三維裝配設(shè)計(jì)在電梯中的應(yīng)用

三維裝配設(shè)計(jì)在電梯中的應(yīng)用

在競爭激烈的市場環(huán)境中，公司很少能夠自己設(shè)計(jì)和生產(chǎn)所需的所有產(chǎn)品零件。在公司內(nèi)部，也很少由一個(gè)設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)所有的產(chǎn)品零部件。為加速產(chǎn)品的上市過程，產(chǎn)品往往基于以往的設(shè)計(jì)進(jìn)行改型，并大量使用標(biāo)準(zhǔn)的外購件，以降低重復(fù)設(shè)計(jì)成本并節(jié)省時(shí)間。為提高客戶滿意度并降低材料成本,盡可能優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，產(chǎn)品的更改必不可少。為了保持優(yōu)勢，超前的研發(fā)投資和知識保護(hù)變得尤為重要，而企業(yè)的設(shè)計(jì)過程離不開數(shù)據(jù)的管理。所以，與單一零件設(shè)計(jì)相比，工程師面臨的更大挑戰(zhàn)是如何在計(jì)算機(jī)中高效地協(xié)同設(shè)計(jì)和仿真虛擬的產(chǎn)品，如何有效地管理產(chǎn)品設(shè)計(jì)中所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，并能在有限的硬件資源上進(jìn)行這樣的操作。設(shè)計(jì)工程師需要3DCAD系統(tǒng)提供更高效的裝配設(shè)計(jì)、仿真和管理功能。在許多世界級大企業(yè)中，被廣泛應(yīng)用的計(jì)算機(jī)輔助三維設(shè)計(jì)(CAD)的高端主流軟件SolidWorks的裝配模塊，就采用了虛擬裝配技術(shù)，即便是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初期階段，所產(chǎn)生的最初模型也可放入虛擬環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建產(chǎn)品模型，使產(chǎn)品的外表、形狀和功能得到模擬，而且有關(guān)產(chǎn)品的人機(jī)交互性能也能得到測試和校驗(yàn)，產(chǎn)品的缺陷和問題在設(shè)計(jì)階段就能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并加以解決。SolidWorks為用戶提供了一個(gè)高效、易用的裝配設(shè)計(jì)環(huán)境。在這個(gè)環(huán)境中，用戶既可以通過自底向上的方式，將單個(gè)的零件裝配為低級的子裝配，進(jìn)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(gè)裝配；也可以通過自頂向下的裝配方式，直接在裝配環(huán)境中派生設(shè)計(jì)零件。在創(chuàng)建新零件時(shí)，可直接參考其他零件并保持關(guān)聯(lián)。本文是對電梯產(chǎn)品應(yīng)用SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)和虛擬裝配設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中的應(yīng)用。1虛擬裝配設(shè)計(jì)特點(diǎn)及應(yīng)用前景虛擬裝配是新興的虛擬產(chǎn)品開發(fā)研究的重要內(nèi)容。采用虛擬裝配技術(shù)，可在設(shè)計(jì)階段驗(yàn)證零件之間的配合和可裝配性，保證設(shè)計(jì)的正確性。隨著社會的發(fā)展，虛擬制造成為制造業(yè)發(fā)展的重要方向之一。而虛擬裝配技術(shù)作為虛擬制造的核心技術(shù)之一，也越來越引人注目。虛擬裝配的實(shí)現(xiàn)，有助于對產(chǎn)品零部件進(jìn)行虛擬分析和虛擬設(shè)計(jì)，有助于解決零部件從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)出現(xiàn)的技術(shù)問題，以達(dá)到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本及優(yōu)化產(chǎn)品性能等目的。根據(jù)電梯產(chǎn)品設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，其裝配要求很高，對其安裝有一系列安裝與檢測國家標(biāo)準(zhǔn)，所以在虛擬安裝設(shè)計(jì)時(shí)，要求零件精度很高，特別注重裝配順序、裝配關(guān)系，對裝配結(jié)果要做干涉檢查等。因?yàn)殡娞莓a(chǎn)品零部件很多，為快速設(shè)計(jì)，對有些是外構(gòu)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(guān)系即可，還有些是標(biāo)準(zhǔn)件、通用件，如六角螺栓、槽鋼等（見圖1）。像此類零部件可統(tǒng)一設(shè)計(jì)在庫里，以求工程設(shè)計(jì)人員都能調(diào)用，提高效率。2建立幾何尺寸模型機(jī)械產(chǎn)品的3D設(shè)計(jì)，主要包括產(chǎn)品零件的3D建模與設(shè)計(jì)、虛擬裝配與干涉檢查、關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)有限元分析與優(yōu)化、2D工程圖的轉(zhuǎn)換和參數(shù)標(biāo)注等。三維參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件的思想，是零件尺寸的參數(shù)驅(qū)動，即在設(shè)計(jì)零件之初，只要給出零件外形輪廓，后續(xù)只需通過簡單的表達(dá)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(gè)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(shí)現(xiàn)模型更新。當(dāng)然，參數(shù)化設(shè)計(jì)也是要遵循一定規(guī)律的，并不是針對任何零部件都可以進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，只有結(jié)構(gòu)尺寸相對標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，國標(biāo)或廠標(biāo)對其有準(zhǔn)確描述的零件，才可以進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。例如電梯主機(jī)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(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。利用SolidWorks簡單、快速的建模功能，在最短時(shí)間里按照客戶提供的外部接口尺寸和性能要求，設(shè)計(jì)出合適的零件。3虛擬裝配設(shè)計(jì)過程電梯運(yùn)行的質(zhì)量，取決于電梯的安裝質(zhì)量，而主機(jī)機(jī)房單元的安裝，在電梯安裝中占有重要地位。本文以機(jī)房單元中的主機(jī)機(jī)架組件安裝為例，以SolidWorks軟件為平臺，研究虛擬裝配設(shè)計(jì)(VirtualAssemblyDesign)過程，即在計(jì)算機(jī)上對已經(jīng)建立的產(chǎn)品零件，按照產(chǎn)品的裝配關(guān)系完成部件和整機(jī)的三維裝配模型，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用軟件提供的功能，進(jìn)行裝配零件之間的動、靜態(tài)干涉檢查。一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)不合理之處，就及時(shí)調(diào)整與修改設(shè)計(jì)圖紙，從而可縮短產(chǎn)品制造與裝配生產(chǎn)過程的時(shí)間，降低產(chǎn)品的裝配成本，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。3.1模型內(nèi)各零件的組成裝配層次，是指機(jī)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(jī)房總裝配體主要由主機(jī)、主機(jī)機(jī)架、夾繩塊主件、限速器組件、電纜線槽、主機(jī)機(jī)房附件等部分組成，該幾大部件由SolidWorks分別建模而成?？傮w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(xù)。比如對于主機(jī)機(jī)架，就有主機(jī)機(jī)架焊接組件、繩輪組件、軸組件、擋繩板、止轉(zhuǎn)板、固定板、繩蓋板、標(biāo)準(zhǔn)件（如螺栓、螺母、墊圈）等組成。而主機(jī)機(jī)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(cè)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(guān)系見圖4。3.2主機(jī)應(yīng)對方式裝配根據(jù)主機(jī)機(jī)架的結(jié)構(gòu)尺寸形式和各個(gè)部件間的約束關(guān)系，確定整個(gè)主機(jī)機(jī)架的裝配順序。選定主機(jī)機(jī)架焊接組件為基準(zhǔn)進(jìn)行裝配，其由4個(gè)橫槽鋼、一個(gè)縱槽鋼、4個(gè)墊片、1個(gè)側(cè)板、2個(gè)擋塊、2個(gè)繩輪槽鋼、2個(gè)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(zhuǎn)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(zhǔn)件和其他組成件的定位及相互約束關(guān)系，主要由裝配特征、約束關(guān)系和裝配設(shè)計(jì)管理樹組成。標(biāo)準(zhǔn)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(dá)、旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、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(jù)擋塊和繩蓋板在機(jī)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(shè)計(jì)后，實(shí)現(xiàn)整體模型在SolidWorks軟件平臺上設(shè)計(jì)完成的主機(jī)機(jī)架3D虛擬裝配圖如圖7所示。通過總成模型，清楚地表達(dá)出各個(gè)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(yùn)動過程中，很有可能會發(fā)生碰撞、接觸及其他形式的相互作用?；?D物理模型的動畫系統(tǒng)，必須能夠檢測物體之間的這種相互作用，并作出適當(dāng)響應(yīng)，否則就會出現(xiàn)物體之間相互穿頭彼此重疊等不真實(shí)的現(xiàn)象。4縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，縮短產(chǎn)品開發(fā)期虛擬裝配，可幫助產(chǎn)品擺脫對于試制物理樣機(jī)并裝配物理樣機(jī)的過度依賴，有效地提高產(chǎn)品裝配建模的質(zhì)量與速度，有助于降低