Exploring of Rapid Sample Product Trial Manufacture Technique for Water Meter New Products
姚 灵 王开拓 徐 亮
宁波水表股份有限公司
（浙江省 宁波市 315032）
(Ningbo Water Meter Co.,Ltd Yaoling Wangkaituo Xuliang)
摘要：对当前水表新产品的设计与样机试制工作中存在着诸如开发周期长、开发效率低、人工参与多等现状，提出了基于计算机辅助设计与仿真、虚拟装配与优化、快速加工与测量为主体的水表新产品快速试样技术的观点和方法。某些技术已应用于实际工作中，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.
关键词： 水表设计 样机试制 快速试样技术 计算机虚拟技术 快速加工技术
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
水表产品量大面广，门类齐全（包括：机械水表、电子水表以及带电子装置水表等），不但用于水费的贸易结算而且还用于工农业用水量的过程控制。它在科学用水、合理用水等方面的重要作用正在被人们所认识。如何提高水表新产品的开发效率和质量，缩短开发周期，满足国内外水业用户不断增长的新需求，是摆在水表制造企业面前的一项重要课题和任务。
当前绝大多数水表企业试制新产品样机基本上都是沿用传统的产品设计和样机试制方法，其流程如图1。整个试样过程比较漫长且不确定因素较多，试样进度和质量往往与设计、研制以及加工、装配人员的工作经验和业务素养有关，也与模具制造技术的快速、有效性有关。对经验不多、试制工作量较大的样机，从用户提出需求到符合要求的样机出厂，期间需化较长时间。这种模式的试样方法已严重阻碍了水表产品技术的进步和发展，也满足不了供排水行业对水计量仪表新产品需求的迫切愿望。为此应设法寻求创新与突破。
二．快速试样技术的涵义
快速试样技术就其本质特征是设计理念和制造技术上的重大创新和变革。它利用当今计算机辅助设计与仿真技术、虚拟装配和优化技术、快速加工和测量技术等先进设计与制造的理念和方法，对产品的设计、制造、装配、测量、试验等过程实行全面的计算机参与和管理，使新产品开发速度加快，质量提高，样品交付期缩短。
图1
（传统水表产品设计和样机试制流程图）
水表快速试样技术可以包含：计算机辅助设计（产品及零部件的几何结构、形状设计，性能、强度仿真设计，材料优化选用等），计算机虚拟装配（产品零部件及整机的装配关系、配合精度、传动特性的验证等），计算机辅助制造（辅助设计与虚拟装配验证后数据连接到快速原型和快速加工设备，进行快速加工或快速开制模具），计算机辅助测量（在自动调校和测量装置上对实物样机进行快速调整和测量）等技术。
但当前快速试样技术还离不开人工干预和参与，尚需人的经验和管理。随着计算机技术的迅速发展，采用以设计为中心，以数字化原型（虚拟样机或数字样机）全面代替传统实物模型，在数字状态下进行产品静态和动态性能仿真，自动地不断完善原始设计直至产品性能最优化，使新产品开发一次成功的虚拟制造技术也不是一件遥远的事[1]。
三．实现快速试样技术的途径和方法
就水表产品而言，零部件绝大部分用的是工程塑料材料，而且产品中的部分结构与传动形式是基本不变的。随着顾客需求的多样化，产品需要改变的往往是：水表整机某些性能指标、部分零部件的尺寸与形体、配合精度、材料特性、以及部分产品的结构等。原先试样速度慢的瓶颈主要集中在：由于对某些产品缺乏设计经验（如初次接触到的新产品），为达到产品性能指标需要在试制过程中进行多次设计修改与调整；精密注塑模具的制造及修改周期长；塑料零件的形体与尺寸必须待模具制作完成后方能进行检验与验证；对产品性能的调校与检测速度慢等等。
为使水表产品试样一次成功和性能达到最优化，今后水表产品的设计与研制将会逐步实现：表体计量腔内流体动力学设计与数值模拟，以及流体动力性能评估、优化及预测；产品几何形状及结构强度设计，结构数值模拟与仿真分析，以及结构性能评估、优化及预测；产品制造过程仿真及自动化等以数字技术为主体的开发全过程[2]。
要改变当前水表产品试样速度慢的现状，已有如下方法和途径可供参考使用。
1． 计算机辅助设计与仿真
目前通用的CAD软件（如Pro/Engineer、Unigraphics NX、CAD-AM等）已能基本解决水表产品零部件的几何形状及结构特性等的设计问题，同时还具备了基本的结构数值模拟和仿真分析等功能。
水表内部流场的计算机仿真是建立在计算流体动力学（CFD），以及流体动力性能预测和优化技术、计算机辅助运动学和动力学仿真分析的计算机辅助工程分析（CAE）之上[3]。国内目前尚未有商用的机械水表和电子水表的CAE软件，但有相关软件可供参考使用（如：用于叶轮式流体机械的仿真软件:CFX-TascFlow、FineTM/Design3D、CoreBox，以及各高校、研究单位各自开发的专业流场仿真软件等）。
推广数字化仿真技术，可以在无需建造物理样机以及进行物理测试前提下，事前发现设计缺陷和错误，或者预测产品性能，从而能极大地降低产品开发成本，缩短产品开发周期。该技术必将成为水表新产品今后开发工作中不可缺少的重要技术手段之一。
2． 计算机虚拟装配与验证
水表产品是由多个零部件精密装配而成的。为了评价所设计产品的机构运动特性和部件装配的准确合理性，需要在已完成三维几何设计的零部件数字化模型基础上，定义它们之间的装配、功能、位置、公差以及机构运动等关系，并在计算机中建立起产品完整的几何模型及约束条件对产品进行虚拟装配和验证。
目前主流的三维CAD软件中都有辅助装配工具。Unigraphics NX有强大的装配功能，所有零件的虚拟装配和验证均可使用其Assembly Modeling和 Advanced Assemblies模块来实现。
3．零件的快速加工与检验
计算机辅助设计和虚拟装配验证后生成的三维零件实体模型数据，经过专用软件处理后自动生成加工中心能够识别的加工信息进行快速零件加工；同时，通过对零部件结构强度和工作环境条件的仿真分析和材料优化，选择出合适的工程塑料样块作为加工坯料。
在线检测仪器和三坐标测量机可对加工过程或完工零件的关键尺寸、形位偏差、表面粗糙度等指标进行快速测量和检验，判断零件加工过程和完工状态的准确性。
4．塑料模具快速设计与制造
当前Pro/E软件在注塑模具的设计、分析方面具有快速高效性，其Pro/Modesign和Mold Filling Simulation Option模块可以对注塑模具模腔、流道等的结构以及流动功能等进行设计和分析；专业用于注塑成型流动分析软件MoldFlow不仅能优化注塑零件设计方案，还能优化注塑模具结构和注塑工艺参数，其MPA、MPI、MPX模块可以分别对产品设计方案、注塑工艺过程、以及工艺参数和注塑质量进行模拟、分析、设计、优化和监控[4]。
注塑模具快速制造目前采用较多的方案是快速原型技术。
5．计算机快速调校与测量
成台的水表整机产品须经性能调试和测量方能完成样机的全部试制工作。采用标准比较法的计算机快速调校技术和计算机自动读数与自动控制测量过程的水表性能快速测量技术是一种非常有效的测量方法。
水表产品样机的快速设计、制造和测量过程可用图2来表述。
图2
（采用快速样机试制技术的工作流程图）
四．快速试样技术的部分实践
1.水表某零件设计与快速加工举例：
首先用Unigraphics NX对水表某零件进行三维结构设计（设计后的零件形状见图3）；接着用Mastercam软件进行数控加工指令编程（图4和图5是该软件自动生成加工指令过程中的部分示意图和模拟刀具加工的视频展示图）；最后将指令文件输入加工中心即可完成对该零件的自动快速加工。
图3（水表某零件三维结构图）图4（自动生成加工指令的示意图）图5（模拟刀具加工的展示图）
2.射流水表流场仿真举例：
图6（a）为射流水表流场的仿真图。经计算机仿真（采用FLUENT软件）,流场的分布状况非常清晰直观，并能通过颜色反映某一时刻、某一位置流速的强弱情况。图6（b）反映出射流水表主通道附近流速的周期性变化及强度值，为准确放置流速传感器指明了方向。
（a）（射流水表流场仿真图）
（b）（射流水表主通道附近流速变化图）
图6
3.水表某壳体内部承压仿真举例：
图7中水表壳体内的颜色差异表明用计算机模拟试验时表壳内部承受不同压力的分布情况。图的左边色标柱量值为：0～150MPa，红色（色标柱上端部）压力为最大，蓝色（色标柱下端部）为最小。仿真结果对水表壳体的强度设计具有明确的指导作用。
图7
（计算机模拟试验时表壳内部承受不同压力的分布图）
4.水表某部件虚拟装配举例：
应用Unigraphics NX装配功能，可进行虚拟装配与间隙干涉验证。图8～图10是某水表产品部件的部分装配过程，包含了约束关系的建立和间隙干涉的验证（其中：图8是叶轮盒与滤水网部件之间装配约束关系的建立；图9是叶轮与叶轮盒部件之间装配约束关系的建立；图10是装配零件之间硬干涉分析）。
图8（叶轮盒与滤水网部件之间装配约束关系图）
图9（叶轮与叶轮盒部件之间装配约束关系图）
图10（装配零件之间硬干涉分析图）
五．结 语
快速试样技术的发展和完善为提高水表产品设计水平、加快水表新产品样机试制速度、提高试制质量和效率提供了有效的途径和方法，也为用户在较短时间内得到高质量的样品以及有相同品质保证的成批产品提供了有效保障。
随着计算机技术、仿真和优化技术、快速零件和模具加工等技术的快速发展，以及计算流体动力学（CFD）等相关学科理论在水表产品设计应用中的步伐加快，必将推动水表产品快速试样技术的进一步发展和完善。
（注：本文未对水表传感与信号处理部分的快速试样技术展开讨论，仅局限于机械结构部分。）
主要参考资料：
1.张树生、杨茂奎、朱名铨等.《虚拟制造技术》.西安：西北工业大学出版社，2006.2
2.赖喜德.《叶片式流体机械的数字化设计与制造》.成都：四川大学出版社，2007.10
3.王福军.《计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用》.北京：清华大学出版社，2004.9
4.肖爱民、戴峰泽、袁铁军等.《Pro/E注塑模具设计与制造》.北京：化学工业出版社，2007.12
