謝國進(jìn)，何澤強(qiáng)，黃光永，諶炎輝

（廣西科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西柳州545006）

基于Creo的裝載機(jī)抱叉三維建模及運(yùn)動(dòng)仿真

謝國進(jìn)，何澤強(qiáng)，黃光永，諶炎輝

（廣西科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西柳州545006）

抱叉作為一種以輪式裝載機(jī)為基礎(chǔ)而開發(fā)的器械，具有高效、適應(yīng)性強(qiáng)、用途寬廣、操作方便等特點(diǎn)。借助C reo 2.0軟件對(duì)裝載機(jī)抱叉進(jìn)行三維實(shí)體的構(gòu)建，在Creo集成環(huán)境中對(duì)抱叉進(jìn)行虛擬裝配，將裝配完畢的虛擬樣機(jī)導(dǎo)入C reo Parametric機(jī)構(gòu)分析模塊，對(duì)其進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，結(jié)果表明裝載機(jī)抱叉運(yùn)動(dòng)良好且無干涉，驗(yàn)證了裝載機(jī)抱叉的設(shè)計(jì)初步可行，Creo原始數(shù)據(jù)能為后續(xù)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化工作提供分析與借鑒。

裝載機(jī)抱叉；Creo Parametric；三維建模；運(yùn)動(dòng)仿真

裝載機(jī)是一種通過在前端安裝一個(gè)鏟斗、抱叉等不同工作裝置，隨著裝載機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行裝載或抱夾，以及舉升、運(yùn)輸和卸載的工程機(jī)械。抱叉是一種為了滿足輪式裝載機(jī)適應(yīng)不同作業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)，具有效率高、靈活性強(qiáng)、適應(yīng)性好、應(yīng)用范圍廣、操作簡(jiǎn)單方便等特點(diǎn)，尤其適合應(yīng)用于民用建筑、水利建設(shè)等需要裝卸、裝運(yùn)和堆砌圓形規(guī)則物料和不規(guī)則長形物料的大型工程，諸如在港口、林區(qū)裝卸堆砌木材；建設(shè)油田時(shí)利用抱叉轉(zhuǎn)運(yùn)和鋪設(shè)油管、鉆桿等作業(yè)過程；在碼頭或車站起重、牽引不規(guī)則圓形長物料的作業(yè)[1]。配置抱叉的輪式裝載機(jī)能夠縮短施工的時(shí)間、替代強(qiáng)度高的體力勞動(dòng)、降低人力資源成本、提高生產(chǎn)效率，所以它在我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的價(jià)值也越來越高。

CAD/CAM技術(shù)不僅能方便建立符合設(shè)計(jì)者意圖的三維模型，加快產(chǎn)品研發(fā)速度，還能將建立好的產(chǎn)品模型在設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)的條件下對(duì)實(shí)際工作狀況進(jìn)行仿真，通過仿真數(shù)據(jù)分析，可以看出所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是否符合要求，各運(yùn)動(dòng)件之間是否存在干涉，從而能在產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)出來之前進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，提高了設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，CAD/CAM技術(shù)在如今的研發(fā)、設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域已成為了必不可少的技術(shù)支持工具。Creo是Pro/ENGINEER的改進(jìn)產(chǎn)品，Creo Parametric是完全面向用戶的組件裝配的造模參數(shù)化應(yīng)用軟件，與早期手工繪制二維工程圖的設(shè)計(jì)技術(shù)相比，三維建模技術(shù)與實(shí)例仿真技術(shù)彌補(bǔ)了繪制、修改工程圖的繁瑣和設(shè)計(jì)周期長的缺點(diǎn)，增強(qiáng)了新產(chǎn)品的研發(fā)速率和穩(wěn)定性[2]。

1 抱叉的三維建模

裝載機(jī)工作裝置的抱叉由上叉體、下叉體和油缸組成，分別進(jìn)行建模，最后以機(jī)械約束集的方式裝配成抱叉。通過借助Creo Parametric中的草繪（Sketch）、拉伸（Extrude）、旋轉(zhuǎn)（Re．volve）、螺旋掃描（Helical Sweep）、造型（Style）、陣列（Pattern）、環(huán)形折彎（Toroidal Bend）等指令實(shí)現(xiàn)工作裝置參數(shù)化實(shí)體建模[3]。

1.1 上下叉體的建模

上叉體是由上叉體左夾叉、右夾叉、方鋼、擋板、支板、筋板焊接而成的。通過以上述參數(shù)化實(shí)體化建模方法先繪制上叉體右夾叉模型，然后以右夾叉為基礎(chǔ)依次繪制出方鋼、左夾叉、擋板、支板和筋板便可得到上叉體模型，如圖1所示。下叉體是由兩個(gè)夾叉，三個(gè)中間支座、三個(gè)圓鋼、兩塊橫梁彎板、一塊橫梁板焊接而成的。因此可以先建立圓鋼的模型，然后添加繪制另外兩個(gè)中間支座，并繪制橫梁彎板和橫梁板以支撐，最后繪制兩側(cè)的夾叉。下叉體模型，如圖2所示。上叉體與下叉體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)能改變抱叉的抱圓直徑，以便抱夾不同大小的物料，上叉體與下叉體相對(duì)位置的改變也會(huì)使得物料的受力位置和大小產(chǎn)生改變。

圖1 上叉體

圖2 下叉體

1.2 油缸活塞桿、缸體的建模

活塞桿的建模。首先，通過拉伸建立主體部分的圓柱，然后依次以圓柱底面為草繪平面拉伸兩個(gè)小圓柱，以圓柱的其中一個(gè)基準(zhǔn)平面為草繪面繪制一個(gè)封閉的半圓，使用旋轉(zhuǎn)特征生成一個(gè)球，再以通過球心的一個(gè)基準(zhǔn)平面為草繪面，繪制由弧線和直線組成的小半圓，用切除材料的方式拉伸后將球的兩側(cè)切除，使用孔特征在球上開一個(gè)通孔，可建立活塞桿的三維模型如圖3所示。油缸缸體的建模，其建模方法和活塞桿基本類似。首先繪制圓形，拉伸后得到缸體的外圓柱，以缸體上表面為草繪面繪制一個(gè)圓形，采用切除材料拉伸后得到缸體部分。然后再使用旋轉(zhuǎn)特征在缸體外表面上切槽，結(jié)合去除材料的方式拉伸生成其他細(xì)節(jié)部分，油缸缸體三維模型如圖4所示。

圖3 油缸活塞桿

圖4 油缸缸體

2 抱叉的裝配

2.1 上下叉體的裝配

操作步驟如下，第一步，在Creo Parametric中建立一個(gè)新的裝配文件并打開，單擊組裝按鈕打開下叉體，約束類型選取使其固定。第二步，打開上叉體模型，選取銷連接，分別選取上叉體孔的中心軸線和下叉體左右支座的中心軸線為軸對(duì)齊參考約束，上叉體的外側(cè)面和下叉體左右支座的內(nèi)側(cè)面兩平面為平移約束參考。第三步，打開油缸模型，選取銷連接，分別選取下叉體內(nèi)側(cè)支座孔的中心軸線和油缸腔體的孔的中心為軸對(duì)齊參考約束，下叉體孔的側(cè)面和油缸腔體孔的外側(cè)面兩個(gè)平面為平移約束的參考，再次新建約束集，選取銷連接，分別選取上叉體末端孔的中心軸線和油缸活塞的孔的中心為軸對(duì)齊參考約束，上叉體末端孔的側(cè)面和油缸腔活塞的外側(cè)面兩個(gè)平面為平移約束參考。第四步，重復(fù)步驟三，裝配另一側(cè)的油缸，最后抱叉的裝配圖如圖5所示。

圖5 抱叉的裝配

2.2 油缸的裝配

添加運(yùn)動(dòng)元件油缸活塞。在連接列表選取滑塊選項(xiàng)，然后分別選取油缸活塞中心軸線和油缸腔體中心軸線為軸對(duì)齊參考約束，選取油缸活塞端面和油缸腔體內(nèi)的端面這兩個(gè)平面作為平移軸參考，油缸的裝配模型圖如圖6所示。平移軸的參數(shù)待定，求出油缸的最大行程后再返回此步輸入具體數(shù)值。

圖6 油缸的裝配

3 抱叉的運(yùn)動(dòng)仿真

抱叉作為一個(gè)獨(dú)立的整體來看，其上叉體和下叉體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是受油缸的伸縮得以實(shí)現(xiàn)，在Creo集成環(huán)境中，需要通過給機(jī)構(gòu)定義伺服電動(dòng)機(jī)來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真與分析。由于油缸的運(yùn)動(dòng)軌跡未知，無法給出油缸行程的具體數(shù)值，因此，在上叉體與下叉體銷軸連接孔處需設(shè)置電機(jī)來檢查干涉，以確定油缸的最大行程及抱叉的運(yùn)動(dòng)范圍。

3.1 油缸行程的位置仿真

新建伺服電動(dòng)機(jī)，選取上叉體與下叉體的銷連接為運(yùn)動(dòng)軸，輪廓規(guī)范為位置，模選擇表內(nèi)參數(shù)設(shè)置為上叉體每秒相對(duì)下叉體旋轉(zhuǎn)60°，根據(jù)仿真結(jié)果可知，上叉體從初始位置開始運(yùn)動(dòng)接近2 s時(shí)，機(jī)構(gòu)之間發(fā)生干涉，可以得出油缸活塞的最大行程為390 mm.返回至油缸的裝配，進(jìn)行平移軸參考參數(shù)設(shè)置。設(shè)置活塞完全插入油缸缸體內(nèi)為零位置，勾選啟用重新生成值、最小限制和最大限制，設(shè)置最小限制值為0mm，最大限制值390 mm.通過分析測(cè)量結(jié)果，由圖7和圖8可以看出，當(dāng)上叉體與下叉體相對(duì)張開程度達(dá)到最大時(shí)，其最大抱圓直徑為1 805 mm，當(dāng)上叉體與下叉體間相對(duì)張開程度最小時(shí)的最小抱圓直徑為414mm.

圖7 抱叉合攏時(shí)的最大抱圓直徑

圖8 抱叉合攏時(shí)的最小抱圓直徑

3.2 創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)包絡(luò)

運(yùn)動(dòng)包絡(luò)表示的是模型在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中經(jīng)過的范圍，是一組三角形的片體模型或是實(shí)體模型。運(yùn)動(dòng)包絡(luò)常常被用來模擬機(jī)構(gòu)正常運(yùn)動(dòng)過程的空間區(qū)域[4]。從圖9中可以看出上叉體的運(yùn)動(dòng)過程的位置空間與下叉體等其他部位沒有產(chǎn)生干涉，可驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

圖9 抱叉運(yùn)動(dòng)包絡(luò)

3.3 創(chuàng)建軌跡曲線

軌跡曲線通過曲線表示裝配模型中某點(diǎn)相對(duì)于模型的運(yùn)動(dòng)。選取上叉體擋板尖點(diǎn)，生成軌跡曲線，由其投影可測(cè)出，抱叉運(yùn)動(dòng)軌跡最大夾角為114°，如圖10所示。

圖10 創(chuàng)建軌跡曲線并測(cè)量其夾角

3.4 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的速度波動(dòng)對(duì)機(jī)械的工作時(shí)不利的，它不僅影響機(jī)械的工作質(zhì)量，也會(huì)影響到機(jī)械的效率和壽命，所以必須設(shè)法加以控制和調(diào)節(jié)[5]。抱叉應(yīng)適于中低速作業(yè)，抱叉張夾速度和活塞伸縮速度應(yīng)平穩(wěn)，波動(dòng)較小。不考慮重量、摩擦等因素，假定抱叉上叉體以一定速度做勻速運(yùn)動(dòng)，對(duì)油缸活塞伸縮的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真。若收攏過程時(shí)間為6 s，由所求抱叉運(yùn)動(dòng)軌跡最大夾角114°，計(jì)算得其運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)為19（°）/s.在銷軸上定義伺服電動(dòng)機(jī)，使上叉體以19（°）/s的速度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)6 s.設(shè)置相關(guān)參數(shù)后，定義測(cè)量，可得活塞伸出推程、速度及加速度測(cè)量數(shù)據(jù)，曲線圖分別如圖11、12、13所示。由測(cè)量結(jié)果可知，油缸活塞伸出的行程、速度和加速度函數(shù)曲線均是光滑的，說明機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)，抱叉的抱夾和油缸活塞伸縮的速度平穩(wěn)、波動(dòng)較小，不會(huì)引起較大的機(jī)械振動(dòng)。另外，活塞伸出時(shí)能夠做類似余弦加速度推程運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)適用于中低速重載的場(chǎng)合，符合抱叉在作業(yè)時(shí)承受大量物料，抱夾收攏張開較慢的工作要求。

圖11 活塞伸出位置曲線圖

圖12 活塞伸出速度曲線圖

圖13 活塞伸出加速度曲線圖

4 結(jié)束語

在Creo Parametric 2.0軟件環(huán)境下進(jìn)行裝載機(jī)抱叉的三維建模工作，并對(duì)該抱叉建立的模型通過特定約束方式裝配，然后定義了伺服電動(dòng)機(jī)和初始分析條件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真與分析，根據(jù)位置分析求出油缸的合理行程，以及抱叉的最大抱圓直徑、最小抱圓直徑，通過繪制軌跡曲線測(cè)出抱叉運(yùn)動(dòng)軌跡的最大夾角。并通過運(yùn)動(dòng)包絡(luò)對(duì)模型進(jìn)行干涉檢查，驗(yàn)證所取設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性。最后，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析判定抱叉能夠滿足工作時(shí)速度平穩(wěn)、波動(dòng)小、中低速運(yùn)動(dòng)、承受重載的性能要求。該方法能直觀地觀察裝載機(jī)抱叉模擬工作狀態(tài)，能對(duì)設(shè)計(jì)中存在的問題進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，具有一定的工程設(shè)計(jì)實(shí)際意義。

[1]徐東云，張永勝.夾鉗裝置干涉問題的分析[J].工程機(jī)械，2004，（11）：26-29.

[2]姜俊杰.Pro/Engineer Wildfire高級(jí)實(shí)例教程[M].北京：中國水利水電出版社，2004.

[3]李耀翔，龍劍群.基于Creo的木材裝載機(jī)三維建模與工作裝置運(yùn)動(dòng)仿真[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（15）：4693-4695.

[4]詹友剛.Creo2.0運(yùn)動(dòng)仿真與分析教材[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[5]孫桓.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，2013.

Three-dimensional Modeling and Motion Simulation of Loader’s Fork Based on the Creo

XIE Guo-jin，HE Ze-qiang，HUANG Guang-yong，CHEN Yan-hui
（Guangxi University of Science and Technology，Mechanical Engineering Institute，Liuzhou Guangxi 545006，China）

As a kind of instrument，loader’s fork developed on the basis of the wheel loader is with a high efficiency，strong adaptability and wide applications，convenient operation，etc. Three-dimensional modeling of loader’s fork and motion simulation is studied based on Creo 2.0，Virtual design is implemented for the loader’s fork is assembled in the virtual environment，the virtual prototype is then imported to the analysis module of the Creo Parametric for mechanism motion simulation. The results show that the movement of loader’s fork is good and no interference，verify the loader’s fork of preliminary design is feasible，this study could provide useful information for future machine design and improvement.

loader’s fork；creo parametric；three-dimensional modeling；motion simulation

T H122

A

1672-545X（2016）09-0009-04

2016-06-27

廣西教育廳重點(diǎn)資助項(xiàng)目（No.ZD2014074）；廣西科技大學(xué)博士基金項(xiàng)目（?？撇?3Z13）資助。

謝國進(jìn)（1980-），男，湖南邵陽人，工學(xué)碩士，工程師，主要研究方向：機(jī)電一體化。