3D參數化方法在電梯設計中的應用研究

趙 煒，沈 宗，吳 超

（上海三菱電梯有限公司，上海 200245）

3D參數化方法在電梯設計中的應用研究

趙 煒，沈 宗，吳 超

（上海三菱電梯有限公司，上海 200245）

3D設計是機械產品設計的趨勢，參數化方法是提升3D設計效率的有效方法。兩者結合起來，極有利于設計和管理部件近似度極高的電梯產品。簡單介紹了3D參數化設計方法的理論基礎，并結合電梯轎箱門板組件的示例，展示了其在電梯行業推廣該設計方法的廣闊前景。

電梯；3D設計；參數化

電梯是一類依附于建筑物，需要適應各種客戶化配置需求的機電產品，與通常的工程機械或者運輸工具相比，電梯的一個顯著特點是規格眾多，單一型號的批產數量較少。

譬如，對于升降梯來說，每個客戶的空間和裝潢要求都可能存有差異，電梯廠家需要結合土建井道的實際情況有針對性地進行轎箱尺寸、裝潢重量、噪音控制、振動控制等環節的配置。

為了實現上述客戶化配置的功能，指導有序生產，設計部門必須建立一個規模龐大的，涵括更多品種、規格和條件的產品圖紙庫。隨著電梯產量的快速上升，客戶需求的極度多樣化，設計部門需出具的新增圖紙、需維護的歷史圖紙的數量都在急速增長，各廠家大量寶貴的高知人力不得不羈絆消耗于此。如何升級設計手段，提高工作效率，是本行業共同面臨的一項挑戰。而尋找新型的設計軟件，探索新穎的設計方法，或能成為一條可行的途徑。

1 3D參數化方法優勢

目前，電梯行業的產品圖紙主要還是以2D圖紙為主。2D圖紙的一個特點是彼此之間不存在關聯。譬如，部件A1下的零件B1需要維護時，A1和B1的圖紙需要逐一修改；參考A1、B1、C1進行新品設計A2、B2、C2時，A2、B2、C2的圖紙也需要重新繪制；當A1、A2等逐漸形成部件族后，若進行共性的改進，操作也是機械而重復的。簡而言之，圖1所示的關聯關系，即“從屬”和“參考”，未被保留在2D產品圖紙體系內，無法加以利用，每一張2D圖紙實際上都是一座座的孤島，需要人力去維護彼此之間的層次和影響。

3D設計軟件本身都能夠記錄零部件之間的“從屬”關系，這是較之傳統2D設計的一個重大優勢，而參數化方法，則重點在于有效地管理“參考”關系。這樣的兩個方面結合之后，就可以將設計人員從大量機械重復性的工作之中解放出來的。

參數化方法也稱為尺寸驅動[1]，就是將設計要求、設計原則、設計方法和設計結果用靈活可變的參數來表示，以便根據實際情況隨時加以更改。

在CAD中，要實現參數化設計，參數化模型的建立是關鍵。參數化模型表示了零件圖形的幾何約束和工程約束。幾何約束包括結構約束和尺寸約束。結構約束是指幾何元素之間的拓撲約束關系，如平行、垂直、相切、對稱等；尺寸約束則是通過尺寸標注表示的約束，如距離尺寸、角度尺寸、半徑尺寸等。工程約束是指尺寸之間的約束關系，通過定義尺寸變量及它們之間在數值上和邏輯上的關系來表示。

在參數化設計系統中，設計人員根據工程關系和幾何關系來指定設計要求[2]。要滿足這些設計要求，不僅需要考慮尺寸或工程參數的初值，而且要在每次改變這些設計參數時來維護這些基本關系，即將參數分為兩類：其一為各種尺寸值，稱為可變參數；其二為幾何元素間的各種連續幾何信息，稱為不變參數。參數化設計的本質是在可變參數的作用下，系統能夠自動維護所有的不變參數[3]。因此，參數化模型中建立的各種約束關系，正是體現了設計人員的設計意圖。

參數化設計可以大大提高模型的生成和修改的速度，在產品的系列設計及相似設計方面具有很大的應用價值。而在電梯領域，無論是零件還是部件，恰恰都很容易形成高度近似的族，即彼此間的“參考”十分顯著。其特點是，同一類的零件，其特征的有無有相似性，而特征的數量、數值和位置往往是變化的；同一類的部件，其零件的數量配置和裝配關系有相似性，而零件的具體選型是變化的。這就希望零部件的模型具有易于修改的柔性，并且在部件中能夠很方便地實施零件的替換。

與2D圖紙方法相比，使用3D參數化方法進行初次設計時，零部件對象的數量（部件A1、零件B1、零件C1）是相同的，此外還必須實施參數化操作（數據A1、數據B1、數據C1），然后，以此為基礎的參考設計和圖紙維護就會便利許多。譬如，當需要參考“零件B1”新設計“零件B2”時，僅需人工編制一組新的“數據B2”，即可自動實現由“零件B1”到“零件B2”的變形；當需要對“零件C1”和“零件C2”進行共性修改時，僅需人工改動“零件C1”的特征，而“零件C2”則可依據原有的“數據C2”獲得更新。這樣，在進行3D參數化設計時，零部件間的“參考”關系就獲得了有效的管理和運用。

2 3D參數化方法示例

目前常用的參數化設計CAD軟件中，主流的應用軟件有Pro/Engineer、NX、CATIA和Solidworks四大軟件，其中，NX目前在傳統的制造行業比如汽車、航空航天等行業上兩個軟件占據絕對的市場份額。以下將以NX為例，介紹一些3D參數化方法在電梯設計中的示例。

NX的電子表格提供了在MSExcel或Xess與NX間的一個智能接口[4]。事實上，表格驅動的界面及機內函數為相關的參數化設計提供了方便而有力的工具。當一個部件被載入時，在NX的用戶入口(Gateway)應用中，選擇“工具”→“電子表格”可存取Gateway的電子表格。該電子表格與部件一起存儲，可用于存儲有關的非幾何體數據。

電子標的強大功能之一就是能夠用來定義部件的變異，根據表格里可能的系列參數數據來更新部件。這種操作可以代替部件家族功能，生成家族成員部件，并賦予他們讀寫權限，還可以單獨編譯。

除能夠影響當前的工作部件之外，NX的電子表格還能管理裝配組合體。電子表格函數允許抽取部件的屬性值，并將它賦予組件下級部件的電子表格，以產生由頂級裝配決定的變異。也就是說，合理設計后的組件，即使包含了多層次多數量的下屬零件，也僅需要在唯一的頂級裝配中調整參數，就能自動引起整個組合體的改變。以下是一組兩塊參數化設計的轎箱門板組件，如圖1、圖2所示。

圖1 裝配變形體狀態一

圖2 裝配變形體狀態二

3 結束語

將3D參數化方法應用于電梯設計將帶來諸多優勢：

（1）參數化的零件和裝配能夠重復使用，多次編輯，能夠快速應用于新產品、新規格的設計與開發。

（2）參數化的零件和裝配能夠快速直觀地體現電梯整機或主要部件的配置結果，這些配置結果試驗或驗證設計和配置的可行性、正確性。

（3）參數化的零件和裝配與生成的工程圖紙之間存在關聯，使用自動更新功能可以極大地減輕新增工程圖紙或者維護、升級工程圖紙的工作強度。

事實將證明，應用3D參數化方法的設計，將為電梯行業的繼續發展提供新穎的助力。

[1]羅金橋，楊波，鄧楚南.應用UGNX軟件時間騎車零部件的參數化設計[J].CAD/CAM與制造業信息化，2006，(5): 68-70.

[2]田彧，王大軍.電梯轎箱結構模塊化和參數化設計研究[J].機電產品開發與創新，2006，6（19）:29-30.

[3]薛成超.自動扶梯參數化設計框架構建及若干模塊的開發[D].沈陽：東北大學，2008，（3）:37-38.

[4]趙波，陳向軍.UG NX4相關參數化設計培訓教程[M].北京:清華大學出版社，2007.

Elevator Design Based on Three-Dimensional Layoutand Parametric-Driving Methods

ZHAOWei，SHEN Zong，WU Chao
(ShanghaiMitsubishiElevator CO.，Ltd.，Shanghai 200245，China)

The three-dimensional layoutmethod is a developing trend of the design ofmechanical products,and the parametric-drivingmethod could be seen asameans to enhance the efficiency of3D design.The combined applications of these twomethodsare highly conducive to design andmanage the approximate componentseries of the elevators.This paper briefly describes the theoretical basis of the three-dimensional layoutand parametric-drivingmethods,which is showed by a example of the cab door.And,it is certain that there is a broad prospect in the elevator industry to promote these designmethods.

elevator；three-dimensional layoutmethod；parametric-drivingmethod

TU976.3

B

1672-545X（2013）03-0233-02

2012-12-03

趙 煒（1980—），男，工程師，工程碩士，從事自動扶梯的設計工作。