自動扶梯桁架系統參數化自動建模方法研究

尹曉偉，錢文學，李 龍

（1.沈陽工程學院 機械工程學院，沈陽 110136；2.東北大學 機械工程與自動化學院，沈陽 110189）

0 引言

作為一種運輸工具，自動扶梯能夠在相對較短的時間內將大量人員運送到樓上或樓下。由于其獨特的優勢，自動扶梯通常用于人流集中的百貨公司，商場，豪華酒店和車站。自動扶梯在建筑物的兩層之間使用，它是連續的輸送機器，用來往返自動扶梯往返運送乘客[1～3]。

自動扶梯具有明顯的優勢，因此被廣泛使用。自動扶梯運輸能力大，可逆轉，可上下運行，可連續運輸人員，并為乘客提供統一的流量；當發生停電或需要檢查部件停止運行時，它們可以用作普通樓梯。與需要預留井道的電梯不同，自動扶梯不需要在建筑物中預留額外的支撐結構；自動扶梯的整體形狀非常漂亮，非常現代。它既是交通工具又是建筑的特殊裝飾[4～9]。

自動扶梯桁架系統由于需要適應不同的應用場合，因此結構尺寸變化較大，但是其部件主要是工字鋼、角鋼、槽鋼等型材，適宜于程序自動化建模，本文即重點研究基于企業訂單的自動化建模技術和和方法。

1 自動扶梯桁架結構

自動扶梯是帶有循環運行的梯級，用于向上或向下傾斜輸送乘客的固定電力驅動設備，主要由桁架、驅動裝置、制動系統、張緊裝置、導軌系統、梯級（走道）、鏈條（或齒條）、扶手裝置及各種安全裝置所組成。一般自動扶梯結構如圖1所示。

圖1 自動扶梯模型

自動扶梯金屬桁架是自動扶梯的基礎構件，通常采用普通型剛（角鋼、槽鋼及扁鋼）或方形與矩形管等焊接而成。其具有安裝和支承各個部件、承受各種載荷及連接兩個不同樓地面的作用。一般自動扶梯桁架結構如圖2所示。

圖2 自動扶梯桁架結構

自動扶梯桁架一般由上水平段、下水平段以及直線段組成。通常的桁架有整體焊接桁架和分體焊接桁架兩種。為便于制造、起吊和包裝運輸，企業一般將上水平段和下水平段做成標準段，直線段的長度由提升高度決定，在加工時常做成若干標準直段和非標準直段，依據用戶要求的提升高度，分別將他們拼裝焊接，最終形成封閉結構的桁架。

自動扶梯的主要技術參數有提升高度、理論輸送能力、額定速度、梯級名義寬度、梯級的傾角等。

金屬桁架的作用決定了它既要滿足一定的剛度，也要滿足一定的強度。國家標準規定：對于普通型自動扶梯或人行橫道，根據乘客載荷計算或實測的最大撓度，不應超過支承距離的1/750；對于公共交通型自動扶梯或自動人行橫道，根據乘客載荷計算或實測的最大撓度，不應超過支承距離的1/1000。

為避免金屬桁架的擺動或振動傳到建筑物上，在金屬結構架的支點與建筑物之間填有減震金屬及減震橡膠。

一般地，當金屬桁架的提升高度超過6m時，需要金屬桁架與建筑物之間安裝中間支撐，用來加強金屬桁架結構的剛度，它不僅起支撐作用，而且可隨桁架的脹和縮自定調節。

2 自動化建模與接口

為了充分利用企業的相關信息，減輕設計人員的工作量，重點考慮自動化建模分析的實現。相比于傳統的系統開發，本系統不需要進行復雜參數的輸入，不需要手動設置桿件截面信息，生成有限元模型等復雜操作，只需要進行相關扶梯梯種選擇、提升高度、傾斜角度等基本桁架參數，便可在數據庫中自動調取相關BOM，生成建模及分析相關文件，自動調用建模軟件實現自動扶梯桁架的后臺計算分析，通過快速計算將計算結果在系統界面上呈現出來，完全實現自動化分析。操作簡便，非常適合專業及非專業技術人員上手操作[10～13]。

相關的接口開發使用了C#語言。C#是微軟公司發布的一種面向對象的、運行于.NET Framework之上的高級程序設計語言。C#是一種安全的、穩定的、簡單的，由C和C++衍生出來的面向對象的編程語言。它在繼承C和C++強大功能的同時去掉了一些它們的復雜特性。C#綜合了VB簡單的可視化操作和C++的高運行效率，以其強大的操作能力、創新的語言特性和便捷的面向組件編程的支持成為。NET開發的首選語言。自動扶梯桁架自動化分析系統流程如圖3所示。

圖3 扶梯桁架建模分析系統流程

3 程序設計與應用

C#開發出的接口程序能夠將分析系統中篩選出的BOM進行讀入，通過編寫好的算法進行邏輯運算，將BOM中用到的信息進行提取，轉化成建模分析所用的參數，保存在幾個CSV表格中，包括建模參數、截面尺寸、桿件號和截面號的對應、等效集中力。通過后臺調用的批處理模式，將生成好的CSV文件和命令流傳遞給建模軟件，進行批處理計算。由于批處理不需要顯示模型的相關的情況，只會在后臺運行，避免了用于可視化相關資源的占用，運算速度非常快。計算完成的相應文件會進行輸出，并在分析系統上顯示相關計算結果。

對于新的建模任務，根據客戶的訂單信息，輸入評審單號、客戶名稱，進行自動扶梯機種的選擇，顯示界面如圖4所示。創建完任務點擊保存，彈出保存確認對話框，并進行保存成功提示，如圖5所示。

進入已到達任務窗口，點擊創建的任務前面評審單號鏈接，進入WOF列表，進行參數的輸入，包括自動扶梯的選擇、扶梯寬度、傾斜角度、室內外區分、桁架出貨形式、有無支撐等參數。輸入界面如圖7所示，參數輸入完成后點擊保存。

圖4 計算建模任務創建

創建任務成功后，剛剛創建的任務的任務信息進入已到達的任務，如圖6所示。

圖5 計算建模任務創建

圖6 已達到任務

任務創建成功后，系統會根據所輸入自動扶梯桁架參數進行計算，從數據庫中進行選配，進行自動扶梯桁架零部件的組合，需要用到哪些桿件，相對應的圖號會根據選配邏輯進行一系列篩選，篩選出所需BOM，針對BOM輸出相對應的CSV表數據，表中數據用于ANSYS建模分析。某一扶梯梯形部分物料清單如圖8所示。

圖7 已達到任務

圖8 已達到任務

根據以上用戶來料信息，用戶需求表，程序會自動計算個部件的結構尺寸，計算過程結束后，通過接口啟動CAD任務程序，自動生成相應的三維實體模型，還可以接口自動調取ANSYS進行后臺運算分析。

實現后臺調用的關鍵代碼如下：

4 結論

自動扶梯系統由于應用場合復雜多樣，設計人員的工作量很大，通過開發自動化扶梯桁架建模系統，可以提高工作效率，降低設計人員的勞動強度，提高設計工具的適應性，本文通過設計接口程序，實現了企業訂單信息和產品需求參數的自動化讀取與計算，基于以上結果，調用三維實體建模軟件，完成了模型的自動化建立，以上過程不需要認為干預，完全自動完成，這對于扶梯桁架系統的設計和計算具有一定的參考意義。