斜梯的模块化设计及三维应用

赵怿杰

摘 要：通过对斜梯模塊的划分与设计，总结了斜梯模块化的特点，结合Inventor三维软件参数化设计的应用，不仅提高了设计效率，而且还降低了生产制造及运输的成本。

关键词：斜梯；模块化；三维；参数化；多实体；ilogic；Inventor

中图分类号：U653.921 文献标识码：A 文章编号：2095-2945（2017）22-0098-02

引言

对于起重产品来说，设计阶段是产品交付的首道和关键工序，是影响产品按期交货的瓶颈，也是该行业的共性问题。斜梯作为轮胎式集装箱龙门起重机中不可或缺的一部分，由于其高度、角度及标准的多样性，导致了图纸种类繁多，设计周期长等诸多问题。一般情况下，当设计人员接到项目后，往往是凭个人的工作经验以及以往设计过的图纸进行修改，然后投入生产。这样不仅效率低，而且容易出错，有没有更加高效的方法呢？通过集思广益，最终决定采用模块化设计来实现，不仅能提高设计效率，而且还降低了生产制造及运输的成本。

1 斜梯的模块化设计

1.1 模块化的定义

模块化一般是指使用模块的概念对产品或系统进行规划设计和生产组织。模块化设计是指在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场的不同需求的设计方法。

1.2 斜梯模块的划分与设计

模块化设计是模块化生产的前提。首先，我们要总结斜梯的变化规律，对其进行拆分并研究每一个零件。然后，通过功能的分析，划分出相应的模块。原斜梯由所有零件焊接而成，缺点是焊接及焊后打磨工作量大，体积大不利于摆放及运输，而且运输过程中容易产生变形。针对以上问题，讨论后决定以将其拆分，然后通过焊接+螺栓连接的方式重新组合成新斜梯，见图1。图1中件1、2、3焊接组成一个栏杆模块，栏杆分为左侧和右侧，当其中一侧靠近结构时，就可以考虑不装栏杆，也就是说可以根据需要选择装一侧还是两侧栏杆；件4、5、6、7、8焊接组成一个平台模块；最后将这两个模块通过螺栓连接，组装在一起就行了。将模块再细分，其中有的零件还可以做成标准件，设计需要时，就可以直接从标准件库中选取，从而使复杂问题条理化，减少低层次的重复劳动，设计师便可将主要精力投向新技术、新产品。可以做成标准件的零件如下：件3是角钢，OSHA标准时用L63*63*6的规格，EN标准时用L50*50*5的规格，根据斜梯角度45°和50°设计成2种不同的长度；件4是踏步，根据斜梯宽度500mm、550mm、600mm定制成3多个标准件；件5是下头板、件8是上头板，根据斜梯角度45°和50°分别制作成2种不同的标准件；件6是连接板，只有一种规格的标准件。非标件如下：件1是上栏杆，件2是下栏杆，栏杆直径有42.3mm、33.5mm、26.8mm，根据标准采购不同直径的钢管，通过弯管机制作；件7是扁钢，采购来根据斜梯长度切割。

1.3 斜梯模块化的特点

斜梯模块化后主要具有以下几个特点：

（1）有利于缩短产品的设计、制造和供货期限。斜梯模块化后，大部分零件都是标准件，可以提前生产备库，只要根据需要选用就行，缩短了设计周期。斜梯各模块可集中在专门车间进行专业化批量加工，可使单件小批量生产变为相当批量的规模生产，有的可采用先进的加工设备、加工工艺及CAD/CAM等技术，提高生产效率，减少加工误差。比如斜梯上、下头板和连接板可以数控机床加工，精度高，速度快。传统的以产品为单位组织生产的方式将变为以模块为单位组织生产，同一功能的模块，其加工的工艺流程及工艺装备都是定型的，故产品的制造周期比传统的制造周期要短。因此，产品的短周期设计与制造，导致其供货周期缩短，从而满足市场的要求。

（2）便于运输及维修，降低成本。斜梯的每个模块都可以独立堆叠摆放及运输，占用空间比以前小很多，而且形状规整运输不易变形，减少运输费用。维护和修理也更方便，任何一个模块有问题都可以单独拆下维修，节约修理费用。如果防腐要求不是特别高的话，栏杆模块甚至可以不整体热浸锌处理，直接买镀锌管与角钢焊接，最后涂油漆。

（3）有利于企业采用先进技术改造旧产品，开发新产品。随着竞争的日益加剧，企业需要不断增强对市场需求的快速应变能力，靠传统的设计与制造方法显然是困难的。利用模块化设计制造方法，可以不断地采用新技术，革新那些在结构上或技术上已经陈旧的模块，并在不改变其他模块的基础上集合成先进的产品，使产品不断保持先进性，从而增强企业对市场变化的适应能力。

2 斜梯模块化的三维应用

传统的二维CAD软件已经无法满足快速的模块化配置需求，但是三维CAD软件能做到。Inventor作为Autodesk公司一款面向产品开发的三维CAD软件，可以帮助设计人员更为轻松地重复利用已有的设计数据，生动地表现设计意图。借助其中全面关联的模型，零件设计中的任何变化都可以反映到装配模型和工程图文件中。我们是采用什么方式实现快速建模，又是如何通过参数化设计来实现斜梯模块的快速配置呢？接下来介绍一下Inventor软件的2个最核心的功能：

（1）多实体零件。多实体零件是一种中心设计，由可导出为独立零件文件的实体中所包含的特征组成，使用多实体零件来推动由上而下的设计工作流非常有效。本质上，可将多实体零件作为布局处理，但在零件造型环境中进行。在单个零件文件中创建和定位多个实体以实现设计。然后，将实体衍生出零件文件，将文件放置到目标部件中。以斜梯为例，通常包含多个共享复杂曲线的零件。如果使用布局和草图块来代表斜梯，则在自上而下的模式中向组成零件传达复杂曲线会非常困难。如果使用多实体零件，则可以一开始将斜梯作为单个实体来创建整个斜梯，然后将实体处理为所需形状。接着，将单个实体分割为多个实体，来代表踏步、连接板等类似零部件。在目标部件中使用“生成零件”或“生成零部件”来将实体衍生出零件文件。其优点就是生成的零件及部件与多实体关联，并随之变化，而且装配件中的零件或部件不需要装配约束，直接在原点固定就行，因为它们都是公用同一个坐标系的。无装配约束的文件比每个零件都有装配约束的文件运行速度会快很多。

（2）ilogic规则。ilogic是嵌入到Inventor中的一个规则驱动程序，通过设定一些规则来达到驱动模型进行修改的目的，只需要写一些简单的代码即可完成一些繁琐的步骤，比较简单易学。ilogic将规则作为对象直接嵌入到零件、部件和工程图文档中。规则可确定并驱动设计的参数和属性值，通过控制这些值，可以定义模型的属性、特征和零部件的行为。ilogic规则可以利用Inventor 中当前可用的自定义参数类型，使用这些参数类型来编写规则。在斜梯骨架中，主要编写规则驱动相关零件的不同尺寸；在斜梯装配中，主要编写规则传递参数及控制零件的有无；在斜梯工程图中，主要编写规则控制视图的定位、比例及有无。通过规则编写，实现斜梯自顶向下的参数传递及更新，包括BOM表。

为了方便工程师使用，我们在装配体中添加了一个表单“模型参数”，加入控制参数，只要在此表单中选择标准、角度、宽度、栏杆形式以及填写所需的高度，点击“确定”，三维模型就会立即更新，图2、3、4分别是对应不同模型参数的三维斜梯图。更新模型并保存后，打开相应的斜梯装配工程图、平台工程图、栏杆工程图，就能看到已经自动更新好的图纸。经过前期的对每个零件属性的设置，工程图明细表以及标题栏中的重量都是自动关联更新的，工程师只要输入图号就行了。以前在CAD中修改2小时的图纸，现在2分钟就能搞定，效率和准确率大幅提升。

3 结束语

模块化设计是产品设计的发展趋势，随着模块化设计在机械领域的广泛推广并结合三维参数化设计的应用，不仅对企业的设计及制造周期的缩短起到了关键作用，还能有效降低生产制造成本，是值得大力发展的一种产品设计方法。

参考文献：

[1]胡仁喜.Autodesk Inventor 2014基础培训教程[M].北京：电子工业出版社，2014，1.

[2]顾新建，等.机电产品模块化设计方法和案例[M].北京：机械工业出版社，2014，1.