基于装配体的空气净化器系列参数化设计*

许海波，李九成

(合肥工业大学 机械工程学院，合肥 230009)

0 引言

近年来，由于国内空气质量问题日益受到大众重视，研究成果表明，长期暴露于细颗粒污染空气对心肺健康有极大不利影响[1]。工厂由于市场要求也陆续推出了不同系列款型，设计工作量越发繁重。

在造型设计方面，白俊红[2]从空气净化器的整体造型、内部功能结构、关键净化技术、色彩搭配、产品尺寸、操作易用性、使用环境等方面出发，设计了一款较为理想的小型台式居室空气净化器产品。

在总体结构设计方面，白志文等[3]通过对生活形态的研究分析及其典型用户分析,针对桌面空气净化器的消费者用户大体分为五种代表性的人群,并分析针对各种人群的特点设计了相应的桌面型绿色空气净化器。Hak[4]在净化器内添加了紫外线光室，位于靠近空气出口处，并在靠近排气口的位置安装了流量计，以提供空气流量的指示，来及时更换预过滤器或主过滤器。

由于空气净化器需要满足不同客户的需求，往往具有不同风量款型，但是目前空气净化器的系列化设计方面研究较少，同时，设计工作中零件重复率较高，针对此类问题，为了适应市场的要求，提高总体设计效率，同时为了避免设计过程中由于重复工作而导致的操作性失误，本文以一款市面上的空气净化器为例，提出一种基于装配体的系列化设计方法，并基于模块化管理思想设计出一套可以高效设计出一系列不同风量要求的空气净化器的系统。

1 空气净化器结构设计

1.1结构特点

本文以一款市面上的空气净化器为例，此空气净化器共由四部分组成，分别为进风口部分，包括进风口、进风控制装置；预处理部分，包括活性炭处理层、初步过滤层以及静电除尘层；风机装置部分，包括风机总成、风机控制装置；高效过滤部分，包括高效滤芯，以及辅助加热装置。室外污染空气依次通过4部分结构，最终到达室内得到洁净新鲜空气。具体结构见图1。

1.进风口 2.活性炭过滤层 3.初步过滤层 4.静电集尘装置 5.风机 6.辅热装置 7.高效滤芯图1 空气净化器基本结构

1.2 系列化设计要求

空气净化器结构较为多样，不同功能要求下，部件内容也会随之改变。往往对于同一系列净化器来说，大体部件是相同或相似的，只是不同风量要求下可能会有部分结构不同。如今，大多设计师仍然采取传统设计模式，导致设计工作重复率较高，从而设计工作周期较长，设计成本自然高居不下。参数化设计技术的设计对象一般结构形状比较定型,可以用一组参数来约定尺寸的关系。多数设计对象的控制尺寸有着对应关系,设计结果的修改受到尺寸驱动,所以也称为参数化尺寸驱动[5]。参数化设计就是通过参数化形式的建模来构造产品的几何模型。这里几何模型的参数应包括最能反映其结构的形状特征,即包括描述该模型几何结构的尺寸参数和模型拓扑结构的拓扑参数[6]。本文将提出的参数化设计系统与文件库系统，是为了应对上述问题，从而达到高效设计的目的，节省设计时间、研发成本。

2 空气净化器系列化设计的实现

2.1 系统总体架构

根据传统建模软件在建立空气净化器模型时的特点，设计过程中将产品设计知识抽取出来，组织并结合在一起，构成完整的知识模块，进一步通过求解知识模块得到新的产品[7]。形成空气净化器参数化设计框图如图2所示。

图2 空气净化器参数化设计框图

利用相关产品知识体系建立软件SolidWorks、Microsoft Access 及Visual C++ 之间的关系，构建空气净化器参数化设计系统，通过软件Visual C++ 编程软件设计出产品操作系统并无缝隙嵌入在SolidWorks软件平台，如图3所示，该架构是由用户层、开发层以及数据层之间相互建立逻辑关系，以提高企业产品设计效率和保证质量为目的，实现为用户搭建简单、快捷人机交互平台。

图3 系统架构图

2.2 文件库系统设计

由于空气净化器内部零件数量繁多、种类复杂，设计人员在设计工作中，并非任何模型都可以参数化，有一些对于产品整体尺寸关系比较弱的零部件，我们采用文件库设计方式。此时，一个便捷方便的库文件系统便变得尤其重要，而PDM系统对于普通设计人员来说过于繁琐。本文根据需求用C++6.0提供的树控件接口将Solidworks 的库文件加入程序框架，引用Solidworks的类对象和函数等进行二次开发[8]，库文件系统是为了能灵活配合空气净化器装配体模型中的部件，从而派生出各种空气净化器变形设计实例。在此库文件系统中，用户可以根据自己所定义的树状结构，根据关系结构逐级查找所需要的构件。库文件一旦加载至到目前的设计环境中,就会形成独立的实体，与库文件脱离关系。文件库系统数据逻辑结构如图4所示。

图4 文件库系统逻辑结构

库文件系统的维护功能可分为库文件目录添加、删除，库文件添加、删除、修改两个子功能模块，这为管理库文件数据提供了工具，用户可以随时方便、实时地更新库文件数据，清除数据库的冗余数据[9-10]。

2.3 设计方法

设计人员在产品设计开发之前，应将目标产品所需参数化产品和标准件模型与现有产品模型库进行对比。若产品模型库中存在相似产品文件，只需要通过调用现有参数直接生成所需产品；若产品模型库无法满足新产品需求，则需进行对产品中某些部件的重新设计。

本文选用基于装配体的系列化设计方法，用户根据自己需求，键入自己所需要的参数，运用知识推理，驱动模块参数，再传递给所有的参数化零件模型，根据之前建立的装配关系，进而改变整个装配模型[11]。系统中设计4种常见空气净化器产品模板，将产品模板存储系统数据库中，操作系统时，将产品模型备份，即将打开的零部件或产品模板备份到指定库文件夹下，留作数据库保存，这样不仅保证新设计产品独立性和完整性，而且也不会因操作不当影响整个产品设计。

设计工作的核心即建立用户输入的参数与参数化模型的主控参数之间的关联关系。

2.4 模块分类

基于模块化设计技术的产品配置生产方式具有较强的适应性和灵活性,可以缩短产品的设计和制造周期[12]。空气净化器的参数化设计过程是自上而下的参数传递过程[13]。而模块化设计正是承上启下的一环，尤为重要。如图5所示，本文将空气净化器分成框架模块、风机模块、预处理模块与高效滤芯模块4个模块。每个模块独立设计，模块参数由产品层参数所决定。模块下只含有零件，而不再包含部件，这样可以避免配合时可能产生的参数错误。

图5 空气净化器模块分类

2.5 尺寸传递结构设置及尺寸关系设定

本文采用对产品的装配体总体尺寸进行推理的改变方法，通过得到设计人员制定的风量设计以及框架外围尺寸，产品对应尺寸一同改变，能快速实现产品装配体系列化设计。选定底壳的长L、宽W、高H为主要参数，由此三个主要参数作为主动尺寸，在设计系统中设计出主动尺寸与其余模块尺寸的对应关系，再将模块尺寸传递给其下属所有零件。由于尺寸自由度数目为3，在各个模块中的尺寸自由度数目Xi也保证1≤Xi≤3，同理，零件的尺寸自由度Yij也应保证1≤Yij≤Xi。参数传递结构见图6。

图6 参数传递结构

本文在这里以预处理模块为例，设置长宽高尺寸为1000mm、328mm、230mm，部分设置尺寸关系见表1。

表1 部分尺寸关系设置

图7～图9显示了根据表2的要求参数传递的效果。根据设计需要输入基本参数值以及需要的附加模块，然后重建模型即可快速得到新的客户需求下的空气净化器装配体，根据设计人员检验，完全符合设计需求。

图7 1100×330×330款空气净化器

图8 800×300×330款空气净化器

图9 700×270×270款空气净化器

L/mmW/mmH/mm右侧通风口左侧通风口是否含有辅热是否含有静电除尘图711003303308行4列8行6列是是图88003003308行4列8行6列是否图97002702707行3列7行5列否否

当设计人员根据产品设计需求在界面输入相应的参数值等变换后，例如图8、图9数据相对图7的尺寸变动以及功能更改，系统皆可以快速完成模型的更改(表2仅列出了几个较为重要的参数变动，其余微小调整不一一赘述)。

至此，整个设计工作的参数设置完成。把实例库中的原型模型存放到指定路径下，点击生成三维模型，在进行模型的驱动和模型信息修改，生成新产品设计。整个过程如图10所示。

图10 设计流程总览

3 系统实现与实例应用

3.1 系统个性化制定

本文中所开发的空气净化器参数化设计系统主要是针对同一产品，在结构大致相同的基本条件下，通过修改模型基本尺寸，自动完成产品模型中相关部分改动，通过模型驱动从而生成所需三维模型，若当前生成的模型尺寸不能达到用户要求，设计人员仍然可以进一步修改模型几何尺寸来驱动模型实现满足客户需求。本文所开发的系统已经应用于合作企业的设计工作，系统完美的解决了以往工程师重复设计工作的问题。

图11 零部件设计界面

图12 用户输入操作界面

此参数化设计系统包括零部件设计界面以及用户输入操作界面，如图11、图12所示，零部件设计界面用于更改各零部件主控参数值及建立新的三维模型等功能。左边的预览图可以预览此时选中零件。点击三维模型按钮，可以打开树控件中当前选中零件，列表控件显示该零件的参数值。用户输入操作界面用于提示用户输入设计要求，并进行连接Solidworks进程、推理计算、模型驱动、干涉检查、保存模型等操作。流体体积框可以计算出此款空气净化器内部流动体积，以供设计人员参考。

而对于本文设计的几款空气净化器，经过CFD分析，其中两款由于流道结构的不足，而导致通过滤芯的风量并不均匀，滤芯寿命严重降低，本系统为了解决此种问题，在高效过滤模块设计界面中内嵌了模型检验系统(由于空气净化器自高效过滤模块前的所有结构均较优良，所以只截取高效过滤模块制作检验系统)，如图13所示。

图13 模型检验系统

设计人员可通过检验系统输入之前系列化设计系统计算得出的高效过滤模块的各项参数，而后快速生成简化模型并调用SolidWorks内嵌的Flow Simulation插件，进行流动仿真分析。通过分析计算，得出对比质量流率、流量均匀度、流体速度等参数，来评价结构的优劣性。如检验后发现不符合要求，则可以在输入框中根据设计经验改动基本参数，再次驱动模型进行检验，合格后则可以装配至原装配体替换原模块，并在系统中将基本数据录入以供下次参考。

3.2 生成实例

图14为系统应用实例图，根据用户输入的基本参数生成总体外框结构，首先确定规格和初始参数，计算每个特征的特征参数，然后通过个性化定制系统将影响产品总体结构主动参数逐级传递到每个零件，每个零件通过形状变化映射到相应部件，最后将框架模块、风机模块、预处理模块、高效过滤模块相互配合，完成整体结构设计。辅之利用文件库系统与CFD检测系统，对空气净化器结构进行进一步个性化完善，得到最终设计产品。

图14 系统应用实例图

最后通过利用该系统对空气净化器4大模块进行设计建模并与人工计算参数建模所需时间进行对比分析。如表3测试结果表明(开发系统设计-SD，人工设计-AD)，该空气净化器系列化设计系统使空气净化器产品设计效率得到有效提升，平均每款产品的的研发时间可以节省86%。

表3 设计时间对比

4 结论

本文针对空气净化器设计过程中，提出了对空气净化器模块分类的设计理念，运用了尺寸传递、参数关联、建立库系统、检验系统等重要方法，使产品信息化、模块化、科学化。基于装配体的参数化设计，建立了一套针对空气净化器的系列化设计系统。

(1)本文所开发的系列化设计系统解决了以往空气净化器设计工作中重复工作较多，设计过程繁琐冗余等缺点，从而达到高效设计的目的，节省设计时间、研发成本。经过检验得出远远优于空气净化器传统设计流程。

(2)本文中提出了以自建库系统来管理不能通过传统系列化设计方法设计的零部件。此库系统可适用于空气净化器此类组合化设计产品，既可方便企业的产品管理，亦可提高设计效率。并且同时在设计系统中提供CFD检验系统，以供快速简化系统、检验模型、记录合格数据。此举使设计工作更加合理科学，对类似产品的设计工作具有借鉴意义。