同時段因?yàn)橥浕驘o法找到原來方案，重新設(shè)計新的方案，導(dǎo)致重復(fù)設(shè)計，零部件數(shù)量呈幾何式增長，無法實(shí)現(xiàn)批量化制造或采購，除生產(chǎn)效率不高外，管理成本還會上升。因此，為在要求快速變形設(shè)計的同時，避免重復(fù)或相似設(shè)計，提高設(shè)計、生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制，可以引入?yún)?shù)化設(shè)計方法。

如某類換熱器，以空調(diào)產(chǎn)品規(guī)劃和定位為前提，先完成零部件的功能界定與模塊劃分，優(yōu)化配置和結(jié)構(gòu)；隨后，按參數(shù)化平臺搭建流程執(zhí)行（如圖3），分析各零部件的通用性與專屬性，理清零部件之間的從屬關(guān)系、關(guān)聯(lián)關(guān)系，編寫設(shè)計規(guī)則文件、創(chuàng)建模板文件（3D 模型等）、搭建超級BOM，配置用戶界面（如圖4），完成平臺建設(shè)。參數(shù)化建模設(shè)計是利用參數(shù)、關(guān)系、約束等將設(shè)計者的設(shè)計意圖融入到建模的過程中，利用之前創(chuàng)建好的模型，采用參數(shù)驅(qū)動的方法實(shí)現(xiàn)模型的快速重構(gòu)。設(shè)計者無需像使用三維設(shè)計軟件繪制模型的那樣，要輸入各個尺寸的數(shù)值、調(diào)整各零部件的裝配位置、標(biāo)識各種特征等一系列繁瑣、重復(fù)的工作；它直接通過值列表的方式，由參數(shù)驅(qū)動設(shè)計和輸出，完成產(chǎn)品或零部件的快速建模、BOM、工程圖、工藝文件等資料輸出。

5 參數(shù)化平臺設(shè)計流程

產(chǎn)品生命周期管理的核心是對產(chǎn)品數(shù)據(jù)的管理?；贑reo 的參數(shù)化設(shè)計可以與PLM 系統(tǒng)進(jìn)行集成，使參數(shù)化輸入端的操作界面嵌于PLM 系統(tǒng)上，建成如圖4 一樣的可視化、易操作的用戶界面，將設(shè)計輸出的相關(guān)資料通過接口集成、儲存在PLM 的系統(tǒng)，便于資料集中、統(tǒng)一管理。參數(shù)化設(shè)計操作流程如圖5，登錄PLM系統(tǒng)選擇打開參數(shù)化平臺，在用戶界面上輸入產(chǎn)品的設(shè)計參數(shù)，驅(qū)動平臺計算或判斷，生成或搜索所需的零部件規(guī)則文件，Creo 軟件自動參數(shù)化模型變形設(shè)計，自動輸出成套的模型、工程圖、BOM等技術(shù)資料，最后保存上傳致PLM 系統(tǒng)。大量的設(shè)計工作交給參數(shù)化平臺實(shí)現(xiàn)，設(shè)計人員可以將節(jié)約的時間用于產(chǎn)品的方案驗(yàn)證、技術(shù)創(chuàng)新、質(zhì)量改善、新技術(shù)應(yīng)用等方面，以提高產(chǎn)品競爭力。

6 參數(shù)化設(shè)計的效果

參數(shù)化設(shè)計是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制的有效方法。它不僅在很大程度上能滿足客戶的個性化需求，也能在一定程度上改善制造廠商因定制帶來的物料種類多、倉儲成本高、采購單件量少價高、生產(chǎn)效率低等困擾；如不改善，其居高不下的運(yùn)營成本必將影響到企業(yè)發(fā)展，甚至拖垮企業(yè)。參數(shù)化能為大規(guī)模定制提供一個平衡。建議組建一支由產(chǎn)品企劃、技術(shù)、工藝等人員組成的團(tuán)隊(duì)，對目標(biāo)市場的需求、產(chǎn)品定位、產(chǎn)品構(gòu)建和生產(chǎn)條件等進(jìn)行充分剖析和研究，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化原則和方法，對產(chǎn)品及其零部件進(jìn)行系列化、通用化、組合化的安排，定義通用接口實(shí)現(xiàn)互換性，最后以組合、配置的方式設(shè)計出產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)“以最小的變形設(shè)計、最少的零部件，定制出更多的產(chǎn)品”的目標(biāo)。

如某空調(diào)的室外機(jī)，劃分底座、換熱器、系統(tǒng)管路、風(fēng)機(jī)架、電控箱等29 個較大部件或模塊，如圖6 示例，各部件均可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計，29 個部件可實(shí)現(xiàn)2916 種組合結(jié)果，客戶有更多的選擇。

參數(shù)化設(shè)計能較大提升設(shè)計效率。常規(guī)的空調(diào)產(chǎn)品設(shè)計輸出包括：BOM、3D 模型、工程圖、開料圖紙等資料，有傳統(tǒng)的二維、三維設(shè)計或3D 設(shè)計軟件與PLM 系統(tǒng)集成設(shè)計、參數(shù)化設(shè)計等方式。經(jīng)比較，以參數(shù)化設(shè)計方式生成和修改模型的速度遠(yuǎn)比其他的設(shè)計方式更方便、高效；尤其在產(chǎn)品系列化設(shè)計、快速變形設(shè)計的應(yīng)用中優(yōu)勢更加明顯，如表3所示數(shù)據(jù)。

圖4：某換熱器參數(shù)化平臺用戶界面

圖5：參數(shù)化平臺設(shè)計流程

圖6：室外機(jī)及關(guān)鍵部件示例

圖7：基于參數(shù)化派生設(shè)計變更計6570

圖8：參數(shù)化新增物料統(tǒng)計

參數(shù)化設(shè)計能較大提高設(shè)計質(zhì)量。ETO 生產(chǎn)模型下，產(chǎn)品定制化程度高，產(chǎn)品種類多、訂量小、批次多的特點(diǎn)突出，客戶對產(chǎn)品價格、交付、質(zhì)量等要求卻未曾降低標(biāo)準(zhǔn)，對廠商而言是一個很大的挑戰(zhàn)。其中，設(shè)計者需要在較短的時間內(nèi)完成大量的設(shè)計工作，使用傳統(tǒng)的二維、三維設(shè)計方法已難以應(yīng)對，不僅慢而且設(shè)計錯漏的可能性很大。設(shè)計錯漏問題無論大小，都會給生產(chǎn)制造帶來較大的影響，應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計則能獲得較大程度的改觀。如圖7，2019年6月建成某類產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計平臺，經(jīng)試用優(yōu)化后，9-10月全面推廣至第一個產(chǎn)品室，2020年5-6月推廣至第二個產(chǎn)品室。ECN數(shù)突增的月份正與新用戶使用對應(yīng)，新用戶一旦熟悉掌握技能，設(shè)計錯漏便減少。經(jīng)過一年多的應(yīng)用推廣，此類產(chǎn)品的ECN 數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，相較2018年ECN 數(shù)約300 次/月，設(shè)計質(zhì)量有顯著提高。

參數(shù)化設(shè)計能較大程度減少重復(fù)設(shè)計?；贑reo 參數(shù)化平臺設(shè)計，它能通過參數(shù)驅(qū)動設(shè)計，快速生成模型組成模型庫，隨著使用的人越多、越久，模型庫也會越來越豐富；同時，基于參數(shù)化平臺能找到模型庫內(nèi)符合要求的模型，設(shè)計者可直接借用已有的模型，避免重復(fù)設(shè)計，減少新物料。如圖8，經(jīng)過一段時間的應(yīng)用后，參數(shù)化設(shè)計產(chǎn)生新物料的數(shù)量逐步下降，部分物料被重復(fù)使用的次數(shù)正在增加。

參數(shù)化設(shè)計在空調(diào)定制中應(yīng)用方向是產(chǎn)品模塊化，實(shí)現(xiàn)配置設(shè)計?？照{(diào)定制不同于參數(shù)化在異形建筑、服裝領(lǐng)域的應(yīng)用，非線性設(shè)計較少，不過于追求酷炫?？照{(diào)產(chǎn)品基于creo 的參數(shù)化設(shè)計的關(guān)聯(lián)性雖然多、繁雜，但算法相對較為簡單，屬于低難度級別的參數(shù)化，但它的實(shí)用價值潛力巨大，不容忽視。參數(shù)化平臺搭建時可綜合應(yīng)用簡化、統(tǒng)一化、通用化、系列化、組合化的標(biāo)準(zhǔn)化方法，使其向產(chǎn)品模塊化邁進(jìn)。

7 結(jié)語

實(shí)踐證明，基于Creo 參數(shù)化設(shè)計實(shí)現(xiàn)了人機(jī)結(jié)合，一鍵式繪圖，省時省力；也避免重復(fù)設(shè)計，保證物料的唯一性，提高了物料重用率；實(shí)現(xiàn)三維模型、BOM、圖紙成套輸出，提高了設(shè)計的準(zhǔn)確性。通過完成多個產(chǎn)品、零部件的參數(shù)化平臺建設(shè)與應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)在設(shè)計效率與質(zhì)量方面，參數(shù)化設(shè)計方式比傳統(tǒng)的設(shè)計方式有著明顯的優(yōu)勢，經(jīng)濟(jì)效益顯著，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制的有效辦法。另參數(shù)化平臺更有利于技術(shù)升級和產(chǎn)品創(chuàng)新，參數(shù)化設(shè)計形成的模型庫如知識的容器，模型庫由設(shè)計部門事先對需求分析規(guī)劃建立的，參數(shù)化建模的策略是用數(shù)值約束、幾何約束和方程約束來說明產(chǎn)品模型的形狀特征，是設(shè)計、工藝規(guī)范落實(shí)到生產(chǎn)過程中的有效辦法；在應(yīng)用延伸方面，參數(shù)化設(shè)計可與模塊化設(shè)計、結(jié)構(gòu)化工藝進(jìn)行結(jié)合應(yīng)用，能挖掘出更大的潛力和應(yīng)用價值。