Exploring of Rapid Sample Product Trial Manufacture Technique for Water Meter New Products
姚 靈 王開拓 徐 亮
寧波水表股份有限公司
（浙江省 寧波市 315032）
(Ningbo Water Meter Co.,Ltd Yaoling Wangkaituo Xuliang)
摘要：對(duì)當(dāng)前水表新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與樣機(jī)試制工作中存在著諸如開發(fā)周期長(zhǎng)、開發(fā)效率低、人工參與多等現(xiàn)狀，提出了基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真、虛擬裝配與優(yōu)化、快速加工與測(cè)量為主體的水表新產(chǎn)品快速試樣技術(shù)的觀點(diǎn)和方法。某些技術(shù)已應(yīng)用于實(shí)際工作中，并已取得一定的成效。
Abstract: This paper advances the viewpoints and methods of the rapid sample product trial manufacture technique for water meter new products on CAD and simulation, computer virtual assembling and optimizing, rapid machining process and measurement etc. as the design and sample product trial manufacture process of water meter new products are long for product development period, low for product development efficiency, many for manual work take part in the present time.
關(guān)鍵詞： 水表設(shè)計(jì) 樣機(jī)試制 快速試樣技術(shù) 計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù) 快速加工技術(shù)
Keywords: Water meter design Sample product trial manufacture Rapid sample product trial manufacture technique Computer virtual reality technique Rapid machining process technique
一．概 述
水表產(chǎn)品量大面廣，門類齊全（包括：機(jī)械水表、電子水表以及帶電子裝置水表等），不但用于水費(fèi)的貿(mào)易結(jié)算而且還用于工農(nóng)業(yè)用水量的過程控制。它在科學(xué)用水、合理用水等方面的重要作用正在被人們所認(rèn)識(shí)。如何提高水表新產(chǎn)品的開發(fā)效率和質(zhì)量，縮短開發(fā)周期，滿足國內(nèi)外水業(yè)用戶不斷增長(zhǎng)的新需求，是擺在水表制造企業(yè)面前的一項(xiàng)重要課題和任務(wù)。
當(dāng)前絕大多數(shù)水表企業(yè)試制新產(chǎn)品樣機(jī)基本上都是沿用傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和樣機(jī)試制方法，其流程如圖1。整個(gè)試樣過程比較漫長(zhǎng)且不確定因素較多，試樣進(jìn)度和質(zhì)量往往與設(shè)計(jì)、研制以及加工、裝配人員的工作經(jīng)驗(yàn)和業(yè)務(wù)素養(yǎng)有關(guān)，也與模具制造技術(shù)的快速、有效性有關(guān)。對(duì)經(jīng)驗(yàn)不多、試制工作量較大的樣機(jī)，從用戶提出需求到符合要求的樣機(jī)出廠，期間需化較長(zhǎng)時(shí)間。這種模式的試樣方法已嚴(yán)重阻礙了水表產(chǎn)品技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，也滿足不了供排水行業(yè)對(duì)水計(jì)量?jī)x表新產(chǎn)品需求的迫切愿望。為此應(yīng)設(shè)法尋求創(chuàng)新與突破。
二．快速試樣技術(shù)的涵義
快速試樣技術(shù)就其本質(zhì)特征是設(shè)計(jì)理念和制造技術(shù)上的重大創(chuàng)新和變革。它利用當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)、虛擬裝配和優(yōu)化技術(shù)、快速加工和測(cè)量技術(shù)等先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造的理念和方法，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、裝配、測(cè)量、試驗(yàn)等過程實(shí)行全面的計(jì)算機(jī)參與和管理，使新產(chǎn)品開發(fā)速度加快，質(zhì)量提高，樣品交付期縮短。
圖1
（傳統(tǒng)水表產(chǎn)品設(shè)計(jì)和樣機(jī)試制流程圖）
水表快速試樣技術(shù)可以包含：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（產(chǎn)品及零部件的幾何結(jié)構(gòu)、形狀設(shè)計(jì)，性能、強(qiáng)度仿真設(shè)計(jì)，材料優(yōu)化選用等），計(jì)算機(jī)虛擬裝配（產(chǎn)品零部件及整機(jī)的裝配關(guān)系、配合精度、傳動(dòng)特性的驗(yàn)證等），計(jì)算機(jī)輔助制造（輔助設(shè)計(jì)與虛擬裝配驗(yàn)證后數(shù)據(jù)連接到快速原型和快速加工設(shè)備，進(jìn)行快速加工或快速開制模具），計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量（在自動(dòng)調(diào)校和測(cè)量裝置上對(duì)實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行快速調(diào)整和測(cè)量）等技術(shù)。
但當(dāng)前快速試樣技術(shù)還離不開人工干預(yù)和參與，尚需人的經(jīng)驗(yàn)和管理。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，采用以設(shè)計(jì)為中心，以數(shù)字化原型（虛擬樣機(jī)或數(shù)字樣機(jī)）全面代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)物模型，在數(shù)字狀態(tài)下進(jìn)行產(chǎn)品靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能仿真，自動(dòng)地不斷完善原始設(shè)計(jì)直至產(chǎn)品性能最優(yōu)化，使新產(chǎn)品開發(fā)一次成功的虛擬制造技術(shù)也不是一件遙遠(yuǎn)的事[1]。
三．實(shí)現(xiàn)快速試樣技術(shù)的途徑和方法
就水表產(chǎn)品而言，零部件絕大部分用的是工程塑料材料，而且產(chǎn)品中的部分結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)形式是基本不變的。隨著顧客需求的多樣化，產(chǎn)品需要改變的往往是：水表整機(jī)某些性能指標(biāo)、部分零部件的尺寸與形體、配合精度、材料特性、以及部分產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)等。原先試樣速度慢的瓶頸主要集中在：由于對(duì)某些產(chǎn)品缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)（如初次接觸到的新產(chǎn)品），為達(dá)到產(chǎn)品性能指標(biāo)需要在試制過程中進(jìn)行多次設(shè)計(jì)修改與調(diào)整；精密注塑模具的制造及修改周期長(zhǎng)；塑料零件的形體與尺寸必須待模具制作完成后方能進(jìn)行檢驗(yàn)與驗(yàn)證；對(duì)產(chǎn)品性能的調(diào)校與檢測(cè)速度慢等等。
為使水表產(chǎn)品試樣一次成功和性能達(dá)到最優(yōu)化，今后水表產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與研制將會(huì)逐步實(shí)現(xiàn)：表體計(jì)量腔內(nèi)流體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬，以及流體動(dòng)力性能評(píng)估、優(yōu)化及預(yù)測(cè)；產(chǎn)品幾何形狀及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬與仿真分析，以及結(jié)構(gòu)性能評(píng)估、優(yōu)化及預(yù)測(cè)；產(chǎn)品制造過程仿真及自動(dòng)化等以數(shù)字技術(shù)為主體的開發(fā)全過程[2]。
要改變當(dāng)前水表產(chǎn)品試樣速度慢的現(xiàn)狀，已有如下方法和途徑可供參考使用。
1． 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真
目前通用的CAD軟件（如Pro/Engineer、Unigraphics NX、CAD-AM等）已能基本解決水表產(chǎn)品零部件的幾何形狀及結(jié)構(gòu)特性等的設(shè)計(jì)問題，同時(shí)還具備了基本的結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬和仿真分析等功能。
水表內(nèi)部流場(chǎng)的計(jì)算機(jī)仿真是建立在計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD），以及流體動(dòng)力性能預(yù)測(cè)和優(yōu)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析的計(jì)算機(jī)輔助工程分析（CAE）之上[3]。國內(nèi)目前尚未有商用的機(jī)械水表和電子水表的CAE軟件，但有相關(guān)軟件可供參考使用（如：用于葉輪式流體機(jī)械的仿真軟件:CFX-TascFlow、FineTM/Design3D、CoreBox，以及各高校、研究單位各自開發(fā)的專業(yè)流場(chǎng)仿真軟件等）。
推廣數(shù)字化仿真技術(shù)，可以在無需建造物理樣機(jī)以及進(jìn)行物理測(cè)試前提下，事前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷和錯(cuò)誤，或者預(yù)測(cè)產(chǎn)品性能，從而能極大地降低產(chǎn)品開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。該技術(shù)必將成為水表新產(chǎn)品今后開發(fā)工作中不可缺少的重要技術(shù)手段之一。
2． 計(jì)算機(jī)虛擬裝配與驗(yàn)證
水表產(chǎn)品是由多個(gè)零部件精密裝配而成的。為了評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性和部件裝配的準(zhǔn)確合理性，需要在已完成三維幾何設(shè)計(jì)的零部件數(shù)字化模型基礎(chǔ)上，定義它們之間的裝配、功能、位置、公差以及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)等關(guān)系，并在計(jì)算機(jī)中建立起產(chǎn)品完整的幾何模型及約束條件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行虛擬裝配和驗(yàn)證。
目前主流的三維CAD軟件中都有輔助裝配工具。Unigraphics NX有強(qiáng)大的裝配功能，所有零件的虛擬裝配和驗(yàn)證均可使用其Assembly Modeling和 Advanced Assemblies模塊來實(shí)現(xiàn)。
3．零件的快速加工與檢驗(yàn)
計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和虛擬裝配驗(yàn)證后生成的三維零件實(shí)體模型數(shù)據(jù)，經(jīng)過專用軟件處理后自動(dòng)生成加工中心能夠識(shí)別的加工信息進(jìn)行快速零件加工；同時(shí)，通過對(duì)零部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和工作環(huán)境條件的仿真分析和材料優(yōu)化，選擇出合適的工程塑料樣塊作為加工坯料。
在線檢測(cè)儀器和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可對(duì)加工過程或完工零件的關(guān)鍵尺寸、形位偏差、表面粗糙度等指標(biāo)進(jìn)行快速測(cè)量和檢驗(yàn)，判斷零件加工過程和完工狀態(tài)的準(zhǔn)確性。
4．塑料模具快速設(shè)計(jì)與制造
當(dāng)前Pro/E軟件在注塑模具的設(shè)計(jì)、分析方面具有快速高效性，其Pro/Modesign和Mold Filling Simulation Option模塊可以對(duì)注塑模具模腔、流道等的結(jié)構(gòu)以及流動(dòng)功能等進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析；專業(yè)用于注塑成型流動(dòng)分析軟件MoldFlow不僅能優(yōu)化注塑零件設(shè)計(jì)方案，還能優(yōu)化注塑模具結(jié)構(gòu)和注塑工藝參數(shù)，其MPA、MPI、MPX模塊可以分別對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案、注塑工藝過程、以及工藝參數(shù)和注塑質(zhì)量進(jìn)行模擬、分析、設(shè)計(jì)、優(yōu)化和監(jiān)控[4]。
注塑模具快速制造目前采用較多的方案是快速原型技術(shù)。
5．計(jì)算機(jī)快速調(diào)校與測(cè)量
成臺(tái)的水表整機(jī)產(chǎn)品須經(jīng)性能調(diào)試和測(cè)量方能完成樣機(jī)的全部試制工作。采用標(biāo)準(zhǔn)比較法的計(jì)算機(jī)快速調(diào)校技術(shù)和計(jì)算機(jī)自動(dòng)讀數(shù)與自動(dòng)控制測(cè)量過程的水表性能快速測(cè)量技術(shù)是一種非常有效的測(cè)量方法。
水表產(chǎn)品樣機(jī)的快速設(shè)計(jì)、制造和測(cè)量過程可用圖2來表述。
圖2
（采用快速樣機(jī)試制技術(shù)的工作流程圖）
四．快速試樣技術(shù)的部分實(shí)踐
1.水表某零件設(shè)計(jì)與快速加工舉例：
首先用Unigraphics NX對(duì)水表某零件進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)后的零件形狀見圖3）；接著用Mastercam軟件進(jìn)行數(shù)控加工指令編程（圖4和圖5是該軟件自動(dòng)生成加工指令過程中的部分示意圖和模擬刀具加工的視頻展示圖）；最后將指令文件輸入加工中心即可完成對(duì)該零件的自動(dòng)快速加工。
圖3（水表某零件三維結(jié)構(gòu)圖）圖4（自動(dòng)生成加工指令的示意圖）圖5（模擬刀具加工的展示圖）
2.射流水表流場(chǎng)仿真舉例：
圖6（a）為射流水表流場(chǎng)的仿真圖。經(jīng)計(jì)算機(jī)仿真（采用FLUENT軟件）,流場(chǎng)的分布狀況非常清晰直觀，并能通過顏色反映某一時(shí)刻、某一位置流速的強(qiáng)弱情況。圖6（b）反映出射流水表主通道附近流速的周期性變化及強(qiáng)度值，為準(zhǔn)確放置流速傳感器指明了方向。
（a）（射流水表流場(chǎng)仿真圖）
（b）（射流水表主通道附近流速變化圖）
圖6
3.水表某殼體內(nèi)部承壓仿真舉例：
圖7中水表殼體內(nèi)的顏色差異表明用計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)時(shí)表殼內(nèi)部承受不同壓力的分布情況。圖的左邊色標(biāo)柱量值為：0～150MPa，紅色（色標(biāo)柱上端部）壓力為最大，藍(lán)色（色標(biāo)柱下端部）為最小。仿真結(jié)果對(duì)水表殼體的強(qiáng)度設(shè)計(jì)具有明確的指導(dǎo)作用。
圖7
（計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)時(shí)表殼內(nèi)部承受不同壓力的分布圖）
4.水表某部件虛擬裝配舉例：
應(yīng)用Unigraphics NX裝配功能，可進(jìn)行虛擬裝配與間隙干涉驗(yàn)證。圖8～圖10是某水表產(chǎn)品部件的部分裝配過程，包含了約束關(guān)系的建立和間隙干涉的驗(yàn)證（其中：圖8是葉輪盒與濾水網(wǎng)部件之間裝配約束關(guān)系的建立；圖9是葉輪與葉輪盒部件之間裝配約束關(guān)系的建立；圖10是裝配零件之間硬干涉分析）。
圖8（葉輪盒與濾水網(wǎng)部件之間裝配約束關(guān)系圖）
圖9（葉輪與葉輪盒部件之間裝配約束關(guān)系圖）
圖10（裝配零件之間硬干涉分析圖）
五．結(jié) 語
快速試樣技術(shù)的發(fā)展和完善為提高水表產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平、加快水表新產(chǎn)品樣機(jī)試制速度、提高試制質(zhì)量和效率提供了有效的途徑和方法，也為用戶在較短時(shí)間內(nèi)得到高質(zhì)量的樣品以及有相同品質(zhì)保證的成批產(chǎn)品提供了有效保障。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿真和優(yōu)化技術(shù)、快速零件和模具加工等技術(shù)的快速發(fā)展，以及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）等相關(guān)學(xué)科理論在水表產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用中的步伐加快，必將推動(dòng)水表產(chǎn)品快速試樣技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善。
（注：本文未對(duì)水表傳感與信號(hào)處理部分的快速試樣技術(shù)展開討論，僅局限于機(jī)械結(jié)構(gòu)部分。）
主要參考資料：
1.張樹生、楊茂奎、朱名銓等.《虛擬制造技術(shù)》.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006.2
2.賴喜德.《葉片式流體機(jī)械的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造》.成都：四川大學(xué)出版社，2007.10
3.王福軍.《計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用》.北京：清華大學(xué)出版社，2004.9
4.肖愛民、戴峰澤、袁鐵軍等.《Pro/E注塑模具設(shè)計(jì)與制造》.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.12
