基于NX的家用電梯轎廂結構參數化設計

王英杰,張 芹,左希慶

(湖州職業技術學院 機電與汽車工程學院, 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成,且各部件的結構參數會受井道和用戶需求的影響。當井道結構或用戶需求改變時,電梯相關部件的結構參數就需要進行重新設計[1]7-10。據統計,在依據客戶的井道尺寸對電梯進行定制化設計時,相對以往的設計方法,僅有20%左右的零部件設計需要做出較大改變[2]18-22。目前,家用電梯的生產還未標準化,而在家用電梯零部件設計過程中,井道尺寸參數對轎廂結構的影響最為顯著[3]8-10。因此,在家用電梯設計過程中,最為繁瑣的就是對轎廂的設計。參數化設計是將整個模型的設計要求和表達通過關鍵尺寸進行驅動,本質上就是通過修改關鍵尺寸參數,完成整個模型的自動維護和更新。為提升新產品的設計效率、縮短開發周期、提高產品質量,在我國智能制造發展政策指引下,家用電梯設計必然要走參數化自動建模之路。我們用UG NX平臺,采用參數化設計方法,以家用電梯轎廂為例,進行參數化布局和骨架模型設計,完成了對該部件的參數化設計,以期為家用電梯的自動化設計提供借鑒。

一、基于NX的參數化設計方法與家用電梯轎廂結構

(一)基于NX的參數化設計方法

UG NX參數化設計主要有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品設計;TOP-DOWN則按照先整體規劃,后產品布局和骨架設計,再進行部件設計的方式完成產品整體設計。前者在設計過程中,存在裝配關系復雜、部件干涉不易發現和模型關聯度差等缺點;后者在設計過程中,各部件的尺寸及位置受產品整體布局的約束,裝配與部件間關系明確,且參數關聯性好,不易出現干涉現象?；赨G NX的TOP-DOWN參數化建模,主要通過表達式法、電子表格法和程序設計法等單獨或相互組合來完成[5]224-225。其中,表達式法和電子表格法對操作人員的編程能力要求較低,在產品開發過程中運用較為廣泛[6]35-38。因此,我們采用TOP-DOWN方式,結合表達式技術,以期準確、高效地完成家用電梯轎廂的參數化設計。

(二)家用電梯轎廂結構

目前,家用電梯轎廂多采用模塊化設計方法,即將整個產品按照一定規則分解為若干模塊,設計人員基于產品布局和骨架模型,分別設計對應模塊,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功能性、拆裝性和設計性等原則[3]8-10。

依據上述模塊化設計原則,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生關聯,用于轎廂整體結構的承載及轎廂導軌的鏈接;轎底組件主要尺寸受轎廂架長度及井道寬度尺寸的約束,用于承載廂體結構;轎壁組件主要尺寸受轎底組件及樓層高度尺寸的約束,用于構建廂體主體結構及承載廂體頂部構件;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化設計建模

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、轎頂組件的相關尺寸可通過井道尺寸確定,在對各部件進行布局前,還需確定影響電梯轎廂建模的關鍵參數(參見表1),為后續編輯驅動參數做準備。

圖1 家用電梯井道布局圖示

(一)整體結構布局

家用電梯轎廂參數化設計的整體結構布局主要依據轎廂裝配體與各子系統及部件間的裝配約束關系,并以此完善轎廂各子系統及部件的自動約束關系。布局參數一旦修改,對應信息即可傳遞至相關部件模型,并驅動模型自動更新,以提高轎廂設計工作效率及其可靠性。以對轎廂零部件結構分析為基礎,以井道尺寸及轎廂高度作為總體控制參數,分別建立基準坐標系,井道凈寬左、右基準面,井道凈深前、后基準面,廂體底部和頂部基準面,完成其整體結構布局(參見圖2)。

圖2 家用電梯轎廂結構布局圖示

(二)骨架模型設計

骨架模型設計主要由具有位置尺寸的點、線、面和空間基準組成。通過以上信息,可以描述各子部件的裝配關系,并建立具有參數關聯的幾何特征。骨架模型通過控制裝配結構和部件尺寸的變化,將設計方案與子系統及部件進行鏈接,實現參數信息的傳遞與更新[1]18-22。具體操作方法是:通過發布基準特征與幾何信息關聯特征的方式,建立家用電梯轎廂骨架模型,子系統通過WAVE幾何鏈接的方式,從骨架模型復制對應特征,作為零部件設計的參考。骨架模型特征修改信息通過子部件設計參考傳遞至子部件模型,進而驅動子部件模型完成自動更新。

家用電梯轎廂結構關鍵參數決定骨架模型結構設計。在確定表1中的各主要參數時,首先依據井道凈寬、凈深等尺寸,確定廂體的凈寬和凈深,然后確定其他結構尺寸。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。

各參數在UG NX中的表達式函數計算關系為:

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為導軌寬度,PD為配重寬度,PJX為配重寬度與右側導軌支架寬度之間的安全間隙,JX為導軌與轎廂外壁間距。取值由立架與轎廂間隙、立架厚度、導靴厚度、導軌與導靴間隙等參數確定。

在家用電梯轎廂結構布局下建立其骨架模型空白組件,并將結構布局中的相關參數(基準坐標系、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內部參數計算,確定CD、CW和DGJJ等參數的具體數值,并依據對應的函數關系建立骨架模型(參見圖3)。具體的函數關系為:

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為轎廂凈寬左側內壁位置,CW2為轎廂凈寬右側內壁位置,CD1為轎廂凈深前壁位置,CD2為轎廂凈深后壁位置,HW1為井道凈寬左側位置,HW2為井道凈寬右側位置,HD1為井道凈深前壁位置,HD2為井道凈深后壁位置。

(三)轎廂架設計

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,相對位置尺寸與導軌前距(DGQJ)相關;立梁形狀尺寸與廂體高度(CH)相關,相對位置尺寸與上梁和下梁位置尺寸相關;轎廂寬度與立梁間距相關,深度與井道深度(HD)相關。因轎廂架各主體部件參數化設計流程類似,下面僅介紹上梁的設計方法。

圖4 轎廂架結構圖示

上梁由橫梁、頂固定板和底固定板3大組件構成(參見圖4)。其中,橫梁的基本結構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等參數建立函數關系,通過整體布局參數即可驅動橫梁部件更新;頂固定板與底固定板通過安裝孔位設計與橫梁保持相對固定的裝配關系,其結構尺寸隨橫梁部件的更新而自動更新。

上梁的具體設計步驟為:

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

(2)在裝配模型中,切換設計功能至橫梁建模方式,并將骨架模型中的基準坐標系、廂體凈寬左和右基準面、井道凈深前基準面、廂體高度基準面、廂體導軌前距基準面等,分別通過WAVE幾何鏈接方式引用至上梁結構。

(3)在UG NX中創建相關表達式,建立橫梁左、右基準面與廂體凈寬左、右基準面的位置關系,并分別創建橫梁左、右基準面。相關表達式為:

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

式中,HL1為橫梁左基準面位置,HL2為橫梁右基準面位置,LJW為立架厚度,LJX為立架內側與轎廂凈寬外壁間隙。

(4)在橫梁左基準面上創建橫梁截面草圖,并分別通過函數表達式,確定橫梁草圖與轎廂導軌前基準面和廂體高度基準面的位置關系。相關表達式為:

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

(6)在橫梁拉伸實體中,創建對應的安裝孔位置(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的孔,然后將孔特征沿中心面鏡像獲得另外一側的孔),最終完成橫梁模型的創建(參見圖5)。

同理,我們采用TOP-DOWN方法,參照上梁組件的設計步驟,進一步完成了轎壁組件、轎頂組件和轎底組件的參數化設計,并將各組件按照總體布局及骨架模型設計進行裝配,完成了HW=1 800 mm、HD=1 600 mm、CH=2 260 mm規格的家用電梯轎廂參數化設計(參見圖6)。

圖6 家用電梯轎廂結構裝配模型圖示

當井道布局中的某個參數改變時,家用電梯轎廂整體布局及骨架模型也會隨之改變。變量參數通過數據傳遞的方式改變各組件參數,并完成裝配模型的自動更新。如將布局參數修改為HW=1 800 mm、HD=2 400 mm、CH=2 260 mm,通過設計參數的參數化傳遞,各組件模型按照預定的函數關系自動更新,并按照整體布局及骨架模型關系完成家用電梯轎廂裝配體的更新(參見圖7)。

三、結 語

以UG NX為軟件平臺,采用TOP-DOWN方式,借助WAVE幾何連接器及表達式技術,實現了家用電梯轎廂從整體布局到骨架模型設計,再到零部件精細化設計的全參數化設計。電梯設計人員可通過調整關鍵控制參數,快速、高效地完成新產品的設計,并將設計意圖傳遞給骨架模型,驅動各零部件模型自動更新,完成新產品的裝配。這種設計方法,可縮短電梯設計的周期,提高裝配模型及零部件模型的精準度和設計效率[8]43-46。這也是后續深入研究電梯其他部件結構、參數化界面設計、物料清單自動生成以及非標零部件工程圖自動生成的基礎。