斜梯的模塊化設計及三維應用

趙懌杰

摘 要：通過對斜梯模塊的劃分與設計，總結了斜梯模塊化的特點，結合Inventor三維軟件參數化設計的應用，不僅提高了設計效率，而且還降低了生產制造及運輸的成本。

關鍵詞：斜梯；模塊化；三維；參數化；多實體；ilogic；Inventor

中圖分類號：U653.921 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2945（2017）22-0098-02

引言

對于起重產品來說，設計階段是產品交付的首道和關鍵工序，是影響產品按期交貨的瓶頸，也是該行業的共性問題。斜梯作為輪胎式集裝箱龍門起重機中不可或缺的一部分，由于其高度、角度及標準的多樣性，導致了圖紙種類繁多，設計周期長等諸多問題。一般情況下，當設計人員接到項目后，往往是憑個人的工作經驗以及以往設計過的圖紙進行修改，然后投入生產。這樣不僅效率低，而且容易出錯，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計來實現，不僅能提高設計效率，而且還降低了生產制造及運輸的成本。

1 斜梯的模塊化設計

1.1 模塊化的定義

模塊化一般是指使用模塊的概念對產品或系統進行規劃設計和生產組織。模塊化設計是指在對一定范圍內的不同功能或相同功能不同性能、不同規格的產品進行功能分析的基礎上，劃分并設計出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合可以構成不同的產品，以滿足市場的不同需求的設計方法。

1.2 斜梯模塊的劃分與設計

模塊化設計是模塊化生產的前提。首先，我們要總結斜梯的變化規律，對其進行拆分并研究每一個零件。然后，通過功能的分析，劃分出相應的模塊。原斜梯由所有零件焊接而成，缺點是焊接及焊后打磨工作量大，體積大不利于擺放及運輸，而且運輸過程中容易產生變形。針對以上問題，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焊接組成一個欄桿模塊，欄桿分為左側和右側，當其中一側靠近結構時，就可以考慮不裝欄桿，也就是說可以根據需要選擇裝一側還是兩側欄桿；件4、5、6、7、8焊接組成一個平臺模塊；最后將這兩個模塊通過螺栓連接，組裝在一起就行了。將模塊再細分，其中有的零件還可以做成標準件，設計需要時，就可以直接從標準件庫中選取，從而使復雜問題條理化，減少低層次的重復勞動，設計師便可將主要精力投向新技術、新產品。可以做成標準件的零件如下：件3是角鋼，OSHA標準時用L63*63*6的規格，EN標準時用L50*50*5的規格，根據斜梯角度45°和50°設計成2種不同的長度；件4是踏步，根據斜梯寬度500mm、550mm、600mm定制成3多個標準件；件5是下頭板、件8是上頭板，根據斜梯角度45°和50°分別制作成2種不同的標準件；件6是連接板，只有一種規格的標準件。非標件如下：件1是上欄桿，件2是下欄桿，欄桿直徑有42.3mm、33.5mm、26.8mm，根據標準采購不同直徑的鋼管，通過彎管機制作；件7是扁鋼，采購來根據斜梯長度切割。

1.3 斜梯模塊化的特點

斜梯模塊化后主要具有以下幾個特點：

（1）有利于縮短產品的設計、制造和供貨期限。斜梯模塊化后，大部分零件都是標準件，可以提前生產備庫，只要根據需要選用就行，縮短了設計周期。斜梯各模塊可集中在專門車間進行專業化批量加工，可使單件小批量生產變為相當批量的規模生產，有的可采用先進的加工設備、加工工藝及CAD/CAM等技術，提高生產效率，減少加工誤差。比如斜梯上、下頭板和連接板可以數控機床加工，精度高，速度快。傳統的以產品為單位組織生產的方式將變為以模塊為單位組織生產，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，故產品的制造周期比傳統的制造周期要短。因此，產品的短周期設計與制造，導致其供貨周期縮短，從而滿足市場的要求。

（2）便于運輸及維修，降低成本。斜梯的每個模塊都可以獨立堆疊擺放及運輸，占用空間比以前小很多，而且形狀規整運輸不易變形，減少運輸費用。維護和修理也更方便，任何一個模塊有問題都可以單獨拆下維修，節約修理費用。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）有利于企業采用先進技術改造舊產品，開發新產品。隨著競爭的日益加劇，企業需要不斷增強對市場需求的快速應變能力，靠傳統的設計與制造方法顯然是困難的。利用模塊化設計制造方法，可以不斷地采用新技術，革新那些在結構上或技術上已經陳舊的模塊，并在不改變其他模塊的基礎上集合成先進的產品，使產品不斷保持先進性，從而增強企業對市場變化的適應能力。

2 斜梯模塊化的三維應用

傳統的二維CAD軟件已經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公司一款面向產品開發的三維CAD軟件，可以幫助設計人員更為輕松地重復利用已有的設計數據，生動地表現設計意圖。借助其中全面關聯的模型，零件設計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現快速建模，又是如何通過參數化設計來實現斜梯模塊的快速配置呢？接下來介紹一下Inventor軟件的2個最核心的功能：

（1）多實體零件。多實體零件是一種中心設計，由可導出為獨立零件文件的實體中所包含的特征組成，使用多實體零件來推動由上而下的設計工作流非常有效。本質上，可將多實體零件作為布局處理，但在零件造型環境中進行。在單個零件文件中創建和定位多個實體以實現設計。然后，將實體衍生出零件文件，將文件放置到目標部件中。以斜梯為例，通常包含多個共享復雜曲線的零件。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復雜曲線會非常困難。如果使用多實體零件，則可以一開始將斜梯作為單個實體來創建整個斜梯，然后將實體處理為所需形狀。接著，將單個實體分割為多個實體，來代表踏步、連接板等類似零部件。在目標部件中使用“生成零件”或“生成零部件”來將實體衍生出零件文件。其優點就是生成的零件及部件與多實體關聯，并隨之變化，而且裝配件中的零件或部件不需要裝配約束，直接在原點固定就行，因為它們都是公用同一個坐標系的。無裝配約束的文件比每個零件都有裝配約束的文件運行速度會快很多。

（2）ilogic規則。ilogic是嵌入到Inventor中的一個規則驅動程序，通過設定一些規則來達到驅動模型進行修改的目的，只需要寫一些簡單的代碼即可完成一些繁瑣的步驟，比較簡單易學。ilogic將規則作為對象直接嵌入到零件、部件和工程圖文檔中。規則可確定并驅動設計的參數和屬性值，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規則可以利用Inventor 中當前可用的自定義參數類型，使用這些參數類型來編寫規則。在斜梯骨架中，主要編寫規則驅動相關零件的不同尺寸；在斜梯裝配中，主要編寫規則傳遞參數及控制零件的有無；在斜梯工程圖中，主要編寫規則控制視圖的定位、比例及有無。通過規則編寫，實現斜梯自頂向下的參數傳遞及更新，包括BOM表。

為了方便工程師使用，我們在裝配體中添加了一個表單“模型參數”，加入控制參數，只要在此表單中選擇標準、角度、寬度、欄桿形式以及填寫所需的高度，點擊“確定”，三維模型就會立即更新，圖2、3、4分別是對應不同模型參數的三維斜梯圖。更新模型并保存后，打開相應的斜梯裝配工程圖、平臺工程圖、欄桿工程圖，就能看到已經自動更新好的圖紙。經過前期的對每個零件屬性的設置，工程圖明細表以及標題欄中的重量都是自動關聯更新的，工程師只要輸入圖號就行了。以前在CAD中修改2小時的圖紙，現在2分鐘就能搞定，效率和準確率大幅提升。

3 結束語

模塊化設計是產品設計的發展趨勢，隨著模塊化設計在機械領域的廣泛推廣并結合三維參數化設計的應用，不僅對企業的設計及制造周期的縮短起到了關鍵作用，還能有效降低生產制造成本，是值得大力發展的一種產品設計方法。

參考文獻：

[1]胡仁喜.Autodesk Inventor 2014基礎培訓教程[M].北京：電子工業出版社，2014，1.

[2]顧新建，等.機電產品模塊化設計方法和案例[M].北京：機械工業出版社，2014，1.