許海波，李九成

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009)

0 引言

近年來，由于國內(nèi)空氣質(zhì)量問題日益受到大眾重視，研究成果表明，長(zhǎng)期暴露于細(xì)顆粒污染空氣對(duì)心肺健康有極大不利影響[1]。工廠由于市場(chǎng)要求也陸續(xù)推出了不同系列款型，設(shè)計(jì)工作量越發(fā)繁重。

在造型設(shè)計(jì)方面，白俊紅[2]從空氣凈化器的整體造型、內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵凈化技術(shù)、色彩搭配、產(chǎn)品尺寸、操作易用性、使用環(huán)境等方面出發(fā)，設(shè)計(jì)了一款較為理想的小型臺(tái)式居室空氣凈化器產(chǎn)品。

在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，白志文等[3]通過對(duì)生活形態(tài)的研究分析及其典型用戶分析,針對(duì)桌面空氣凈化器的消費(fèi)者用戶大體分為五種代表性的人群,并分析針對(duì)各種人群的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的桌面型綠色空氣凈化器。Hak[4]在凈化器內(nèi)添加了紫外線光室，位于靠近空氣出口處，并在靠近排氣口的位置安裝了流量計(jì)，以提供空氣流量的指示，來及時(shí)更換預(yù)過濾器或主過濾器。

由于空氣凈化器需要滿足不同客戶的需求，往往具有不同風(fēng)量款型，但是目前空氣凈化器的系列化設(shè)計(jì)方面研究較少，同時(shí)，設(shè)計(jì)工作中零件重復(fù)率較高，針對(duì)此類問題，為了適應(yīng)市場(chǎng)的要求，提高總體設(shè)計(jì)效率，同時(shí)為了避免設(shè)計(jì)過程中由于重復(fù)工作而導(dǎo)致的操作性失誤，本文以一款市面上的空氣凈化器為例，提出一種基于裝配體的系列化設(shè)計(jì)方法，并基于模塊化管理思想設(shè)計(jì)出一套可以高效設(shè)計(jì)出一系列不同風(fēng)量要求的空氣凈化器的系統(tǒng)。

1 空氣凈化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本文以一款市面上的空氣凈化器為例，此空氣凈化器共由四部分組成，分別為進(jìn)風(fēng)口部分，包括進(jìn)風(fēng)口、進(jìn)風(fēng)控制裝置；預(yù)處理部分，包括活性炭處理層、初步過濾層以及靜電除塵層；風(fēng)機(jī)裝置部分，包括風(fēng)機(jī)總成、風(fēng)機(jī)控制裝置；高效過濾部分，包括高效濾芯，以及輔助加熱裝置。室外污染空氣依次通過4部分結(jié)構(gòu)，最終到達(dá)室內(nèi)得到潔凈新鮮空氣。具體結(jié)構(gòu)見圖1。

1.進(jìn)風(fēng)口 2.活性炭過濾層 3.初步過濾層 4.靜電集塵裝置 5.風(fēng)機(jī) 6.輔熱裝置 7.高效濾芯圖1 空氣凈化器基本結(jié)構(gòu)

1.2 系列化設(shè)計(jì)要求

空氣凈化器結(jié)構(gòu)較為多樣，不同功能要求下，部件內(nèi)容也會(huì)隨之改變。往往對(duì)于同一系列凈化器來說，大體部件是相同或相似的，只是不同風(fēng)量要求下可能會(huì)有部分結(jié)構(gòu)不同。如今，大多設(shè)計(jì)師仍然采取傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，導(dǎo)致設(shè)計(jì)工作重復(fù)率較高，從而設(shè)計(jì)工作周期較長(zhǎng)，設(shè)計(jì)成本自然高居不下。參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)的設(shè)計(jì)對(duì)象一般結(jié)構(gòu)形狀比較定型,可以用一組參數(shù)來約定尺寸的關(guān)系。多數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)象的控制尺寸有著對(duì)應(yīng)關(guān)系,設(shè)計(jì)結(jié)果的修改受到尺寸驅(qū)動(dòng),所以也稱為參數(shù)化尺寸驅(qū)動(dòng)[5]。參數(shù)化設(shè)計(jì)就是通過參數(shù)化形式的建模來構(gòu)造產(chǎn)品的幾何模型。這里幾何模型的參數(shù)應(yīng)包括最能反映其結(jié)構(gòu)的形狀特征,即包括描述該模型幾何結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)和模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的拓?fù)鋮?shù)[6]。本文將提出的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)與文件庫系統(tǒng)，是為了應(yīng)對(duì)上述問題，從而達(dá)到高效設(shè)計(jì)的目的，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間、研發(fā)成本。

2 空氣凈化器系列化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)傳統(tǒng)建模軟件在建立空氣凈化器模型時(shí)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)過程中將產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)抽取出來，組織并結(jié)合在一起，構(gòu)成完整的知識(shí)模塊，進(jìn)一步通過求解知識(shí)模塊得到新的產(chǎn)品[7]。形成空氣凈化器參數(shù)化設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 空氣凈化器參數(shù)化設(shè)計(jì)框圖

利用相關(guān)產(chǎn)品知識(shí)體系建立軟件SolidWorks、Microsoft Access 及Visual C++ 之間的關(guān)系，構(gòu)建空氣凈化器參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，通過軟件Visual C++ 編程軟件設(shè)計(jì)出產(chǎn)品操作系統(tǒng)并無縫隙嵌入在SolidWorks軟件平臺(tái)，如圖3所示，該架構(gòu)是由用戶層、開發(fā)層以及數(shù)據(jù)層之間相互建立邏輯關(guān)系，以提高企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率和保證質(zhì)量為目的，實(shí)現(xiàn)為用戶搭建簡(jiǎn)單、快捷人機(jī)交互平臺(tái)。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 文件庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于空氣凈化器內(nèi)部零件數(shù)量繁多、種類復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)工作中，并非任何模型都可以參數(shù)化，有一些對(duì)于產(chǎn)品整體尺寸關(guān)系比較弱的零部件，我們采用文件庫設(shè)計(jì)方式。此時(shí)，一個(gè)便捷方便的庫文件系統(tǒng)便變得尤其重要，而PDM系統(tǒng)對(duì)于普通設(shè)計(jì)人員來說過于繁瑣。本文根據(jù)需求用C++6.0提供的樹控件接口將Solidworks 的庫文件加入程序框架，引用Solidworks的類對(duì)象和函數(shù)等進(jìn)行二次開發(fā)[8]，庫文件系統(tǒng)是為了能靈活配合空氣凈化器裝配體模型中的部件，從而派生出各種空氣凈化器變形設(shè)計(jì)實(shí)例。在此庫文件系統(tǒng)中，用戶可以根據(jù)自己所定義的樹狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)關(guān)系結(jié)構(gòu)逐級(jí)查找所需要的構(gòu)件。庫文件一旦加載至到目前的設(shè)計(jì)環(huán)境中,就會(huì)形成獨(dú)立的實(shí)體，與庫文件脫離關(guān)系。文件庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 文件庫系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

庫文件系統(tǒng)的維護(hù)功能可分為庫文件目錄添加、刪除，庫文件添加、刪除、修改兩個(gè)子功能模塊，這為管理庫文件數(shù)據(jù)提供了工具，用戶可以隨時(shí)方便、實(shí)時(shí)地更新庫文件數(shù)據(jù)，清除數(shù)據(jù)庫的冗余數(shù)據(jù)[9-10]。

2.3 設(shè)計(jì)方法

設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)之前，應(yīng)將目標(biāo)產(chǎn)品所需參數(shù)化產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)件模型與現(xiàn)有產(chǎn)品模型庫進(jìn)行對(duì)比。若產(chǎn)品模型庫中存在相似產(chǎn)品文件，只需要通過調(diào)用現(xiàn)有參數(shù)直接生成所需產(chǎn)品；若產(chǎn)品模型庫無法滿足新產(chǎn)品需求，則需進(jìn)行對(duì)產(chǎn)品中某些部件的重新設(shè)計(jì)。

本文選用基于裝配體的系列化設(shè)計(jì)方法，用戶根據(jù)自己需求，鍵入自己所需要的參數(shù)，運(yùn)用知識(shí)推理，驅(qū)動(dòng)模塊參數(shù)，再傳遞給所有的參數(shù)化零件模型，根據(jù)之前建立的裝配關(guān)系，進(jìn)而改變整個(gè)裝配模型[11]。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)4種常見空氣凈化器產(chǎn)品模板，將產(chǎn)品模板存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，操作系統(tǒng)時(shí)，將產(chǎn)品模型備份，即將打開的零部件或產(chǎn)品模板備份到指定庫文件夾下，留作數(shù)據(jù)庫保存，這樣不僅保證新設(shè)計(jì)產(chǎn)品獨(dú)立性和完整性，而且也不會(huì)因操作不當(dāng)影響整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)工作的核心即建立用戶輸入的參數(shù)與參數(shù)化模型的主控參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2.4 模塊分類

基于模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)的產(chǎn)品配置生產(chǎn)方式具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性,可以縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造周期[12]?？諝鈨艋鞯膮?shù)化設(shè)計(jì)過程是自上而下的參數(shù)傳遞過程[13]。而模塊化設(shè)計(jì)正是承上啟下的一環(huán)，尤為重要。如圖5所示，本文將空氣凈化器分成框架模塊、風(fēng)機(jī)模塊、預(yù)處理模塊與高效濾芯模塊4個(gè)模塊。每個(gè)模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)，模塊參數(shù)由產(chǎn)品層參數(shù)所決定。模塊下只含有零件，而不再包含部件，這樣可以避免配合時(shí)可能產(chǎn)生的參數(shù)錯(cuò)誤。

圖5 空氣凈化器模塊分類

2.5 尺寸傳遞結(jié)構(gòu)設(shè)置及尺寸關(guān)系設(shè)定

本文采用對(duì)產(chǎn)品的裝配體總體尺寸進(jìn)行推理的改變方法，通過得到設(shè)計(jì)人員制定的風(fēng)量設(shè)計(jì)以及框架外圍尺寸，產(chǎn)品對(duì)應(yīng)尺寸一同改變，能快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配體系列化設(shè)計(jì)。選定底殼的長(zhǎng)L、寬W、高H為主要參數(shù)，由此三個(gè)主要參數(shù)作為主動(dòng)尺寸，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)出主動(dòng)尺寸與其余模塊尺寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系，再將模塊尺寸傳遞給其下屬所有零件。由于尺寸自由度數(shù)目為3，在各個(gè)模塊中的尺寸自由度數(shù)目Xi也保證1≤Xi≤3，同理，零件的尺寸自由度Yij也應(yīng)保證1≤Yij≤Xi。參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)

本文在這里以預(yù)處理模塊為例，設(shè)置長(zhǎng)寬高尺寸為1000mm、328mm、230mm，部分設(shè)置尺寸關(guān)系見表1。

表1 部分尺寸關(guān)系設(shè)置

圖7～圖9顯示了根據(jù)表2的要求參數(shù)傳遞的效果。根據(jù)設(shè)計(jì)需要輸入基本參數(shù)值以及需要的附加模塊，然后重建模型即可快速得到新的客戶需求下的空氣凈化器裝配體，根據(jù)設(shè)計(jì)人員檢驗(yàn)，完全符合設(shè)計(jì)需求。

圖7 1100×330×330款空氣凈化器

圖8 800×300×330款空氣凈化器

圖9 700×270×270款空氣凈化器

L/mmW/mmH/mm右側(cè)通風(fēng)口左側(cè)通風(fēng)口是否含有輔熱是否含有靜電除塵圖711003303308行4列8行6列是是圖88003003308行4列8行6列是否圖97002702707行3列7行5列否否

當(dāng)設(shè)計(jì)人員根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求在界面輸入相應(yīng)的參數(shù)值等變換后，例如圖8、圖9數(shù)據(jù)相對(duì)圖7的尺寸變動(dòng)以及功能更改，系統(tǒng)皆可以快速完成模型的更改(表2僅列出了幾個(gè)較為重要的參數(shù)變動(dòng)，其余微小調(diào)整不一一贅述)。

至此，整個(gè)設(shè)計(jì)工作的參數(shù)設(shè)置完成。把實(shí)例庫中的原型模型存放到指定路徑下，點(diǎn)擊生成三維模型，在進(jìn)行模型的驅(qū)動(dòng)和模型信息修改，生成新產(chǎn)品設(shè)計(jì)。整個(gè)過程如圖10所示。

圖10 設(shè)計(jì)流程總覽

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與實(shí)例應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)個(gè)性化制定

本文中所開發(fā)的空氣凈化器參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要是針對(duì)同一產(chǎn)品，在結(jié)構(gòu)大致相同的基本條件下，通過修改模型基本尺寸，自動(dòng)完成產(chǎn)品模型中相關(guān)部分改動(dòng)，通過模型驅(qū)動(dòng)從而生成所需三維模型，若當(dāng)前生成的模型尺寸不能達(dá)到用戶要求，設(shè)計(jì)人員仍然可以進(jìn)一步修改模型幾何尺寸來驅(qū)動(dòng)模型實(shí)現(xiàn)滿足客戶需求。本文所開發(fā)的系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于合作企業(yè)的設(shè)計(jì)工作，系統(tǒng)完美的解決了以往工程師重復(fù)設(shè)計(jì)工作的問題。

圖11 零部件設(shè)計(jì)界面

圖12 用戶輸入操作界面

此參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括零部件設(shè)計(jì)界面以及用戶輸入操作界面，如圖11、圖12所示，零部件設(shè)計(jì)界面用于更改各零部件主控參數(shù)值及建立新的三維模型等功能。左邊的預(yù)覽圖可以預(yù)覽此時(shí)選中零件。點(diǎn)擊三維模型按鈕，可以打開樹控件中當(dāng)前選中零件，列表控件顯示該零件的參數(shù)值。用戶輸入操作界面用于提示用戶輸入設(shè)計(jì)要求，并進(jìn)行連接Solidworks進(jìn)程、推理計(jì)算、模型驅(qū)動(dòng)、干涉檢查、保存模型等操作。流體體積框可以計(jì)算出此款空氣凈化器內(nèi)部流動(dòng)體積，以供設(shè)計(jì)人員參考。

而對(duì)于本文設(shè)計(jì)的幾款空氣凈化器，經(jīng)過CFD分析，其中兩款由于流道結(jié)構(gòu)的不足，而導(dǎo)致通過濾芯的風(fēng)量并不均勻，濾芯壽命嚴(yán)重降低，本系統(tǒng)為了解決此種問題，在高效過濾模塊設(shè)計(jì)界面中內(nèi)嵌了模型檢驗(yàn)系統(tǒng)(由于空氣凈化器自高效過濾模塊前的所有結(jié)構(gòu)均較優(yōu)良，所以只截取高效過濾模塊制作檢驗(yàn)系統(tǒng))，如圖13所示。

圖13 模型檢驗(yàn)系統(tǒng)

設(shè)計(jì)人員可通過檢驗(yàn)系統(tǒng)輸入之前系列化設(shè)計(jì)系統(tǒng)計(jì)算得出的高效過濾模塊的各項(xiàng)參數(shù)，而后快速生成簡(jiǎn)化模型并調(diào)用SolidWorks內(nèi)嵌的Flow Simulation插件，進(jìn)行流動(dòng)仿真分析。通過分析計(jì)算，得出對(duì)比質(zhì)量流率、流量均勻度、流體速度等參數(shù)，來評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣性。如檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)不符合要求，則可以在輸入框中根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)改動(dòng)基本參數(shù)，再次驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，合格后則可以裝配至原裝配體替換原模塊，并在系統(tǒng)中將基本數(shù)據(jù)錄入以供下次參考。

3.2 生成實(shí)例

圖14為系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例圖，根據(jù)用戶輸入的基本參數(shù)生成總體外框結(jié)構(gòu)，首先確定規(guī)格和初始參數(shù)，計(jì)算每個(gè)特征的特征參數(shù)，然后通過個(gè)性化定制系統(tǒng)將影響產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)主動(dòng)參數(shù)逐級(jí)傳遞到每個(gè)零件，每個(gè)零件通過形狀變化映射到相應(yīng)部件，最后將框架模塊、風(fēng)機(jī)模塊、預(yù)處理模塊、高效過濾模塊相互配合，完成整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。輔之利用文件庫系統(tǒng)與CFD檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)空氣凈化器結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步個(gè)性化完善，得到最終設(shè)計(jì)產(chǎn)品。

圖14 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例圖

最后通過利用該系統(tǒng)對(duì)空氣凈化器4大模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)建模并與人工計(jì)算參數(shù)建模所需時(shí)間進(jìn)行對(duì)比分析。如表3測(cè)試結(jié)果表明(開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-SD，人工設(shè)計(jì)-AD)，該空氣凈化器系列化設(shè)計(jì)系統(tǒng)使空氣凈化器產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率得到有效提升，平均每款產(chǎn)品的的研發(fā)時(shí)間可以節(jié)省86%。

表3 設(shè)計(jì)時(shí)間對(duì)比

4 結(jié)論

本文針對(duì)空氣凈化器設(shè)計(jì)過程中，提出了對(duì)空氣凈化器模塊分類的設(shè)計(jì)理念，運(yùn)用了尺寸傳遞、參數(shù)關(guān)聯(lián)、建立庫系統(tǒng)、檢驗(yàn)系統(tǒng)等重要方法，使產(chǎn)品信息化、模塊化、科學(xué)化?；谘b配體的參數(shù)化設(shè)計(jì)，建立了一套針對(duì)空氣凈化器的系列化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

(1)本文所開發(fā)的系列化設(shè)計(jì)系統(tǒng)解決了以往空氣凈化器設(shè)計(jì)工作中重復(fù)工作較多，設(shè)計(jì)過程繁瑣冗余等缺點(diǎn)，從而達(dá)到高效設(shè)計(jì)的目的，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間、研發(fā)成本。經(jīng)過檢驗(yàn)得出遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于空氣凈化器傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程。

(2)本文中提出了以自建庫系統(tǒng)來管理不能通過傳統(tǒng)系列化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的零部件。此庫系統(tǒng)可適用于空氣凈化器此類組合化設(shè)計(jì)產(chǎn)品，既可方便企業(yè)的產(chǎn)品管理，亦可提高設(shè)計(jì)效率。并且同時(shí)在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中提供CFD檢驗(yàn)系統(tǒng)，以供快速簡(jiǎn)化系統(tǒng)、檢驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒂涗浐细駭?shù)據(jù)。此舉使設(shè)計(jì)工作更加合理科學(xué)，對(duì)類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作具有借鑒意義。