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摘 要：3D 设计是机械产品设计的趋势，参数化方法是提升 3D 设计效率的有效方法。两者结合起来，极有利于设计和管理部件近似度极高的电梯产品。下面我简单介绍下 3D 参数化设计方法的理论基础，和广阔前景。
关键词：电梯；3D 设计；参数化
中图分类号： TU857文献标识码：A 文章编号：
在激烈竞争的市场环境中，很少有公司能够自己设计、生产所需的所有产品零部件。在公司内部，也很少由一个设计工程师设计所有的产品零部件。为加速产品的上市过程，产品往往基于以往的设计进行改型，并大量使用标准的外购件，以降低重复设计成本并节省时间。为提高客户满意度并降低材料成本，尽可能优化设计方案，产品的更改必不可少。为了保持优势，超前的研发投资和知识保护变得尤为重要，而企业的设计过程离不开数据的管理。所以，与单一零件设计相比，工程师面临的更大挑战是如何在计算机中高效地协同设计和仿真虚拟的产品，如何有效地管理产品设计中所产生的大量数据，并能在有限的硬件资源上进行这样的操作。设计工程师需要3DCAD系统提供更高效的装配设计、仿真和管理功能。 在许多世界级大企业中，被广泛应用的计算机辅助三维设计(CAD)的高端主流软件SolidWorks的装配模块，就采用了虚拟装配技术，即便是在产品设计的初期阶段，所产生的最初模型也可放人虛拟环境进行实验，可在虚拟环境中创建产品模型，使产品的外表、形状和功能得到模拟，而且有关产品的人机交互性能也能得到测试和校验，产品的缺陷和问题在设计阶段就能被及时发现并加以解决。一、虚拟装配的实施方案和步骤 虚拟装配是新兴的虚拟产品开发研究的重要内容。采用虚拟装配技术，可在设计阶段验证零件之间的配合和可装配性，保证设计的正确性。随着社会的发展，虚拟制造成为制造业发展的重要方向之一。而虚拟装配技术作为虚拟制造的核心技术之一，也越来越引人注目。虚拟装配的实现，有助于对产品零部件进行虚拟分析和虚拟设计，有助于解决零部件从设计到生产出现的技术问题，以达到缩短产品开发周期、降低生产成本及优化产品性能等目的。根据电梯产品设计的特点，其装配要求很高，对其安装有一系列安装与检测国家标准，所以在虚拟安装设计时，要求零件精度很高，特别注重装配顺序、装配关系，对装配结果要做干涉检查等。因为电梯产品零部件很多，为快速设计，对有些是外构件，如绳轮组件、限速器组件等。在装配过程中，只需知道其外部形状及装配关系即可，还有些是标准件、通用件，如六角螺栓、槽钢等。像此类零部件可统一设计在库里，以求工程设计人员都能调用，提高效率。二、零件3D参数化设计技术 机械产品的3D设计，主要包括产品零件的3D建模与设计、虚拟装配与干涉检查、关键零部件的结构有限元分析与优化、2D工程图的转换和参数标注等。三维参数化设计软件的思想，是零件尺寸的参数驱动，即在设计零件之初，只要给出零件外形轮廓，后续只需通过简单的表达式来给变量赋值，定义几何尺寸。SolidWorks不仅记录了建模过程中的尺寸定义，而且将整个建模过程中的特征操作，完整地记录下来，只需给尺寸变量赋值，就可以实现模型更新。当然，参数化设计也是要遵循一定规律的，并不是针对任何零部件都可以进行参数化设计，只有结构尺寸相对标准化、系列化，国标或厂标对其有准确描述的零件，才可以进行参数化设计。例如电梯主机部件中所使用的各种垫片、螺钉、螺母、轴承以及齿轮等部件，就完全可实现参数化设计。利用SolidWorks简单、快速的建模功能，在最短时间里按照客户提供的外部接口尺寸和性能要求，设计出合适的零件。三、基于特征的产品虚拟装配设计 电梯运行的质量，取决于电梯的安装质量，而主机机房单元的安装，在电梯安装中占有重要地位。
四、3D 参数化方法优势
目前，电梯行业的产品图纸主要还是以 2D 图纸为主。2D 图纸的一个特点是彼此之间不存在关联。譬如，部件 A1 下的零件 B1 需要维护时，A1 和 B1 的图纸需要逐一修改；参考 A1、B1、C1 进行新品设计 A2、B2、C2 时，A2、B2、C2 的图纸也需要重新绘制；当 A1、A2 等逐渐形成部件族后，若进行共性的改进，操作也是机械而重复的。
就是将设计要求、设计原则、设计方法和设计结果用灵活可变的参数来表示，以便根据实际情况随时加以更改。在 CAD 中，要实现参数化设计，参数化模型的建立是关键。参数化模型表示了零件图形的几何约束和工程约束。几何约束包括结构约束和尺寸约束。结构约束是指几何元素之间的拓扑约束关系，如平行、垂直、相切、对称等；尺寸约束则是通过尺寸标注表示的约束，如距离尺寸、角度尺寸、半径尺寸等。工程约束是指尺寸之间的约束关系，通过定义尺寸变量及它们之间在数值上和逻辑上的关系来表示。在参数化设计系统中，设计人员根据工程关系和几何关系来指定设计要求。
要满足这些设计要求，不仅需要考虑尺寸或工程参数的初值，而且要在每次改变这些设计参数时来维护这些基本关系，即将参数分为两类：其一为各种尺寸值，称为可变参数；其二为几何元素间的各种连续几何信息，称为不变参数。参数化设计的本质是在可变参数的作用下，系统能够自动维护所有的不变参数。
因此，参数化模型中建立的各种约束关系，正是体现了设计人员的设计意图。参数化设计可以大大提高模型的生成和修改的速度，在产品的系列设计及相似设计方面具有很大的应用价值。而在电梯领域，无论是零件还是部件，恰恰都很容易形成高度近似的族，即彼此间的“参考”十分显著。其特点是，同一类的零件，其特征的有无有相似性，而特征的数量、数值和位置往往是变化的；同一类的部件，其零件的数量配置和装配关系有相似性，而零件的具体选型是变化的。这就希望零部件的模型具有易于修改的柔性，并且在部件中能够很方便地实施零件的替换。与 2D 图纸方法相比，使用 3D 参数化方法进行初次设计时，零部件对象的数量（部件 A1、零件 B1、零件 C1）是相同的，此外还必须实施参数化操作（据 A1、数据 B1、数据 C1），然后，以此为基础的参考设计和图纸维护就会便利许多。譬如，当需要参考“零件 B1”新设计“零件 B2”时，仅需人工编制一组新的“数据 B2”，即可自动实现由“零件 B1”到“零件B2”的变形；当需要对“零件 C1”和“零件 C2”进行共性修改时，仅需人工改动“零件 C1”的特征，而“零件C2”则可依据原有的“数据 C2”获得更新。这样，在进行 3D 参数化设计时，零部件间的“参考”关系就获得了有效的管理和运用。
五、3D 参数化方法示例
目前常用的参数化设计 CAD 软件中，主流的应用软件有 Pro/Engineer、NX、CATIA 和 Solidworks 四大软件，其中，NX 目前在传统的制造行业比如汽车、航空航天等行业上两软件占据绝对的市场份额。以下将以 NX 为例，介绍一些 3D 参数化方法在电梯设计中的示例。NX 的电子表格提供了在 MS Excel 或 Xess 与NX 间的一个智能接口
事实上，表格驱动的界面及机内函数为相关的参数化设计提供了方便而有力的工具。当一个部件被载入时，在 NX 的用户入口(Gateway)应用中，选择“工具”→“电子表格”可存取Gateway 的电子表格。该电子表格与部件一起存储，可用于存储有关的非几何体数据。电子标的强大功能之一就是能够用来定义部件的变异，根据表格里可能的系列参数数据来更新部件。这种操作可以代替部件家族功能，生成家族成员部件，并赋予他们读写权限，还可以单独编译。除能够影响当前的工作部件之外，NX 的电子表格还能管理装配组合体。电子表格函数允许抽取部件的属性值，并将它赋予组件下级部件的电子表格，以产生由顶级装配决定的变异。也就是说，合理设计后的组件，即使包含了多层次多数量的下属零件，也
仅需要在唯一的顶级装配中调整参数，就能自动引起整个组合体的改变。以下是一组两块参数化设计的轿箱门板组件。
结语：综上所述，随着电梯产量的快速上升，客户需求的极度多样化，设计部门需出具的新增图纸、需维护的历史图纸的数量都在急速增长，各厂家大量宝贵的高知人力不得不羁绊消耗于此。如何升级设计手段，提高工作效率，是本行业共同面临的一项挑战。而寻找新型的设计软件，探索新颖的设计方法，或能成为一条可行的途径。在研究分析轴孔磨损的过程中，改变配合方式就能够降低轴孔磨损和轴振动；更换轴的材质或增加转轴的尺寸也能够很好的降低轴裂的发生率；轴承的损坏可以通过改变轴承类型来满足要求。
参考文献：
[1] 罗金桥，杨 波，邓楚南. 应用 UG NX 软件时间骑车零部件的参数化设计[J]. CAD/CAM 与制造业信息化，2006，(5):68-70.
[2] 田彧，王大军. 电梯轿箱结构模块化和参数化设计研究[J].机电产品开发与创新，2006，6（19）: 29-30.
[3] 薛成超. 自动扶梯参数化设计框架构建及若干模块的开发[D]. 沈阳：东北大学，2008（3）: 37-38.
[4] 赵 波，陈向军. UG NX4 相关参数化设计培训教程[M]. 北京: 清华大学出版社，2007.
关键词：电梯；3D 设计；参数化
中图分类号： TU857文献标识码：A 文章编号：
在激烈竞争的市场环境中，很少有公司能够自己设计、生产所需的所有产品零部件。在公司内部，也很少由一个设计工程师设计所有的产品零部件。为加速产品的上市过程，产品往往基于以往的设计进行改型，并大量使用标准的外购件，以降低重复设计成本并节省时间。为提高客户满意度并降低材料成本，尽可能优化设计方案，产品的更改必不可少。为了保持优势，超前的研发投资和知识保护变得尤为重要，而企业的设计过程离不开数据的管理。所以，与单一零件设计相比，工程师面临的更大挑战是如何在计算机中高效地协同设计和仿真虚拟的产品，如何有效地管理产品设计中所产生的大量数据，并能在有限的硬件资源上进行这样的操作。设计工程师需要3DCAD系统提供更高效的装配设计、仿真和管理功能。 在许多世界级大企业中，被广泛应用的计算机辅助三维设计(CAD)的高端主流软件SolidWorks的装配模块，就采用了虚拟装配技术，即便是在产品设计的初期阶段，所产生的最初模型也可放人虛拟环境进行实验，可在虚拟环境中创建产品模型，使产品的外表、形状和功能得到模拟，而且有关产品的人机交互性能也能得到测试和校验，产品的缺陷和问题在设计阶段就能被及时发现并加以解决。一、虚拟装配的实施方案和步骤 虚拟装配是新兴的虚拟产品开发研究的重要内容。采用虚拟装配技术，可在设计阶段验证零件之间的配合和可装配性，保证设计的正确性。随着社会的发展，虚拟制造成为制造业发展的重要方向之一。而虚拟装配技术作为虚拟制造的核心技术之一，也越来越引人注目。虚拟装配的实现，有助于对产品零部件进行虚拟分析和虚拟设计，有助于解决零部件从设计到生产出现的技术问题，以达到缩短产品开发周期、降低生产成本及优化产品性能等目的。根据电梯产品设计的特点，其装配要求很高，对其安装有一系列安装与检测国家标准，所以在虚拟安装设计时，要求零件精度很高，特别注重装配顺序、装配关系，对装配结果要做干涉检查等。因为电梯产品零部件很多，为快速设计，对有些是外构件，如绳轮组件、限速器组件等。在装配过程中，只需知道其外部形状及装配关系即可，还有些是标准件、通用件，如六角螺栓、槽钢等。像此类零部件可统一设计在库里，以求工程设计人员都能调用，提高效率。二、零件3D参数化设计技术 机械产品的3D设计，主要包括产品零件的3D建模与设计、虚拟装配与干涉检查、关键零部件的结构有限元分析与优化、2D工程图的转换和参数标注等。三维参数化设计软件的思想，是零件尺寸的参数驱动，即在设计零件之初，只要给出零件外形轮廓，后续只需通过简单的表达式来给变量赋值，定义几何尺寸。SolidWorks不仅记录了建模过程中的尺寸定义，而且将整个建模过程中的特征操作，完整地记录下来，只需给尺寸变量赋值，就可以实现模型更新。当然，参数化设计也是要遵循一定规律的，并不是针对任何零部件都可以进行参数化设计，只有结构尺寸相对标准化、系列化，国标或厂标对其有准确描述的零件，才可以进行参数化设计。例如电梯主机部件中所使用的各种垫片、螺钉、螺母、轴承以及齿轮等部件，就完全可实现参数化设计。利用SolidWorks简单、快速的建模功能，在最短时间里按照客户提供的外部接口尺寸和性能要求，设计出合适的零件。三、基于特征的产品虚拟装配设计 电梯运行的质量，取决于电梯的安装质量，而主机机房单元的安装，在电梯安装中占有重要地位。
四、3D 参数化方法优势
目前，电梯行业的产品图纸主要还是以 2D 图纸为主。2D 图纸的一个特点是彼此之间不存在关联。譬如，部件 A1 下的零件 B1 需要维护时，A1 和 B1 的图纸需要逐一修改；参考 A1、B1、C1 进行新品设计 A2、B2、C2 时，A2、B2、C2 的图纸也需要重新绘制；当 A1、A2 等逐渐形成部件族后，若进行共性的改进，操作也是机械而重复的。
就是将设计要求、设计原则、设计方法和设计结果用灵活可变的参数来表示，以便根据实际情况随时加以更改。在 CAD 中，要实现参数化设计，参数化模型的建立是关键。参数化模型表示了零件图形的几何约束和工程约束。几何约束包括结构约束和尺寸约束。结构约束是指几何元素之间的拓扑约束关系，如平行、垂直、相切、对称等；尺寸约束则是通过尺寸标注表示的约束，如距离尺寸、角度尺寸、半径尺寸等。工程约束是指尺寸之间的约束关系，通过定义尺寸变量及它们之间在数值上和逻辑上的关系来表示。在参数化设计系统中，设计人员根据工程关系和几何关系来指定设计要求。
要满足这些设计要求，不仅需要考虑尺寸或工程参数的初值，而且要在每次改变这些设计参数时来维护这些基本关系，即将参数分为两类：其一为各种尺寸值，称为可变参数；其二为几何元素间的各种连续几何信息，称为不变参数。参数化设计的本质是在可变参数的作用下，系统能够自动维护所有的不变参数。
因此，参数化模型中建立的各种约束关系，正是体现了设计人员的设计意图。参数化设计可以大大提高模型的生成和修改的速度，在产品的系列设计及相似设计方面具有很大的应用价值。而在电梯领域，无论是零件还是部件，恰恰都很容易形成高度近似的族，即彼此间的“参考”十分显著。其特点是，同一类的零件，其特征的有无有相似性，而特征的数量、数值和位置往往是变化的；同一类的部件，其零件的数量配置和装配关系有相似性，而零件的具体选型是变化的。这就希望零部件的模型具有易于修改的柔性，并且在部件中能够很方便地实施零件的替换。与 2D 图纸方法相比，使用 3D 参数化方法进行初次设计时，零部件对象的数量（部件 A1、零件 B1、零件 C1）是相同的，此外还必须实施参数化操作（据 A1、数据 B1、数据 C1），然后，以此为基础的参考设计和图纸维护就会便利许多。譬如，当需要参考“零件 B1”新设计“零件 B2”时，仅需人工编制一组新的“数据 B2”，即可自动实现由“零件 B1”到“零件B2”的变形；当需要对“零件 C1”和“零件 C2”进行共性修改时，仅需人工改动“零件 C1”的特征，而“零件C2”则可依据原有的“数据 C2”获得更新。这样，在进行 3D 参数化设计时，零部件间的“参考”关系就获得了有效的管理和运用。
五、3D 参数化方法示例
目前常用的参数化设计 CAD 软件中，主流的应用软件有 Pro/Engineer、NX、CATIA 和 Solidworks 四大软件，其中，NX 目前在传统的制造行业比如汽车、航空航天等行业上两软件占据绝对的市场份额。以下将以 NX 为例，介绍一些 3D 参数化方法在电梯设计中的示例。NX 的电子表格提供了在 MS Excel 或 Xess 与NX 间的一个智能接口
事实上，表格驱动的界面及机内函数为相关的参数化设计提供了方便而有力的工具。当一个部件被载入时，在 NX 的用户入口(Gateway)应用中，选择“工具”→“电子表格”可存取Gateway 的电子表格。该电子表格与部件一起存储，可用于存储有关的非几何体数据。电子标的强大功能之一就是能够用来定义部件的变异，根据表格里可能的系列参数数据来更新部件。这种操作可以代替部件家族功能，生成家族成员部件，并赋予他们读写权限，还可以单独编译。除能够影响当前的工作部件之外，NX 的电子表格还能管理装配组合体。电子表格函数允许抽取部件的属性值，并将它赋予组件下级部件的电子表格，以产生由顶级装配决定的变异。也就是说，合理设计后的组件，即使包含了多层次多数量的下属零件，也
仅需要在唯一的顶级装配中调整参数，就能自动引起整个组合体的改变。以下是一组两块参数化设计的轿箱门板组件。
结语：综上所述，随着电梯产量的快速上升，客户需求的极度多样化，设计部门需出具的新增图纸、需维护的历史图纸的数量都在急速增长，各厂家大量宝贵的高知人力不得不羁绊消耗于此。如何升级设计手段，提高工作效率，是本行业共同面临的一项挑战。而寻找新型的设计软件，探索新颖的设计方法，或能成为一条可行的途径。在研究分析轴孔磨损的过程中，改变配合方式就能够降低轴孔磨损和轴振动；更换轴的材质或增加转轴的尺寸也能够很好的降低轴裂的发生率；轴承的损坏可以通过改变轴承类型来满足要求。
参考文献：
[1] 罗金桥，杨 波，邓楚南. 应用 UG NX 软件时间骑车零部件的参数化设计[J]. CAD/CAM 与制造业信息化，2006，(5):68-70.
[2] 田彧，王大军. 电梯轿箱结构模块化和参数化设计研究[J].机电产品开发与创新，2006，6（19）: 29-30.
[3] 薛成超. 自动扶梯参数化设计框架构建及若干模块的开发[D]. 沈阳：东北大学，2008（3）: 37-38.
[4] 赵 波，陈向军. UG NX4 相关参数化设计培训教程[M]. 北京: 清华大学出版社，2007.