三維裝配設計在電梯中的應用

在競爭激烈的市場環境中，公司很少能夠自己設計和生產所需的所有產品零件。在公司內部，也很少由一個設計工程師設計所有的產品零部件。為加速產品的上市過程，產品往往基于以往的設計進行改型，并大量使用標準的外購件，以降低重復設計成本并節省時間。為提高客戶滿意度并降低材料成本,盡可能優化設計方案，產品的更改必不可少。為了保持優勢，超前的研發投資和知識保護變得尤為重要，而企業的設計過程離不開數據的管理。所以，與單一零件設計相比，工程師面臨的更大挑戰是如何在計算機中高效地協同設計和仿真虛擬的產品，如何有效地管理產品設計中所產生的大量數據，并能在有限的硬件資源上進行這樣的操作。設計工程師需要3DCAD系統提供更高效的裝配設計、仿真和管理功能。在許多世界級大企業中，被廣泛應用的計算機輔助三維設計(CAD)的高端主流軟件SolidWorks的裝配模塊，就采用了虛擬裝配技術，即便是在產品設計的初期階段，所產生的最初模型也可放入虛擬環境進行實驗，可在虛擬環境中創建產品模型，使產品的外表、形狀和功能得到模擬，而且有關產品的人機交互性能也能得到測試和校驗，產品的缺陷和問題在設計階段就能被及時發現并加以解決。SolidWorks為用戶提供了一個高效、易用的裝配設計環境。在這個環境中，用戶既可以通過自底向上的方式，將單個的零件裝配為低級的子裝配，進而由低級的子裝配組裝為更高一級的子裝配，最后完成整個裝配；也可以通過自頂向下的裝配方式，直接在裝配環境中派生設計零件。在創建新零件時，可直接參考其他零件并保持關聯。本文是對電梯產品應用SolidWorks三維設計軟件進行參數化設計和虛擬裝配設計工作的介紹，主要討論SolidWorks裝配體建模方法及其在電梯零部件設計中的應用。1虛擬裝配設計特點及應用前景虛擬裝配是新興的虛擬產品開發研究的重要內容。采用虛擬裝配技術，可在設計階段驗證零件之間的配合和可裝配性，保證設計的正確性。隨著社會的發展，虛擬制造成為制造業發展的重要方向之一。而虛擬裝配技術作為虛擬制造的核心技術之一，也越來越引人注目。虛擬裝配的實現，有助于對產品零部件進行虛擬分析和虛擬設計，有助于解決零部件從設計到生產出現的技術問題，以達到縮短產品開發周期、降低生產成本及優化產品性能等目的。根據電梯產品設計的特點，其裝配要求很高，對其安裝有一系列安裝與檢測國家標準，所以在虛擬安裝設計時，要求零件精度很高，特別注重裝配順序、裝配關系，對裝配結果要做干涉檢查等。因為電梯產品零部件很多，為快速設計，對有些是外構件，如繩輪組件、限速器組件等。在裝配過程中，只需知道其外部形狀及裝配關系即可，還有些是標準件、通用件，如六角螺栓、槽鋼等（見圖1）。像此類零部件可統一設計在庫里，以求工程設計人員都能調用，提高效率。2建立幾何尺寸模型機械產品的3D設計，主要包括產品零件的3D建模與設計、虛擬裝配與干涉檢查、關鍵零部件的結構有限元分析與優化、2D工程圖的轉換和參數標注等。三維參數化設計軟件的思想，是零件尺寸的參數驅動，即在設計零件之初，只要給出零件外形輪廓，后續只需通過簡單的表達式來給變量賦值，定義幾何尺寸。SolidWorks不僅記錄了建模過程中的尺寸定義，而且將整個建模過程中的特征操作，完整地記錄下來，只需給尺寸變量賦值，就可以實現模型更新。當然，參數化設計也是要遵循一定規律的，并不是針對任何零部件都可以進行參數化設計，只有結構尺寸相對標準化、系列化，國標或廠標對其有準確描述的零件，才可以進行參數化設計。例如電梯主機部件中所使用的各種墊片、螺釘、螺母、軸承以及齒輪等部件（見圖2），就完全可實現參數化設計。利用SolidWorks簡單、快速的建模功能，在最短時間里按照客戶提供的外部接口尺寸和性能要求，設計出合適的零件。3虛擬裝配設計過程電梯運行的質量，取決于電梯的安裝質量，而主機機房單元的安裝，在電梯安裝中占有重要地位。本文以機房單元中的主機機架組件安裝為例，以SolidWorks軟件為平臺，研究虛擬裝配設計(VirtualAssemblyDesign)過程，即在計算機上對已經建立的產品零件，按照產品的裝配關系完成部件和整機的三維裝配模型，在此基礎上，應用軟件提供的功能，進行裝配零件之間的動、靜態干涉檢查。一旦發現設計不合理之處，就及時調整與修改設計圖紙，從而可縮短產品制造與裝配生產過程的時間，降低產品的裝配成本，提高設計質量。3.1模型內各零件的組成裝配層次，是指機房總裝配體的子裝配體組成，即減速器裝配體由若干大部件來組成。機房總裝配體主要由主機、主機機架、夾繩塊主件、限速器組件、電纜線槽、主機機房附件等部分組成，該幾大部件由SolidWorks分別建模而成。總體裝配體包含子裝配體和零件組成，子裝配體又包含零件和下一級的子裝配體，如此繼續。比如對于主機機架，就有主機機架焊接組件、繩輪組件、軸組件、擋繩板、止轉板、固定板、繩蓋板、標準件（如螺栓、螺母、墊圈）等組成。而主機機架焊接組件，又由橫槽鋼、縱槽鋼、擋塊、墊板、繩輪槽鋼、懸掛槽鋼、側板等零件組成（見圖3）。SolidWorks其主要文件分為：零件文件(．sldprt)，裝配體文件(.asmprt)和工程圖文件(.drwprt)，它們之間的關系見圖4。3.2主機應對方式裝配根據主機機架的結構尺寸形式和各個部件間的約束關系，確定整個主機機架的裝配順序。選定主機機架焊接組件為基準進行裝配，其由4個橫槽鋼、一個縱槽鋼、4個墊片、1個側板、2個擋塊、2個繩輪槽鋼、2個懸掛槽鋼焊接而成，裝配順序如圖5所示。接下來將繩輪組件、軸組件、擋繩塊、止轉板、固定板、繩蓋板裝配起來。最后完成螺釘、墊圈的裝配（如圖6所示）。3.3高級配合配合裝配約束是確定基準件和其他組成件的定位及相互約束關系，主要由裝配特征、約束關系和裝配設計管理樹組成。標準配合有重合、平行、垂直、距離、角度、相切和同軸心配合，高級配合有對稱、凸輪、寬度和齒輪配合。還有一些高級配合，如線性馬達、旋轉馬達、線性彈簧和引力。如軸組件必須與繩輪組件和繩輪槽鋼的孔同軸，完成軸心定位；根據擋塊和繩蓋板在機架的位置要求用重合、距離等約束要求定位好，并用螺栓等部件裝配好。3.4完成零件設計后，實現整體模型在SolidWorks軟件平臺上設計完成的主機機架3D虛擬裝配圖如圖7所示。通過總成模型，清楚地表達出各個零件的位置。3.5及其他形式的相互作用3D物理模型中的物體在運動過程中，很有可能會發生碰撞、接觸及其他形式的相互作用。基于3D物理模型的動畫系統，必須能夠檢測物體之間的這種相互作用，并作出適當響應，否則就會出現物體之間相互穿頭彼此重疊等不真實的現象。4縮短產品開發周期，降低產品開發成本，縮短產品開發周期，縮短產品開發周期，縮短產品開發周期，縮短產品開發周期，縮短產品開發周期，縮短產品開發周期，縮短產品開發周期，縮短產品開發周期，縮短產品開發周期，縮短產品開發周期，縮短產品開發周期，縮短產品開發周期，縮短產品開發周期，縮短產品開發周期，縮短產品開發周期，縮短產品開發期虛擬裝配，可幫助產品擺脫對于試制物理樣機并裝配物理樣機的過度依賴，有效地提高產品裝配建模的質量與速度，有助于降低