自動(dòng)扶梯桁架系統(tǒng)參數(shù)化自動(dòng)建模方法研究

尹曉偉，錢文學(xué)，李 龍

（1.沈陽(yáng)工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110136；2.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，沈陽(yáng) 110189）

0 引言

作為一種運(yùn)輸工具，自動(dòng)扶梯能夠在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)將大量人員運(yùn)送到樓上或樓下。由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，自動(dòng)扶梯通常用于人流集中的百貨公司，商場(chǎng)，豪華酒店和車站。自動(dòng)扶梯在建筑物的兩層之間使用，它是連續(xù)的輸送機(jī)器，用來(lái)往返自動(dòng)扶梯往返運(yùn)送乘客[1～3]。

自動(dòng)扶梯具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此被廣泛使用。自動(dòng)扶梯運(yùn)輸能力大，可逆轉(zhuǎn)，可上下運(yùn)行，可連續(xù)運(yùn)輸人員，并為乘客提供統(tǒng)一的流量；當(dāng)發(fā)生停電或需要檢查部件停止運(yùn)行時(shí)，它們可以用作普通樓梯。與需要預(yù)留井道的電梯不同，自動(dòng)扶梯不需要在建筑物中預(yù)留額外的支撐結(jié)構(gòu)；自動(dòng)扶梯的整體形狀非常漂亮，非常現(xiàn)代。它既是交通工具又是建筑的特殊裝飾[4～9]。

自動(dòng)扶梯桁架系統(tǒng)由于需要適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，因此結(jié)構(gòu)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(dòng)化建模，本文即重點(diǎn)研究基于企業(yè)訂單的自動(dòng)化建模技術(shù)和和方法。

1 自動(dòng)扶梯桁架結(jié)構(gòu)

自動(dòng)扶梯是帶有循環(huán)運(yùn)行的梯級(jí)，用于向上或向下傾斜輸送乘客的固定電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備，主要由桁架、驅(qū)動(dòng)裝置、制動(dòng)系統(tǒng)、張緊裝置、導(dǎo)軌系統(tǒng)、梯級(jí)（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(dòng)扶梯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)扶梯模型

自動(dòng)扶梯金屬桁架是自動(dòng)扶梯的基礎(chǔ)構(gòu)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(gè)部件、承受各種載荷及連接兩個(gè)不同樓地面的作用。一般自動(dòng)扶梯桁架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 自動(dòng)扶梯桁架結(jié)構(gòu)

自動(dòng)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(yùn)輸，企業(yè)一般將上水平段和下水平段做成標(biāo)準(zhǔn)段，直線段的長(zhǎng)度由提升高度決定，在加工時(shí)常做成若干標(biāo)準(zhǔn)直段和非標(biāo)準(zhǔn)直段，依據(jù)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(jié)構(gòu)的桁架。

自動(dòng)扶梯的主要技術(shù)參數(shù)有提升高度、理論輸送能力、額定速度、梯級(jí)名義寬度、梯級(jí)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(qiáng)度。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：對(duì)于普通型自動(dòng)扶梯或人行橫道，根據(jù)乘客載荷計(jì)算或?qū)崪y(cè)的最大撓度，不應(yīng)超過(guò)支承距離的1/750；對(duì)于公共交通型自動(dòng)扶梯或自動(dòng)人行橫道，根據(jù)乘客載荷計(jì)算或?qū)崪y(cè)的最大撓度，不應(yīng)超過(guò)支承距離的1/1000。

為避免金屬桁架的擺動(dòng)或振動(dòng)傳到建筑物上，在金屬結(jié)構(gòu)架的支點(diǎn)與建筑物之間填有減震金屬及減震橡膠。

一般地，當(dāng)金屬桁架的提升高度超過(guò)6m時(shí)，需要金屬桁架與建筑物之間安裝中間支撐，用來(lái)加強(qiáng)金屬桁架結(jié)構(gòu)的剛度，它不僅起支撐作用，而且可隨桁架的脹和縮自定調(diào)節(jié)。

2 自動(dòng)化建模與接口

為了充分利用企業(yè)的相關(guān)信息，減輕設(shè)計(jì)人員的工作量，重點(diǎn)考慮自動(dòng)化建模分析的實(shí)現(xiàn)。相比于傳統(tǒng)的系統(tǒng)開發(fā)，本系統(tǒng)不需要進(jìn)行復(fù)雜參數(shù)的輸入，不需要手動(dòng)設(shè)置桿件截面信息，生成有限元模型等復(fù)雜操作，只需要進(jìn)行相關(guān)扶梯梯種選擇、提升高度、傾斜角度等基本桁架參數(shù)，便可在數(shù)據(jù)庫(kù)中自動(dòng)調(diào)取相關(guān)BOM，生成建模及分析相關(guān)文件，自動(dòng)調(diào)用建模軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)扶梯桁架的后臺(tái)計(jì)算分析，通過(guò)快速計(jì)算將計(jì)算結(jié)果在系統(tǒng)界面上呈現(xiàn)出來(lái)，完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化分析。操作簡(jiǎn)便，非常適合專業(yè)及非專業(yè)技術(shù)人員上手操作[10～13]。

相關(guān)的接口開發(fā)使用了C#語(yǔ)言。C#是微軟公司發(fā)布的一種面向?qū)ο蟮摹⑦\(yùn)行于.NET Framework之上的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。C#是一種安全的、穩(wěn)定的、簡(jiǎn)單的，由C和C++衍生出來(lái)的面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言。它在繼承C和C++強(qiáng)大功能的同時(shí)去掉了一些它們的復(fù)雜特性。C#綜合了VB簡(jiǎn)單的可視化操作和C++的高運(yùn)行效率，以其強(qiáng)大的操作能力、創(chuàng)新的語(yǔ)言特性和便捷的面向組件編程的支持成為。NET開發(fā)的首選語(yǔ)言。自動(dòng)扶梯桁架自動(dòng)化分析系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 扶梯桁架建模分析系統(tǒng)流程

3 程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用

C#開發(fā)出的接口程序能夠?qū)⒎治鱿到y(tǒng)中篩選出的BOM進(jìn)行讀入，通過(guò)編寫好的算法進(jìn)行邏輯運(yùn)算，將BOM中用到的信息進(jìn)行提取，轉(zhuǎn)化成建模分析所用的參數(shù)，保存在幾個(gè)CSV表格中，包括建模參數(shù)、截面尺寸、桿件號(hào)和截面號(hào)的對(duì)應(yīng)、等效集中力。通過(guò)后臺(tái)調(diào)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(jìn)行批處理計(jì)算。由于批處理不需要顯示模型的相關(guān)的情況，只會(huì)在后臺(tái)運(yùn)行，避免了用于可視化相關(guān)資源的占用，運(yùn)算速度非常快。計(jì)算完成的相應(yīng)文件會(huì)進(jìn)行輸出，并在分析系統(tǒng)上顯示相關(guān)計(jì)算結(jié)果。

對(duì)于新的建模任務(wù)，根據(jù)客戶的訂單信息，輸入評(píng)審單號(hào)、客戶名稱，進(jìn)行自動(dòng)扶梯機(jī)種的選擇，顯示界面如圖4所示。創(chuàng)建完任務(wù)點(diǎn)擊保存，彈出保存確認(rèn)對(duì)話框，并進(jìn)行保存成功提示，如圖5所示。

進(jìn)入已到達(dá)任務(wù)窗口，點(diǎn)擊創(chuàng)建的任務(wù)前面評(píng)審單號(hào)鏈接，進(jìn)入WOF列表，進(jìn)行參數(shù)的輸入，包括自動(dòng)扶梯的選擇、扶梯寬度、傾斜角度、室內(nèi)外區(qū)分、桁架出貨形式、有無(wú)支撐等參數(shù)。輸入界面如圖7所示，參數(shù)輸入完成后點(diǎn)擊保存。

圖4 計(jì)算建模任務(wù)創(chuàng)建

創(chuàng)建任務(wù)成功后，剛剛創(chuàng)建的任務(wù)的任務(wù)信息進(jìn)入已到達(dá)的任務(wù)，如圖6所示。

圖5 計(jì)算建模任務(wù)創(chuàng)建

圖6 已達(dá)到任務(wù)

任務(wù)創(chuàng)建成功后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)所輸入自動(dòng)扶梯桁架參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，從數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行選配，進(jìn)行自動(dòng)扶梯桁架零部件的組合，需要用到哪些桿件，相對(duì)應(yīng)的圖號(hào)會(huì)根據(jù)選配邏輯進(jìn)行一系列篩選，篩選出所需BOM，針對(duì)BOM輸出相對(duì)應(yīng)的CSV表數(shù)據(jù)，表中數(shù)據(jù)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(dá)到任務(wù)

圖8 已達(dá)到任務(wù)

根據(jù)以上用戶來(lái)料信息，用戶需求表，程序會(huì)自動(dòng)計(jì)算個(gè)部件的結(jié)構(gòu)尺寸，計(jì)算過(guò)程結(jié)束后，通過(guò)接口啟動(dòng)CAD任務(wù)程序，自動(dòng)生成相應(yīng)的三維實(shí)體模型，還可以接口自動(dòng)調(diào)取ANSYS進(jìn)行后臺(tái)運(yùn)算分析。

實(shí)現(xiàn)后臺(tái)調(diào)用的關(guān)鍵代碼如下：

4 結(jié)論

自動(dòng)扶梯系統(tǒng)由于應(yīng)用場(chǎng)合復(fù)雜多樣，設(shè)計(jì)人員的工作量很大，通過(guò)開發(fā)自動(dòng)化扶梯桁架建模系統(tǒng)，可以提高工作效率，降低設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高設(shè)計(jì)工具的適應(yīng)性，本文通過(guò)設(shè)計(jì)接口程序，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)訂單信息和產(chǎn)品需求參數(shù)的自動(dòng)化讀取與計(jì)算，基于以上結(jié)果，調(diào)用三維實(shí)體建模軟件，完成了模型的自動(dòng)化建立，以上過(guò)程不需要認(rèn)為干預(yù)，完全自動(dòng)完成，這對(duì)于扶梯桁架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算具有一定的參考意義。