基于Creo的参数化设计在空调定制中的应用

崔梓华 汪剑鑫

（广东申菱环境系统股份有限公司 广东省佛山市 528313）

1 导言

近四十年来，中国空调无论是市场规模还是科技实力均得到较大发展，市场越发成熟。但当标杆企业的创新能力跑不过模仿能力时，产品同质化将日益严重，竞争日趋激烈。2019年因空调库存高企展开了价格大战，拉起了空调市场从增量时代到存量时代的序幕，竞争进入白热化阶段。企业若不仔细研究市场变化、面向客户定制、加快技术创新和产品升级，不改变传统的库存销售模式将举步维艰。德国2013年提出“工业4.0”闻名于世，概念包含了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。这种生产模式具有高度的灵活性，能够满足每个客户的“定制需求”。然而，定制化有产品种类多，订单批量小、批次多，制造成本高的特点，企业需采取“大规模定制”方法予以解决，它要求厂商有更高的定制开发能力和生产管理能力。尤其产品研发部门，需有精准的产品定位和规划、适合的设计理念、高效灵活的设计工具，才能“以最小的变形设计、最少的零部件，定制出更多的产品”实现大规模定制的目标。实践证明，基于Creo的参数化设计在空调定制中有较高的应用价值。

2 基于Creo的参数化设计

参数化设计（Parameric Design）也称变量化设计（Variational Design）是美国麻省理工学院Gossard 教授提出的，近几十年是CAD 领域里的一大研究热点。如图1，参数化设计它是通过定义产品或零部件的模板文件，用变量x、y、z 来关联零部件的尺寸、特征。编写逻辑规则和参数，定义模板零部件参数与用户输入输出的关系，输出规则文件。参数化程序读取模板零部件和规则文件，自动运行并生成生产加工所需要的图文及BOM 等资料。

Creo 软件是美国PTC 公司于2010年推出CAD 设计软件。Creo 是整合了PTC 公司的三个软件Pro/e 的参数化技术、CoCreate的直接建模技术和PruductView 的三维可视化技术的新型CAD 设计软件。基于Creo 平台的参数化设计，由超级BOM、模型库、设计参数规则表三大要素构成，实现输入参数即可自动生成相应的三维模型、BOM、工程图等成套数据，支持实时预览，所见即所得的体验让设计变得简单、直观、快捷、准确。

3 空调定制

按制冷原理，空调器主要由压缩机、蒸发器、冷凝器、节流装置四大件构成，如图2；辅以管路、阀门、控制系统、框架结构、防护等器件构成完整的系统。设计人员根据器件的选型、组合、配置、结构布置、安装方式等因素，衍生出不同类型、不同尺寸、样式繁多的空调器。目前空调主要分家用空调和中央空调。家用空调常见的产品有窗机、风管机、座吊机、天花机等；中央空调主流产品有离心机、风冷螺杆机、水冷螺杆机、模块机、多联机、溴化锂、单元机、末端、两联供机组（含户式水机）等。随着人们对美好生活的向往，对生活、办工、学习、文娱等室内环境也提出更多要求，希望所到之处均能获得舒适、健康、节能、环保、高效、智能的美好体验。因此，新的制冷技术、智能控制技术、节能技术、新材料、新工艺等均在不断地涌现、创新和应用，最终通过定制空调产品为人们提供更优质的服务。

表1：空调设计的条件

表2：某类换热器的设计参数

表3：空调中部分零部件的设计对比

图1：参数化模型

图2：制冷原理图

图3：参数化平台搭建流程

供应厂商为满足用户的需求，需进行适应性、差异化定制。根据用户所在地理位置、气候条件、地区法律法规、所属行业、能效环保要求、场地安装、用途和其他特殊要求等因素确定产品的基本形态或技术解决方案，设计开发人员以此构建或匹配出适合的产品以满足客户要求。如空调位于海岸潮湿地区则需要增加防腐、防锈；位于沙漠干旱地区则需增加防尘、防沙，医用手术室则需有恒温恒湿、清洁、杀菌抗菌、安静等要求。空调设计的条件如表1所示。

空调定制的一般特点是进行适应性差异化产品开发，而非进行颠覆性技术革新或研发另类产品。如空调机组中的翅片式换热器，常见的结构只有直板型、V 型、U 型三种。在同类或近似的产品族中，它的结构相近，有相同的设计规律可循；在定制时亦可遵循同样的规律进行变形设计。翅片式换热器的功能主要由设计参数描述，如蒸发温度和冷凝温度、过热度和过冷度、换热器风速、管径和厚度、行距X 排距、翅片材质规格、管路结构、流路设计等，它们均是通过传热管、翅片、小弯头、进出口集管、端板、分流头、框架等结构设计实现。如表2所示。

4 参数化设计平台搭建过程及说明

在实际生产过程中，目标市场中的客户对产品功能需求一般是相同或类似的，但因对定制需求的不同理解，且没有统一规则的平台工具，不同的设计人员会提供不同的设计方案；也会出现同一批设计人员在不同时段因为忘记或无法找到原来方案，重新设计新的方案，导致重复设计，零部件数量呈几何式增长，无法实现批量化制造或采购，除生产效率不高外，管理成本还会上升。因此，为在要求快速变形设计的同时，避免重复或相似设计，提高设计、生产效率，实现大规模定制，可以引入参数化设计方法。

如某类换热器，以空调产品规划和定位为前提，先完成零部件的功能界定与模块划分，优化配置和结构；随后，按参数化平台搭建流程执行（如图3），分析各零部件的通用性与专属性，理清零部件之间的从属关系、关联关系，编写设计规则文件、创建模板文件（3D 模型等）、搭建超级BOM，配置用户界面（如图4），完成平台建设。参数化建模设计是利用参数、关系、约束等将设计者的设计意图融入到建模的过程中，利用之前创建好的模型，采用参数驱动的方法实现模型的快速重构。设计者无需像使用三维设计软件绘制模型的那样，要输入各个尺寸的数值、调整各零部件的装配位置、标识各种特征等一系列繁琐、重复的工作；它直接通过值列表的方式，由参数驱动设计和输出，完成产品或零部件的快速建模、BOM、工程图、工艺文件等资料输出。

5 参数化平台设计流程

产品生命周期管理的核心是对产品数据的管理。基于Creo 的参数化设计可以与PLM 系统进行集成，使参数化输入端的操作界面嵌于PLM 系统上，建成如图4 一样的可视化、易操作的用户界面，将设计输出的相关资料通过接口集成、储存在PLM 的系统，便于资料集中、统一管理。参数化设计操作流程如图5，登录PLM系统选择打开参数化平台，在用户界面上输入产品的设计参数，驱动平台计算或判断，生成或搜索所需的零部件规则文件，Creo 软件自动参数化模型变形设计，自动输出成套的模型、工程图、BOM等技术资料，最后保存上传致PLM 系统。大量的设计工作交给参数化平台实现，设计人员可以将节约的时间用于产品的方案验证、技术创新、质量改善、新技术应用等方面，以提高产品竞争力。

6 参数化设计的效果

参数化设计是实现大规模定制的有效方法。它不仅在很大程度上能满足客户的个性化需求，也能在一定程度上改善制造厂商因定制带来的物料种类多、仓储成本高、采购单件量少价高、生产效率低等困扰；如不改善，其居高不下的运营成本必将影响到企业发展，甚至拖垮企业。参数化能为大规模定制提供一个平衡。建议组建一支由产品企划、技术、工艺等人员组成的团队，对目标市场的需求、产品定位、产品构建和生产条件等进行充分剖析和研究，应用标准化原则和方法，对产品及其零部件进行系列化、通用化、组合化的安排，定义通用接口实现互换性，最后以组合、配置的方式设计出产品，实现“以最小的变形设计、最少的零部件，定制出更多的产品”的目标。

如某空调的室外机，划分底座、换热器、系统管路、风机架、电控箱等29 个较大部件或模块，如图6 示例，各部件均可实现参数化设计，29 个部件可实现2916 种组合结果，客户有更多的选择。

参数化设计能较大提升设计效率。常规的空调产品设计输出包括：BOM、3D 模型、工程图、开料图纸等资料，有传统的二维、三维设计或3D 设计软件与PLM 系统集成设计、参数化设计等方式。经比较，以参数化设计方式生成和修改模型的速度远比其他的设计方式更方便、高效；尤其在产品系列化设计、快速变形设计的应用中优势更加明显，如表3所示数据。

图4：某换热器参数化平台用户界面

图5：参数化平台设计流程

图6：室外机及关键部件示例

图7：基于参数化派生设计变更计6570

图8：参数化新增物料统计

参数化设计能较大提高设计质量。ETO 生产模型下，产品定制化程度高，产品种类多、订量小、批次多的特点突出，客户对产品价格、交付、质量等要求却未曾降低标准，对厂商而言是一个很大的挑战。其中，设计者需要在较短的时间内完成大量的设计工作，使用传统的二维、三维设计方法已难以应对，不仅慢而且设计错漏的可能性很大。设计错漏问题无论大小，都会给生产制造带来较大的影响，应用参数化设计则能获得较大程度的改观。如图7，2019年6月建成某类产品的参数化设计平台，经试用优化后，9-10月全面推广至第一个产品室，2020年5-6月推广至第二个产品室。ECN数突增的月份正与新用户使用对应，新用户一旦熟悉掌握技能，设计错漏便减少。经过一年多的应用推广，此类产品的ECN 数呈现下降趋势，相较2018年ECN 数约300 次/月，设计质量有显著提高。

参数化设计能较大程度减少重复设计。基于Creo 参数化平台设计，它能通过参数驱动设计，快速生成模型组成模型库，随着使用的人越多、越久，模型库也会越来越丰富；同时，基于参数化平台能找到模型库内符合要求的模型，设计者可直接借用已有的模型，避免重复设计，减少新物料。如图8，经过一段时间的应用后，参数化设计产生新物料的数量逐步下降，部分物料被重复使用的次数正在增加。

参数化设计在空调定制中应用方向是产品模块化，实现配置设计。空调定制不同于参数化在异形建筑、服装领域的应用，非线性设计较少，不过于追求酷炫。空调产品基于creo 的参数化设计的关联性虽然多、繁杂，但算法相对较为简单，属于低难度级别的参数化，但它的实用价值潜力巨大，不容忽视。参数化平台搭建时可综合应用简化、统一化、通用化、系列化、组合化的标准化方法，使其向产品模块化迈进。

7 结语

实践证明，基于Creo 参数化设计实现了人机结合，一键式绘图，省时省力；也避免重复设计，保证物料的唯一性，提高了物料重用率；实现三维模型、BOM、图纸成套输出，提高了设计的准确性。通过完成多个产品、零部件的参数化平台建设与应用，发现在设计效率与质量方面，参数化设计方式比传统的设计方式有着明显的优势，经济效益显著，是实现大规模定制的有效办法。另参数化平台更有利于技术升级和产品创新，参数化设计形成的模型库如知识的容器，模型库由设计部门事先对需求分析规划建立的，参数化建模的策略是用数值约束、几何约束和方程约束来说明产品模型的形状特征，是设计、工艺规范落实到生产过程中的有效办法；在应用延伸方面，参数化设计可与模块化设计、结构化工艺进行结合应用，能挖掘出更大的潜力和应用价值。