虚拟装配技术在自动扶梯设计中的合理运用

刘新生

摘要：近几年来，随着科技水平的不断提升，虚拟装配技术应运而生并得到了广泛应用，极大地促进了制造业的迅猛发展。本文主要以自动扶梯设计为例，对虚拟装配技术进行具体分析，借助Solid Works三维软件设计系统，实现对自动扶梯参数的建模和虚拟装配，并对装配体进行干涉检查，从而预测自动扶梯的使用性能，优化其设计。

关键词：虚拟装配技术；自动扶梯设计；参数化建模；干涉检查

伴随物质生活水平的不断提高，对产品制造也提出来了更高的要求，为了使产品具有更优良的性能，虚拟制造由此产生，而虚拟装配技术作为其中最为重要的一部分，其重要意义不言而喻。

1、虚拟装配技术简单概述

1.1 技术含义

虚拟装配技术属于虚拟现实的一种，主要是借助计算机软件系统，将产品设计的主要数据和零部件模型輸入计算机，在计算机软件的帮助下，将产品设计仿真模拟，根据计算机模拟的产品模型，对不合理的设计之处进行修改，从而完善产品的性能。

1.2 技术内容

虚拟装配技术涉及较多的关键技术，比如说装配建模、装配规划、装配拆装、装配环境等多种技术，这些技术的综合运用，能够在产品仿真模型的基础上，对制造产品设计进一步优化。现对几种关键技术进行分析，首先是装配建模技术，该技术主要分为物理建模与几何建模量方面，通过建模能够充分了解零部件信息，以及零部件之间的相关信息。其次是装配规划技术，该技术主要是对零部件信息进行求解和分析，从而判断合理的装配路径。最后，装配环境技术，主要针对装配环境下产品的物理特性进行研究，根据相关的物理规律，对物体进行检验分析，从而提高装配的准确度[1]。

2、自动扶梯的构造设计

对于大型商场、地铁站、火车站等而言，每天的人流量较多，需要借助一定的运输工具实现楼层之间的上下运输，而自动扶梯基于强大的运输能力，在这些公共场所逐渐得到重视。自动扶梯主要以30-35度的倾斜为宜，通过固定的电力驱动设备，实现扶梯的上下循环运动，对于总体构造而言，主要包含驱动装置、金属结构架、牵引链条、梯路导轨系统、梯级、扶手等结构。基于自动扶梯的构造较多，其中含有的各种零部件也自然较多，如果直接采用人工装配，将带来较多的问题，借助虚拟装配技术，对自动扶梯装配进行仿真模拟，可以将部件之间的关系进一步了解，在具体分析的基础上优化装配路径，从而使自动扶梯设计更加准确。

3、自动扶梯设计运用虚拟装配技术

3.1 零部件的参数化建模

参数化建模工具与平台，是进行零部件参数化建模的基础条件，当前采用最多的参数化建模软件应属于Solid Works三维软件，本文也将采用该种建模软件对自动扶梯设计进行分析。首先，确定零部件的参数，零部件的特征模型应根据确定的参数进行创建，并在系统中将参数作为主要的设计变量。其次，选择合理的建模顺序，由于自动扶梯零部件较多，总体构造十分复杂，进行参数化建模时不能一概而论，应根据不同的结构特征确定建模顺序，理清部件之间的相互关系，根据自动扶梯构造之间的主次确定顺序。最后，参数化模型建立后，根据设计要求和国家相关标准，赋予参数数值，在分析处理的基础上对参数优化修改，简化实体特征结构[2]。

3.2 自动扶梯的虚拟装配

自动扶梯构造较多，零部件数量更是不计其数，对于这样复杂的装配体，采用合理的装配方式十分关键。当前，装配方式主要有两种，一是自上而下进行装配，该种装配方式主要根据装配体进行设计，设计开始是对草图进行设计，然后再将零部件位置固定，在此基础上获得数据并实现零部件设计，最后将零部件装配到装配体之中；二是自下而上的装配方法，即将大的装配体拆分为多个零部件，在进行多个零部件组装过程中，对每个零部件细节进行修改，最终根据装配定位，实现零部件的装配。由于自动扶梯零部件较多，应以采取自下而上的装配方式，在确定装配层次、顺序、约束后，实现自动扶梯的虚拟装配。

首先，自动扶梯装配层次的确定。装配层次确定，主要是将多样复杂的零部件进行分类，将零部件形成成组零件，利用Solid Works三维软件，主要将自动扶梯装配层次分为总装配体和子装配体，子装配体将根据扶梯的结构进行确定，主要分为主动轮、从动轮、传动链条、扶梯支架、梯路导轨系统等多个子装配体。

其次，自动扶梯装配顺序的确定。装配顺序的确定应根据零部件之间的关系确定，往往首先要确定基准部件，在此基础上进行其他零部件的装配，对于自动扶梯而言，金属结构应作为扶梯的基准部件，然后按照子装配体之间，以及零部件之间的关系，逐渐实现总装配体的组装。

最后，自动扶梯装配约束的确定。装配约束主要是指零部件之间的关系，进行装配约束确定，一是要将零部件进行定位，确定零部件位置，二是要对装配特征进行约束，确定装配体的紧固性与稳定性。

3.3 自动扶梯的干涉检查

进行干涉检查，主要是检查自动扶梯装配体格零部件之间是否存在干涉，一方面是指零部件的位置是否相互干涉，另一方面是指零部件在运动过程中是否相互干涉，进行干涉检查后，发现零部件之间存在干涉情况，应及时借助Solid Works软件，对运动干涉和体积干涉进行检查，对零件的设计模型进行修改，实现装配关系优化。

（1）运动干涉检查。该方式的干涉检查，主要对零部件在运动状态下是否发生碰撞进行检查，选用软件中的移动或者旋转命令，会弹出相应的管理器窗口，实现自动扶梯零部件的虚拟仿真运动，若零部件之间存在干涉时，系统会在出现问题的零部件位置出现高亮显示，并发出相应的声音。设计人员可进行优化设计，消除干涉 [3]。

（2）体积干涉检查。各种零部件在装配过程中会受到多种因素影响，从而使零部件存在位置错误，或者零部件之间发生干涉，进行体积干涉检查就是将以上干涉进行确认，在此基础上采取措施进行修改。

3.4 自动扶梯的物理模拟

物理模拟又称运动模拟，是借助Solid Works软件工具，模拟零部件在引力、弹簧、马达等各种配合力下所产生的运动效果，并通过软件将模拟的动画图进行播放，根据自动扶梯的仿真运动，更加准确地检验自动扶梯的稳定性。Solid Works软件下，自动扶梯物理模拟图如图1所示。

4、结语

综上所述，借助Solid Works软件对自动扶梯进行虚拟装配，有利于自动扶梯的优化设计，通过参数化建模使零部件实体特征输入软件，对自动扶梯进行装配层次、顺序、约束等划分和确定，最终实现了自动扶梯的虚拟装配。通过软件进行干涉检查，对自动扶梯零部件装配的稳定性进行评价分析，实现自动扶梯物理模拟。

参考文献：

[1] 刘浩然，单莹，徐浩然，刘金明. 基于Unity3D的自动扶梯虚拟仿真展示[J]. 电脑知识与技术，2015，10：165-166.

[2] 韩勇，王洁，程永强，丁尔启. 虚拟装配技术研究[J]. 航空制造技术，2012，Z2：97-101.

[3] 姚理，刘慧琴，何小国，刘建锋. 基于CATIA中DELMIA的虚拟装配技术的应用[J]. 机械，2014，02：46-50.