王英杰,張 芹,左希慶

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與汽車工程學(xué)院, 浙江 湖州 313099)

近年來,隨著我國居民生活水平的不斷提高,家用電梯逐漸走入人們的日常生活。家用電梯由許多部件構(gòu)成,且各部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)受井道和用戶需求的影響。當(dāng)井道結(jié)構(gòu)或用戶需求改變時(shí),電梯相關(guān)部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)就需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)[1]7-10。據(jù)統(tǒng)計(jì),在依據(jù)客戶的井道尺寸對電梯進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)時(shí),相對以往的設(shè)計(jì)方法,僅有20%左右的零部件設(shè)計(jì)需要做出較大改變[2]18-22。目前,家用電梯的生產(chǎn)還未標(biāo)準(zhǔn)化,而在家用電梯零部件設(shè)計(jì)過程中,井道尺寸參數(shù)對轎廂結(jié)構(gòu)的影響最為顯著[3]8-10。因此,在家用電梯設(shè)計(jì)過程中,最為繁瑣的就是對轎廂的設(shè)計(jì)。參數(shù)化設(shè)計(jì)是將整個(gè)模型的設(shè)計(jì)要求和表達(dá)通過關(guān)鍵尺寸進(jìn)行驅(qū)動(dòng),本質(zhì)上就是通過修改關(guān)鍵尺寸參數(shù),完成整個(gè)模型的自動(dòng)維護(hù)和更新。為提升新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率、縮短開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量,在我國智能制造發(fā)展政策指引下,家用電梯設(shè)計(jì)必然要走參數(shù)化自動(dòng)建模之路。我們用UG NX平臺,采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法,以家用電梯轎廂為例,進(jìn)行參數(shù)化布局和骨架模型設(shè)計(jì),完成了對該部件的參數(shù)化設(shè)計(jì),以期為家用電梯的自動(dòng)化設(shè)計(jì)提供借鑒。

一、基于NX的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法與家用電梯轎廂結(jié)構(gòu)

(一)基于NX的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

UG NX參數(shù)化設(shè)計(jì)主要有DOWN-TOP和TOP-DOWN兩種方式[4]45-49。其中,DOWN-TOP是按照先部件后裝配的方式完成產(chǎn)品設(shè)計(jì);TOP-DOWN則按照先整體規(guī)劃,后產(chǎn)品布局和骨架設(shè)計(jì),再進(jìn)行部件設(shè)計(jì)的方式完成產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)。前者在設(shè)計(jì)過程中,存在裝配關(guān)系復(fù)雜、部件干涉不易發(fā)現(xiàn)和模型關(guān)聯(lián)度差等缺點(diǎn);后者在設(shè)計(jì)過程中,各部件的尺寸及位置受產(chǎn)品整體布局的約束,裝配與部件間關(guān)系明確,且參數(shù)關(guān)聯(lián)性好,不易出現(xiàn)干涉現(xiàn)象?；赨G NX的TOP-DOWN參數(shù)化建模,主要通過表達(dá)式法、電子表格法和程序設(shè)計(jì)法等單獨(dú)或相互組合來完成[5]224-225。其中,表達(dá)式法和電子表格法對操作人員的編程能力要求較低,在產(chǎn)品開發(fā)過程中運(yùn)用較為廣泛[6]35-38。因此,我們采用TOP-DOWN方式,結(jié)合表達(dá)式技術(shù),以期準(zhǔn)確、高效地完成家用電梯轎廂的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

(二)家用電梯轎廂結(jié)構(gòu)

目前,家用電梯轎廂多采用模塊化設(shè)計(jì)方法,即將整個(gè)產(chǎn)品按照一定規(guī)則分解為若干模塊,設(shè)計(jì)人員基于產(chǎn)品布局和骨架模型,分別設(shè)計(jì)對應(yīng)模塊,并最終組合形成電梯轎廂。電梯轎廂各組成模塊的分解主要依據(jù)功能性、拆裝性和設(shè)計(jì)性等原則[3]8-10。

依據(jù)上述模塊化設(shè)計(jì)原則,電梯轎廂可分解為轎廂架、轎底組件、轎壁組件和轎頂組件這4大模塊。其中,轎廂架主要尺寸直接與井道長寬尺寸及樓層高度尺寸產(chǎn)生關(guān)聯(lián),用于轎廂整體結(jié)構(gòu)的承載及轎廂導(dǎo)軌的鏈接;轎底組件主要尺寸受轎廂架長度及井道寬度尺寸的約束,用于承載廂體結(jié)構(gòu);轎壁組件主要尺寸受轎底組件及樓層高度尺寸的約束,用于構(gòu)建廂體主體結(jié)構(gòu)及承載廂體頂部構(gòu)件;轎頂組件主要尺寸受轎底組件及轎壁組件主要尺寸的約束。

二、基于NX的家用電梯轎廂參數(shù)化設(shè)計(jì)建模

家用電梯井道平面布置如圖1所示,井道凈寬HW和凈深HD(參見圖1)。轎廂架、轎底組件、轎壁組件、轎頂組件的相關(guān)尺寸可通過井道尺寸確定,在對各部件進(jìn)行布局前,還需確定影響電梯轎廂建模的關(guān)鍵參數(shù)(參見表1),為后續(xù)編輯驅(qū)動(dòng)參數(shù)做準(zhǔn)備。

圖1 家用電梯井道布局圖示

(一)整體結(jié)構(gòu)布局

家用電梯轎廂參數(shù)化設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)布局主要依據(jù)轎廂裝配體與各子系統(tǒng)及部件間的裝配約束關(guān)系,并以此完善轎廂各子系統(tǒng)及部件的自動(dòng)約束關(guān)系。布局參數(shù)一旦修改,對應(yīng)信息即可傳遞至相關(guān)部件模型,并驅(qū)動(dòng)模型自動(dòng)更新,以提高轎廂設(shè)計(jì)工作效率及其可靠性。以對轎廂零部件結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ),以井道尺寸及轎廂高度作為總體控制參數(shù),分別建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系,井道凈寬左、右基準(zhǔn)面,井道凈深前、后基準(zhǔn)面,廂體底部和頂部基準(zhǔn)面,完成其整體結(jié)構(gòu)布局(參見圖2)。

圖2 家用電梯轎廂結(jié)構(gòu)布局圖示

(二)骨架模型設(shè)計(jì)

骨架模型設(shè)計(jì)主要由具有位置尺寸的點(diǎn)、線、面和空間基準(zhǔn)組成。通過以上信息,可以描述各子部件的裝配關(guān)系,并建立具有參數(shù)關(guān)聯(lián)的幾何特征。骨架模型通過控制裝配結(jié)構(gòu)和部件尺寸的變化,將設(shè)計(jì)方案與子系統(tǒng)及部件進(jìn)行鏈接,實(shí)現(xiàn)參數(shù)信息的傳遞與更新[1]18-22。具體操作方法是:通過發(fā)布基準(zhǔn)特征與幾何信息關(guān)聯(lián)特征的方式,建立家用電梯轎廂骨架模型,子系統(tǒng)通過WAVE幾何鏈接的方式,從骨架模型復(fù)制對應(yīng)特征,作為零部件設(shè)計(jì)的參考。骨架模型特征修改信息通過子部件設(shè)計(jì)參考傳遞至子部件模型,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)子部件模型完成自動(dòng)更新。

家用電梯轎廂結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)決定骨架模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在確定表1中的各主要參數(shù)時(shí),首先依據(jù)井道凈寬、凈深等尺寸,確定廂體的凈寬和凈深,然后確定其他結(jié)構(gòu)尺寸。為方便加工制造,廂體凈寬和凈深(單位:mm)的取值通常為10的倍數(shù)。

各參數(shù)在UG NX中的表達(dá)式函數(shù)計(jì)算關(guān)系為:

CD=(floor((HD-BH-AQX-JK-JMX-TK)/10))*10,DGJJ=(floor((HW-ZZJ-2*DGW-PD-PJX)/10))*10,CW=(floor((DGJJ-2*JX-2*BH)/10))*10。

式中,BH為轎廂壁厚度(別墅梯一般為25 mm,客梯一般為30 mm),AQX為轎廂與井道壁的安全間隙(一般大于50 mm),JK為轎門地坎厚度(一般為60 mm),JMX為轎門間隙(一般為30 mm),TK為廳門地坎(一般為60 mm),DGW為導(dǎo)軌寬度,PD為配重寬度,PJX為配重寬度與右側(cè)導(dǎo)軌支架寬度之間的安全間隙,JX為導(dǎo)軌與轎廂外壁間距。取值由立架與轎廂間隙、立架厚度、導(dǎo)靴厚度、導(dǎo)軌與導(dǎo)靴間隙等參數(shù)確定。

在家用電梯轎廂結(jié)構(gòu)布局下建立其骨架模型空白組件,并將結(jié)構(gòu)布局中的相關(guān)參數(shù)(基準(zhǔn)坐標(biāo)系、井道凈寬左等)通過WAVE幾何鏈接器引用至骨架模型。通過UG NX內(nèi)部參數(shù)計(jì)算,確定CD、CW和DGJJ等參數(shù)的具體數(shù)值,并依據(jù)對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系建立骨架模型(參見圖3)。具體的函數(shù)關(guān)系為:

CW1=HW1+ZZJ+DGW+JX+BH,CW2=HW2-DGW-JX-BH-PD-100,CD1=HD1+AQX+BH,CD2=HD2-TK-JMX-JK。

式中,CW1為轎廂凈寬左側(cè)內(nèi)壁位置,CW2為轎廂凈寬右側(cè)內(nèi)壁位置,CD1為轎廂凈深前壁位置,CD2為轎廂凈深后壁位置,HW1為井道凈寬左側(cè)位置,HW2為井道凈寬右側(cè)位置,HD1為井道凈深前壁位置,HD2為井道凈深后壁位置。

(三)轎廂架設(shè)計(jì)

轎廂架由上梁、立梁、轎底托架、下梁和斜拉桿等組成(參見圖4)[7]172-175。其中,上梁和下梁的形狀尺寸與井道寬度(HW)相關(guān),相對位置尺寸與導(dǎo)軌前距(DGQJ)相關(guān);立梁形狀尺寸與廂體高度(CH)相關(guān),相對位置尺寸與上梁和下梁位置尺寸相關(guān);轎廂寬度與立梁間距相關(guān),深度與井道深度(HD)相關(guān)。因轎廂架各主體部件參數(shù)化設(shè)計(jì)流程類似,下面僅介紹上梁的設(shè)計(jì)方法。

圖4 轎廂架結(jié)構(gòu)圖示

上梁由橫梁、頂固定板和底固定板3大組件構(gòu)成(參見圖4)。其中,橫梁的基本結(jié)構(gòu)受橫截面尺寸和骨架布局中廂體凈深尺寸約束,安裝孔位與DGQJ和DGJJ等參數(shù)建立函數(shù)關(guān)系,通過整體布局參數(shù)即可驅(qū)動(dòng)橫梁部件更新;頂固定板與底固定板通過安裝孔位設(shè)計(jì)與橫梁保持相對固定的裝配關(guān)系,其結(jié)構(gòu)尺寸隨橫梁部件的更新而自動(dòng)更新。

上梁的具體設(shè)計(jì)步驟為:

(1)通過WAVE幾何鏈接方式分別創(chuàng)建橫梁、頂固定板和底固定板這3個(gè)與上梁組件及骨架模型布局相關(guān)聯(lián)的空白組件。

(2)在裝配模型中,切換設(shè)計(jì)功能至橫梁建模方式,并將骨架模型中的基準(zhǔn)坐標(biāo)系、廂體凈寬左和右基準(zhǔn)面、井道凈深前基準(zhǔn)面、廂體高度基準(zhǔn)面、廂體導(dǎo)軌前距基準(zhǔn)面等,分別通過WAVE幾何鏈接方式引用至上梁結(jié)構(gòu)。

(3)在UG NX中創(chuàng)建相關(guān)表達(dá)式,建立橫梁左、右基準(zhǔn)面與廂體凈寬左、右基準(zhǔn)面的位置關(guān)系,并分別創(chuàng)建橫梁左、右基準(zhǔn)面。相關(guān)表達(dá)式為:

HL1=CW1-BH-LJW-LJX,HL2=CW2+BH+LJW+LJX。

式中,HL1為橫梁左基準(zhǔn)面位置,HL2為橫梁右基準(zhǔn)面位置,LJW為立架厚度,LJX為立架內(nèi)側(cè)與轎廂凈寬外壁間隙。

(4)在橫梁左基準(zhǔn)面上創(chuàng)建橫梁截面草圖,并分別通過函數(shù)表達(dá)式,確定橫梁草圖與轎廂導(dǎo)軌前基準(zhǔn)面和廂體高度基準(zhǔn)面的位置關(guān)系。相關(guān)表達(dá)式為:

L1=DGQJ+LJH/2,H1=CH+LJGX。

式中,L1為橫梁背面位置,H1為橫梁下表面位置,LJGX為轎廂頂部與橫梁下表面間距。

(5)對橫梁截面草圖進(jìn)行拉伸操作,其中拉伸起始位置為橫梁右基準(zhǔn)面所在位置,拉伸結(jié)束位置為橫梁左基準(zhǔn)面所在位置。

(6)在橫梁拉伸實(shí)體中,創(chuàng)建對應(yīng)的安裝孔位置(各安裝孔位置相對于橫梁長度方向的中心面對稱,可先建立中心面一側(cè)的孔,然后將孔特征沿中心面鏡像獲得另外一側(cè)的孔),最終完成橫梁模型的創(chuàng)建(參見圖5)。

同理,我們采用TOP-DOWN方法,參照上梁組件的設(shè)計(jì)步驟,進(jìn)一步完成了轎壁組件、轎頂組件和轎底組件的參數(shù)化設(shè)計(jì),并將各組件按照總體布局及骨架模型設(shè)計(jì)進(jìn)行裝配,完成了HW=1 800 mm、HD=1 600 mm、CH=2 260 mm規(guī)格的家用電梯轎廂參數(shù)化設(shè)計(jì)(參見圖6)。

圖6 家用電梯轎廂結(jié)構(gòu)裝配模型圖示

當(dāng)井道布局中的某個(gè)參數(shù)改變時(shí),家用電梯轎廂整體布局及骨架模型也會(huì)隨之改變。變量參數(shù)通過數(shù)據(jù)傳遞的方式改變各組件參數(shù),并完成裝配模型的自動(dòng)更新。如將布局參數(shù)修改為HW=1 800 mm、HD=2 400 mm、CH=2 260 mm,通過設(shè)計(jì)參數(shù)的參數(shù)化傳遞,各組件模型按照預(yù)定的函數(shù)關(guān)系自動(dòng)更新,并按照整體布局及骨架模型關(guān)系完成家用電梯轎廂裝配體的更新(參見圖7)。

三、結(jié) 語

以UG NX為軟件平臺,采用TOP-DOWN方式,借助WAVE幾何連接器及表達(dá)式技術(shù),實(shí)現(xiàn)了家用電梯轎廂從整體布局到骨架模型設(shè)計(jì),再到零部件精細(xì)化設(shè)計(jì)的全參數(shù)化設(shè)計(jì)。電梯設(shè)計(jì)人員可通過調(diào)整關(guān)鍵控制參數(shù),快速、高效地完成新產(chǎn)品的設(shè)計(jì),并將設(shè)計(jì)意圖傳遞給骨架模型,驅(qū)動(dòng)各零部件模型自動(dòng)更新,完成新產(chǎn)品的裝配。這種設(shè)計(jì)方法,可縮短電梯設(shè)計(jì)的周期,提高裝配模型及零部件模型的精準(zhǔn)度和設(shè)計(jì)效率[8]43-46。這也是后續(xù)深入研究電梯其他部件結(jié)構(gòu)、參數(shù)化界面設(shè)計(jì)、物料清單自動(dòng)生成以及非標(biāo)零部件工程圖自動(dòng)生成的基礎(chǔ)。