三维装配设计在电梯中的应用

三维装配设计在电梯中的应用

在竞争激烈的市场环境中，公司很少能够自己设计和生产所需的所有产品零件。在公司内部，也很少由一个设计工程师设计所有的产品零部件。为加速产品的上市过程，产品往往基于以往的设计进行改型，并大量使用标准的外购件，以降低重复设计成本并节省时间。为提高客户满意度并降低材料成本,尽可能优化设计方案，产品的更改必不可少。为了保持优势，超前的研发投资和知识保护变得尤为重要，而企业的设计过程离不开数据的管理。所以，与单一零件设计相比，工程师面临的更大挑战是如何在计算机中高效地协同设计和仿真虚拟的产品，如何有效地管理产品设计中所产生的大量数据，并能在有限的硬件资源上进行这样的操作。设计工程师需要3DCAD系统提供更高效的装配设计、仿真和管理功能。在许多世界级大企业中，被广泛应用的计算机辅助三维设计(CAD)的高端主流软件SolidWorks的装配模块，就采用了虚拟装配技术，即便是在产品设计的初期阶段，所产生的最初模型也可放入虚拟环境进行实验，可在虚拟环境中创建产品模型，使产品的外表、形状和功能得到模拟，而且有关产品的人机交互性能也能得到测试和校验，产品的缺陷和问题在设计阶段就能被及时发现并加以解决。SolidWorks为用户提供了一个高效、易用的装配设计环境。在这个环境中，用户既可以通过自底向上的方式，将单个的零件装配为低级的子装配，进而由低级的子装配组装为更高一级的子装配，最后完成整个装配；也可以通过自顶向下的装配方式，直接在装配环境中派生设计零件。在创建新零件时，可直接参考其他零件并保持关联。本文是对电梯产品应用SolidWorks三维设计软件进行参数化设计和虚拟装配设计工作的介绍，主要讨论SolidWorks装配体建模方法及其在电梯零部件设计中的应用。1虚拟装配设计特点及应用前景虚拟装配是新兴的虚拟产品开发研究的重要内容。采用虚拟装配技术，可在设计阶段验证零件之间的配合和可装配性，保证设计的正确性。随着社会的发展，虚拟制造成为制造业发展的重要方向之一。而虚拟装配技术作为虚拟制造的核心技术之一，也越来越引人注目。虚拟装配的实现，有助于对产品零部件进行虚拟分析和虚拟设计，有助于解决零部件从设计到生产出现的技术问题，以达到缩短产品开发周期、降低生产成本及优化产品性能等目的。根据电梯产品设计的特点，其装配要求很高，对其安装有一系列安装与检测国家标准，所以在虚拟安装设计时，要求零件精度很高，特别注重装配顺序、装配关系，对装配结果要做干涉检查等。因为电梯产品零部件很多，为快速设计，对有些是外构件，如绳轮组件、限速器组件等。在装配过程中，只需知道其外部形状及装配关系即可，还有些是标准件、通用件，如六角螺栓、槽钢等（见图1）。像此类零部件可统一设计在库里，以求工程设计人员都能调用，提高效率。2建立几何尺寸模型机械产品的3D设计，主要包括产品零件的3D建模与设计、虚拟装配与干涉检查、关键零部件的结构有限元分析与优化、2D工程图的转换和参数标注等。三维参数化设计软件的思想，是零件尺寸的参数驱动，即在设计零件之初，只要给出零件外形轮廓，后续只需通过简单的表达式来给变量赋值，定义几何尺寸。SolidWorks不仅记录了建模过程中的尺寸定义，而且将整个建模过程中的特征操作，完整地记录下来，只需给尺寸变量赋值，就可以实现模型更新。当然，参数化设计也是要遵循一定规律的，并不是针对任何零部件都可以进行参数化设计，只有结构尺寸相对标准化、系列化，国标或厂标对其有准确描述的零件，才可以进行参数化设计。例如电梯主机部件中所使用的各种垫片、螺钉、螺母、轴承以及齿轮等部件（见图2），就完全可实现参数化设计。利用SolidWorks简单、快速的建模功能，在最短时间里按照客户提供的外部接口尺寸和性能要求，设计出合适的零件。3虚拟装配设计过程电梯运行的质量，取决于电梯的安装质量，而主机机房单元的安装，在电梯安装中占有重要地位。本文以机房单元中的主机机架组件安装为例，以SolidWorks软件为平台，研究虚拟装配设计(VirtualAssemblyDesign)过程，即在计算机上对已经建立的产品零件，按照产品的装配关系完成部件和整机的三维装配模型，在此基础上，应用软件提供的功能，进行装配零件之间的动、静态干涉检查。一旦发现设计不合理之处，就及时调整与修改设计图纸，从而可缩短产品制造与装配生产过程的时间，降低产品的装配成本，提高设计质量。3.1模型内各零件的组成装配层次，是指机房总装配体的子装配体组成，即减速器装配体由若干大部件来组成。机房总装配体主要由主机、主机机架、夹绳块主件、限速器组件、电缆线槽、主机机房附件等部分组成，该几大部件由SolidWorks分别建模而成。总体装配体包含子装配体和零件组成，子装配体又包含零件和下一级的子装配体，如此继续。比如对于主机机架，就有主机机架焊接组件、绳轮组件、轴组件、挡绳板、止转板、固定板、绳盖板、标准件（如螺栓、螺母、垫圈）等组成。而主机机架焊接组件，又由横槽钢、纵槽钢、挡块、垫板、绳轮槽钢、悬挂槽钢、侧板等零件组成（见图3）。SolidWorks其主要文件分为：零件文件(．sldprt)，装配体文件(.asmprt)和工程图文件(.drwprt)，它们之间的关系见图4。3.2主机应对方式装配根据主机机架的结构尺寸形式和各个部件间的约束关系，确定整个主机机架的装配顺序。选定主机机架焊接组件为基准进行装配，其由4个横槽钢、一个纵槽钢、4个垫片、1个侧板、2个挡块、2个绳轮槽钢、2个悬挂槽钢焊接而成，装配顺序如图5所示。接下来将绳轮组件、轴组件、挡绳块、止转板、固定板、绳盖板装配起来。最后完成螺钉、垫圈的装配（如图6所示）。3.3高级配合配合装配约束是确定基准件和其他组成件的定位及相互约束关系，主要由装配特征、约束关系和装配设计管理树组成。标准配合有重合、平行、垂直、距离、角度、相切和同轴心配合，高级配合有对称、凸轮、宽度和齿轮配合。还有一些高级配合，如线性马达、旋转马达、线性弹簧和引力。如轴组件必须与绳轮组件和绳轮槽钢的孔同轴，完成轴心定位；根据挡块和绳盖板在机架的位置要求用重合、距离等约束要求定位好，并用螺栓等部件装配好。3.4完成零件设计后，实现整体模型在SolidWorks软件平台上设计完成的主机机架3D虚拟装配图如图7所示。通过总成模型，清楚地表达出各个零件的位置。3.5及其他形式的相互作用3D物理模型中的物体在运动过程中，很有可能会发生碰撞、接触及其他形式的相互作用。基于3D物理模型的动画系统，必须能够检测物体之间的这种相互作用，并作出适当响应，否则就会出现物体之间相互穿头彼此重叠等不真实的现象。4缩短产品开发周期，降低产品开发成本，缩短产品开发周期，缩短产品开发周期，缩短产品开发周期，缩短产品开发周期，缩短产品开发周期，缩短产品开发周期，缩短产品开发周期，缩短产品开发周期，缩短产品开发周期，缩短产品开发周期，缩短产品开发周期，缩短产品开发周期，缩短产品开发周期，缩短产品开发周期，缩短产品开发周期，缩短产品开发期虚拟装配，可帮助产品摆脱对于试制物理样机并装配物理样机的过度依赖，有效地提高产品装配建模的质量与速度，有助于降低