基于Pro/E的电梯虚拟设计方法探讨

大伟煞笔

随着改革开放的深人和中国加人世贸组织后市场的进一步开放，国内的电梯企业数量增多，我们将其分为合资企业和民族企业两种类型。从权威机构的统计资料中发现，合资企业的产品占据了电梯市场80%的份额，而国内的民族企业的市场占有率却很低。仔细地回顾一下中国电梯企业走过的路程，我们容易找到问题的答案。由于中国电梯工业是在合资的大背景下发展起来，自主研发能力和创新能力严重不足，因此，发展缓慢，规模较小，结果就是品牌竞争力很弱，失去了市场。因此，电梯设计方法的创新将是我国民族电梯企业尤其是中小企业借鉴先进设计经验，追赶世界先进电梯企业，增强市场竞争力的必经之路。
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1 虚拟样机技术

虚拟样机技术是随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程技术，虚拟样机技术融合了许多相关技术，包括三维CAD建模技术、有限元分析技术、机电液控制技术、最优化技术等相关技术。

电梯作为一特种设备，工作环境特殊，结构复杂，安全性要求高，设计过程中运动机构的空间干涉问题历来都是令机械设计工程师深感头疼的事。按传统设计模式，设计人员在一些细节问题上耗费了很大精力，设计效率很低。而有些错误还是具有很强的隐蔽性，这都给中小企业的设计开发工作带来了很大的难度，而将虚拟样机技术运用到电梯开发过程，在概念设计阶段就可以对整个电梯系统进行完整的分析，可以观察并试验各组成部分的相互运动情况，使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟电梯各系统的运动，又可以在计算机上进行设计的优化工作，方便地修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不断的改进，不仅可以避免电梯传统设计中存在的问题，更重要的是可以确保产品的质量，为提高企业的市场竞争力提供了非常有力的保证。

2 @% z6 d$ H. ?9 I  j( Z2 Pro/E在电梯虚拟设计中的应用

- [+ ~# `4 i4 o% }针对电梯产品设计过程中的特点，本文提出Pro/E环境下电梯虚拟设计的方法，使整个设计过程在电脑虚拟环境中完成。

5 n* @6 @6 O# _$ G+ `- u2.1 创建零件的三维实体模型
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电梯设计一般流程：根据产品需求确定总体方案，然后进行零件设计，最后装配，检查组件之间的干涉情况，再次修改前期设计，直到设计满足要求。在Pro/E中任何复杂的机械零件，都可以看成是一些简单的特征经过相互的叠加组合而成。零件的建模过程，实际上就是许多简单特征的相互组合的过程。电梯中的零件有：轴、带轮、轴承、端盖、箱体，梁，钣金件等。要根据它们的结构特点，选择不同的建模方法。生成一个零件的方法也有多种。在实际设计时，要考虑到设计变量的设定合理性及修改方便等方面因素选定合理的建模方法。
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% q1 y. U/ `9 i! s* x建模过程：①绘制二维草绘设计图，灵活选用标注和约束参照；②使用拉伸、旋转、扫描混合、复制以及阵列等方法创建基础实体特征；③在基础实体特征上添加轴孔、键槽、倒角等修饰特征。
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8 P. ]- L0 t# W- X  m" N2 w' u上述草图绘制最关键，关系到生成模型的正确性，草图绘制通常遵循：一是以Sketch指令绘制所需草图；二是以Dimension指令标示所要的尺寸，或是使用几何条件帮助定义草图的几何参数；三是Regenerate。这是必经的计算过程，Pro/E会以你所标示与定义的几何条件判断草图的几何参数是否完全定义妥当，而不管是否有成功的定义，皆可以用SAVE指令加以存储；四是若有需要还可以加人Relation(数学关系式)，以便定义相互关联尺寸之间的函数关系；或用Modify指令修改草图的尺寸；以Modify修正的尺寸会以白色显示，这时候一定要以Regenerate指令对草图重生成，才可以看到更新后的形状。
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图1所示为轿架下梁草绘截面，按照设计要求进行了尺寸标注，添加了各种约束，如左右对称，倒角半径相等。使用拉伸命令即可完成实体建模。有些复杂的零件需要多个特征组合，那就要有多次草绘。

* b- F. W$ ^1 w图1 轿架下梁截面草绘

按照上述的建模方式建立所有零件的实体模型后，设计的合理性如何进行检验的问题成为下一步要考虑的问题。和传统设计中的样机试制不同，我们采用虚拟装配，建立虚拟样机进行零部件干涉等设计检验和计算零件质量、体积、惯性矩等特性分析。
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2.2 建立电梯的三维装配模型
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( Y, m( s' }! J' A0 H轿架轿厢是电梯重要部分，是乘客的主要承载装置，轿架和轿厢的设计十分重要。下面以轿架为例，简要介绍Pro/E环境下装配过程：①在菜单栏中执行File--New命令。在弹出的New对话框中选择Type栏中的Assembly单选框和Sub-type栏中的Design单选框，并在Name输人框中填写文件名jiaojiazhuangpei，最后单击OK按钮确认，即可开始零件装配；②调人下梁零件。执行菜单管理器中的Component--Assembly命令，在Open对话框中选取前面创建的轿架下梁，单击Open按钮，调入装配窗口。添加第二个下梁，并进行定位。调入操作方法和上步相同。在Component Placement对话框中的Constraint Type栏下选取Mate项。分别选取两个零件顶面平面，偏距值220。再新建两个Align约束，分别选取两零件的端面和和侧面作为定位面，偏距为0，添加三个约束后显示完全约束；③调入轿架立柱。选取下梁和立柱上对应的孔建立两个Align约束，选立柱的侧面和下梁的顶面建立mate约束，同样的方法添加另一个立柱，完成本步骤；④添加轿架上梁；⑤至此轿架基本组件已经装配完成，还有轿厢托架没有装配，因为轿厢托架由很多小零件组装而成，如果把这些零件直接进行装配，显然不很方便，我们先把它们装配成托架部件，作为一个组件装配到轿架上，装配完成；⑥将托架装配到轿架装配体上。分别选择托架组件上的两个孔和下梁上相应的两个孔建立Align约束，然后选择托架底面和下梁与其接触的表面建立Mate约束，只需要三个约束就将托架在轿架的位置完全确定。这种装配方法所需的定位约束数量减少了，工作量也减轻。在装配模型的建立过程中，这种装配思想用的很多，具有实用价值。

同样的方式建立轿厢的装配模型，然后将轿厢作为元件装到轿架上，同时添加其他零件到装配模型中，如导轨和导靴等，依据总装配模型，进行元件之间的干涉检验，以及设计的合理性检验和设计修改。

% r7 n3 r7 r, Y) h, s2.3 生成电梯零件的工程图

经过检验和修改之后，三维模型可以导人数控机床，直接进行加工，但是本课题研究对象是国内中小电梯企业，这些企业一般不具备这样的工艺水平，所以将三维模型转化成二维工程图还是很有实际意义。Pro/E工程图配置和模板制定是一项基础工作，只有做好了，才能充分地发挥Pro/E的优势提高工作效率。

$ L+ z% J5 U# u4 t" j5 V7 u工程图创建过程：①通过新建一个工程图文件，进人工程图模块环境。输人文件名称，选择默认模型、根据需要调用保存的设置文件；②创建视图，添加主视图；添加主视图的投影图；如有必要，需添加详视图、辅助视图等；利用视图移动命令，调整视图的位置；设置视图的显示模式，如视图中的不可见的孔，可进行消隐或用虚线显示；③尺寸标注，显示模型尺寸，将多余的尺寸拭除；添加必要的草绘尺寸。添加尺寸公差；创建基准，进行几何公差标注；标注表面粗糙度等。
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二维工程图是由不同类型的视图和截面组成的，视图的布局与选型非常重要，往往需要工程技术人员有良好的绘图基础和经验技巧。视图创建完成后，为了改善视图的质量或显示效果等，需要对视图进行编辑和修改，这部分工作从某种意义上说比创建视图更重要。其中包括改变视图位置、改变视图属性和绘图显示等操作。

工程图生成之后，再由专门的图纸审查人员进行校核，发现设计上问题及时反馈给设计人员，返回零件模型中修改，将模型重生成之后，工程图就同步更新，相比传统的设计方法效率提高很多。检查无误的图纸通过打印设备打印之后就可以用于实际生产了。至此电梯在Pro/E环境下的虚拟设计基本完成。

3 结束语

1 }# v8 v7 q" ]随着计算机辅助设计技术的飞速发展，机械设计领域也进行着不断地创新和改革。本文在总结国内电梯行业中小企业发展现状的基础上，结合实际情况，分析了传统的电梯设计思想与方法中的局限，经过论证和探讨，提出了基于Pro/E软件的电梯虚拟设计方法，并以关键部件轿架的设计过程为例，验证了这种方法的有效性，显示了其工程实用价值，希望能给电梯生产企业提供一点帮助。

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cinpy

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