斜梯的模塊化設(shè)計(jì)及三維應(yīng)用

趙懌杰

摘 要：通過對(duì)斜梯模塊的劃分與設(shè)計(jì)，總結(jié)了斜梯模塊化的特點(diǎn)，結(jié)合Inventor三維軟件參數(shù)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用，不僅提高了設(shè)計(jì)效率，而且還降低了生產(chǎn)制造及運(yùn)輸?shù)某杀尽?/p>

關(guān)鍵詞：斜梯；模塊化；三維；參數(shù)化；多實(shí)體；ilogic；Inventor

中圖分類號(hào)：U653.921 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）22-0098-02

引言

對(duì)于起重產(chǎn)品來說，設(shè)計(jì)階段是產(chǎn)品交付的首道和關(guān)鍵工序，是影響產(chǎn)品按期交貨的瓶頸，也是該行業(yè)的共性問題。斜梯作為輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)中不可或缺的一部分，由于其高度、角度及標(biāo)準(zhǔn)的多樣性，導(dǎo)致了圖紙種類繁多，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)等諸多問題。一般情況下，當(dāng)設(shè)計(jì)人員接到項(xiàng)目后，往往是憑個(gè)人的工作經(jīng)驗(yàn)以及以往設(shè)計(jì)過的圖紙進(jìn)行修改，然后投入生產(chǎn)。這樣不僅效率低，而且容易出錯(cuò)，有沒有更加高效的方法呢？通過集思廣益，最終決定采用模塊化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，不僅能提高設(shè)計(jì)效率，而且還降低了生產(chǎn)制造及運(yùn)輸?shù)某杀尽?/p>

1 斜梯的模塊化設(shè)計(jì)

1.1 模塊化的定義

模塊化一般是指使用模塊的概念對(duì)產(chǎn)品或系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)和生產(chǎn)組織。模塊化設(shè)計(jì)是指在對(duì)一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同的產(chǎn)品，以滿足市場(chǎng)的不同需求的設(shè)計(jì)方法。

1.2 斜梯模塊的劃分與設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)是模塊化生產(chǎn)的前提。首先，我們要總結(jié)斜梯的變化規(guī)律，對(duì)其進(jìn)行拆分并研究每一個(gè)零件。然后，通過功能的分析，劃分出相應(yīng)的模塊。原斜梯由所有零件焊接而成，缺點(diǎn)是焊接及焊后打磨工作量大，體積大不利于擺放及運(yùn)輸，而且運(yùn)輸過程中容易產(chǎn)生變形。針對(duì)以上問題，討論后決定以將其拆分，然后通過焊接+螺栓連接的方式重新組合成新斜梯，見圖1。圖1中件1、2、3焊接組成一個(gè)欄桿模塊，欄桿分為左側(cè)和右側(cè)，當(dāng)其中一側(cè)靠近結(jié)構(gòu)時(shí)，就可以考慮不裝欄桿，也就是說可以根據(jù)需要選擇裝一側(cè)還是兩側(cè)欄桿；件4、5、6、7、8焊接組成一個(gè)平臺(tái)模塊；最后將這兩個(gè)模塊通過螺栓連接，組裝在一起就行了。將模塊再細(xì)分，其中有的零件還可以做成標(biāo)準(zhǔn)件，設(shè)計(jì)需要時(shí)，就可以直接從標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)中選取，從而使復(fù)雜問題條理化，減少低層次的重復(fù)勞動(dòng)，設(shè)計(jì)師便可將主要精力投向新技術(shù)、新產(chǎn)品?？梢宰龀蓸?biāo)準(zhǔn)件的零件如下：件3是角鋼，OSHA標(biāo)準(zhǔn)時(shí)用L63*63*6的規(guī)格，EN標(biāo)準(zhǔn)時(shí)用L50*50*5的規(guī)格，根據(jù)斜梯角度45°和50°設(shè)計(jì)成2種不同的長(zhǎng)度；件4是踏步，根據(jù)斜梯寬度500mm、550mm、600mm定制成3多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件；件5是下頭板、件8是上頭板，根據(jù)斜梯角度45°和50°分別制作成2種不同的標(biāo)準(zhǔn)件；件6是連接板，只有一種規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)件。非標(biāo)件如下：件1是上欄桿，件2是下欄桿，欄桿直徑有42.3mm、33.5mm、26.8mm，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)采購(gòu)不同直徑的鋼管，通過彎管機(jī)制作；件7是扁鋼，采購(gòu)來根據(jù)斜梯長(zhǎng)度切割。

1.3 斜梯模塊化的特點(diǎn)

斜梯模塊化后主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）有利于縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和供貨期限。斜梯模塊化后，大部分零件都是標(biāo)準(zhǔn)件，可以提前生產(chǎn)備庫(kù)，只要根據(jù)需要選用就行，縮短了設(shè)計(jì)周期。斜梯各模塊可集中在專門車間進(jìn)行專業(yè)化批量加工，可使單件小批量生產(chǎn)變?yōu)橄喈?dāng)批量的規(guī)模生產(chǎn)，有的可采用先進(jìn)的加工設(shè)備、加工工藝及CAD/CAM等技術(shù)，提高生產(chǎn)效率，減少加工誤差。比如斜梯上、下頭板和連接板可以數(shù)控機(jī)床加工，精度高，速度快。傳統(tǒng)的以產(chǎn)品為單位組織生產(chǎn)的方式將變?yōu)橐阅K為單位組織生產(chǎn)，同一功能的模塊，其加工的工藝流程及工藝裝備都是定型的，故產(chǎn)品的制造周期比傳統(tǒng)的制造周期要短。因此，產(chǎn)品的短周期設(shè)計(jì)與制造，導(dǎo)致其供貨周期縮短，從而滿足市場(chǎng)的要求。

（2）便于運(yùn)輸及維修，降低成本。斜梯的每個(gè)模塊都可以獨(dú)立堆疊擺放及運(yùn)輸，占用空間比以前小很多，而且形狀規(guī)整運(yùn)輸不易變形，減少運(yùn)輸費(fèi)用。維護(hù)和修理也更方便，任何一個(gè)模塊有問題都可以單獨(dú)拆下維修，節(jié)約修理費(fèi)用。如果防腐要求不是特別高的話，欄桿模塊甚至可以不整體熱浸鋅處理，直接買鍍鋅管與角鋼焊接，最后涂油漆。

（3）有利于企業(yè)采用先進(jìn)技術(shù)改造舊產(chǎn)品，開發(fā)新產(chǎn)品。隨著競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，企業(yè)需要不斷增強(qiáng)對(duì)市場(chǎng)需求的快速應(yīng)變能力，靠傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造方法顯然是困難的。利用模塊化設(shè)計(jì)制造方法，可以不斷地采用新技術(shù)，革新那些在結(jié)構(gòu)上或技術(shù)上已經(jīng)陳舊的模塊，并在不改變其他模塊的基礎(chǔ)上集合成先進(jìn)的產(chǎn)品，使產(chǎn)品不斷保持先進(jìn)性，從而增強(qiáng)企業(yè)對(duì)市場(chǎng)變化的適應(yīng)能力。

2 斜梯模塊化的三維應(yīng)用

傳統(tǒng)的二維CAD軟件已經(jīng)無法滿足快速的模塊化配置需求，但是三維CAD軟件能做到。Inventor作為Autodesk公司一款面向產(chǎn)品開發(fā)的三維CAD軟件，可以幫助設(shè)計(jì)人員更為輕松地重復(fù)利用已有的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，生動(dòng)地表現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖。借助其中全面關(guān)聯(lián)的模型，零件設(shè)計(jì)中的任何變化都可以反映到裝配模型和工程圖文件中。我們是采用什么方式實(shí)現(xiàn)快速建模，又是如何通過參數(shù)化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)斜梯模塊的快速配置呢？接下來介紹一下Inventor軟件的2個(gè)最核心的功能：

（1）多實(shí)體零件。多實(shí)體零件是一種中心設(shè)計(jì)，由可導(dǎo)出為獨(dú)立零件文件的實(shí)體中所包含的特征組成，使用多實(shí)體零件來推動(dòng)由上而下的設(shè)計(jì)工作流非常有效。本質(zhì)上，可將多實(shí)體零件作為布局處理，但在零件造型環(huán)境中進(jìn)行。在單個(gè)零件文件中創(chuàng)建和定位多個(gè)實(shí)體以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。然后，將實(shí)體衍生出零件文件，將文件放置到目標(biāo)部件中。以斜梯為例，通常包含多個(gè)共享復(fù)雜曲線的零件。如果使用布局和草圖塊來代表斜梯，則在自上而下的模式中向組成零件傳達(dá)復(fù)雜曲線會(huì)非常困難。如果使用多實(shí)體零件，則可以一開始將斜梯作為單個(gè)實(shí)體來創(chuàng)建整個(gè)斜梯，然后將實(shí)體處理為所需形狀。接著，將單個(gè)實(shí)體分割為多個(gè)實(shí)體，來代表踏步、連接板等類似零部件。在目標(biāo)部件中使用“生成零件”或“生成零部件”來將實(shí)體衍生出零件文件。其優(yōu)點(diǎn)就是生成的零件及部件與多實(shí)體關(guān)聯(lián)，并隨之變化，而且裝配件中的零件或部件不需要裝配約束，直接在原點(diǎn)固定就行，因?yàn)樗鼈兌际枪猛粋€(gè)坐標(biāo)系的。無裝配約束的文件比每個(gè)零件都有裝配約束的文件運(yùn)行速度會(huì)快很多。

（2）ilogic規(guī)則。ilogic是嵌入到Inventor中的一個(gè)規(guī)則驅(qū)動(dòng)程序，通過設(shè)定一些規(guī)則來達(dá)到驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行修改的目的，只需要寫一些簡(jiǎn)單的代碼即可完成一些繁瑣的步驟，比較簡(jiǎn)單易學(xué)。ilogic將規(guī)則作為對(duì)象直接嵌入到零件、部件和工程圖文檔中。規(guī)則可確定并驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的參數(shù)和屬性值，通過控制這些值，可以定義模型的屬性、特征和零部件的行為。ilogic規(guī)則可以利用Inventor 中當(dāng)前可用的自定義參數(shù)類型，使用這些參數(shù)類型來編寫規(guī)則。在斜梯骨架中，主要編寫規(guī)則驅(qū)動(dòng)相關(guān)零件的不同尺寸；在斜梯裝配中，主要編寫規(guī)則傳遞參數(shù)及控制零件的有無；在斜梯工程圖中，主要編寫規(guī)則控制視圖的定位、比例及有無。通過規(guī)則編寫，實(shí)現(xiàn)斜梯自頂向下的參數(shù)傳遞及更新，包括BOM表。

為了方便工程師使用，我們?cè)谘b配體中添加了一個(gè)表單“模型參數(shù)”，加入控制參數(shù)，只要在此表單中選擇標(biāo)準(zhǔn)、角度、寬度、欄桿形式以及填寫所需的高度，點(diǎn)擊“確定”，三維模型就會(huì)立即更新，圖2、3、4分別是對(duì)應(yīng)不同模型參數(shù)的三維斜梯圖。更新模型并保存后，打開相應(yīng)的斜梯裝配工程圖、平臺(tái)工程圖、欄桿工程圖，就能看到已經(jīng)自動(dòng)更新好的圖紙。經(jīng)過前期的對(duì)每個(gè)零件屬性的設(shè)置，工程圖明細(xì)表以及標(biāo)題欄中的重量都是自動(dòng)關(guān)聯(lián)更新的，工程師只要輸入圖號(hào)就行了。以前在CAD中修改2小時(shí)的圖紙，現(xiàn)在2分鐘就能搞定，效率和準(zhǔn)確率大幅提升。

3 結(jié)束語(yǔ)

模塊化設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，隨著模塊化設(shè)計(jì)在機(jī)械領(lǐng)域的廣泛推廣并結(jié)合三維參數(shù)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用，不僅對(duì)企業(yè)的設(shè)計(jì)及制造周期的縮短起到了關(guān)鍵作用，還能有效降低生產(chǎn)制造成本，是值得大力發(fā)展的一種產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。

參考文獻(xiàn)：

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