陳珊

（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北武漢 430070）

0 引言

信息技術(shù)快速的發(fā)展使得計(jì)算機(jī)技術(shù)，尤其是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件在機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用迅速廣泛，這也使得工程師開發(fā)產(chǎn)品從傳統(tǒng)的手工制圖向CAD建模方向發(fā)展。筆者將利用三維設(shè)計(jì)軟件CATIA進(jìn)行手動(dòng)搬運(yùn)車的三維設(shè)計(jì)、裝配以及仿真。

通過CATIA的零部件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、DMU模塊，工程師可以建立三維零部件庫，進(jìn)行產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與裝配仿真分析，有效地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行早期分析，從而加快裝配件的設(shè)計(jì)進(jìn)度，減少實(shí)際加工中的干涉問題，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1 手動(dòng)搬運(yùn)車介紹

手動(dòng)搬運(yùn)車具有小體積液壓裝置，操作簡單，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。搬運(yùn)車主要由舵柄、架體與機(jī)身、液壓起升系統(tǒng)、車輪及承載滾輪、連桿結(jié)構(gòu)以及其他零部件等五部分組成。舵柄設(shè)計(jì)符合人體工程學(xué)原理，具有三大功能:提升、搬運(yùn)、放下。整體鑄造油缸，外形美觀，堅(jiān)固耐用，優(yōu)質(zhì)鋼板打造，鍍鉻活塞桿，內(nèi)部溢流閥提供過載保護(hù)，有效避免超載使用，降低維修費(fèi)用［1］。

手動(dòng)搬運(yùn)車 （如圖1中編號(hào)所示）的運(yùn)動(dòng)過程:當(dāng)舵柄1沿2處的軸轉(zhuǎn)過一定角度，即可拉動(dòng)整個(gè)小車移動(dòng);當(dāng)需要裝載貨物，只需要搖動(dòng)舵柄1沿軸2上下反復(fù)擺動(dòng)，從而使得2處的液壓缸產(chǎn)生壓力，驅(qū)動(dòng)3沿其尾端的輪軸向上移動(dòng);如卸下貨物只需要拉動(dòng)1處的扳手，減少液壓即可降低高度［2］。

2 手動(dòng)搬運(yùn)車零部件設(shè)計(jì)

2.1 CATIA零部件設(shè)計(jì)

CATIA可以直接使用其草圖模塊繪制二維圖形。在草圖繪制平臺(tái)中，CATIA提供了豐富的繪圖工具，用戶使用這些工具可以繪制直線、中心線、圓、橢圓、圓弧等基本圖形。此外，CATIA還提供了各種編輯工具，可以對(duì)圖形進(jìn)行復(fù)制、鏡像、移動(dòng)、剪切和尺寸標(biāo)注等操作。繪制二維圖形功能不是CATIA的核心功能，其最主要的功能是設(shè)計(jì)三維實(shí)體模型［3］。

在CATIA建立二維草圖的基礎(chǔ)上，通過CATIA里面的拉伸、開槽、旋轉(zhuǎn)等功能實(shí)現(xiàn)三維零部件的設(shè)計(jì)。

2.2 手動(dòng)搬運(yùn)車的主要零件設(shè)計(jì)

2.2.1 手動(dòng)搬運(yùn)車舵柄設(shè)計(jì)

2.2.2 手動(dòng)搬運(yùn)車彈簧設(shè)計(jì)

通過實(shí)際測(cè)量，測(cè)得彈簧的螺距為10 mm，彈簧高度為140 mm，直徑為50 mm。在【形狀】創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)中選擇螺旋線設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)钠鹗键c(diǎn)和中心線，最后返回零部件設(shè)計(jì)中，運(yùn)用肋命令進(jìn)行彈簧的三維設(shè)計(jì)，得到圖形如圖3所示。

2.2.3 手動(dòng)搬運(yùn)車車架設(shè)計(jì)

手動(dòng)搬運(yùn)車的車架主要通過機(jī)械設(shè)計(jì)中的零部件模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)完成，在該模塊中主要注意抽取殼體。得到圖形如圖4所示。

2.2.4 手動(dòng)搬運(yùn)車螺栓設(shè)計(jì)

根據(jù)手動(dòng)搬運(yùn)車實(shí)際尺寸，測(cè)得搬運(yùn)車上所用螺栓的尺寸為M10。在CATIA中零部件建模中，建立螺栓的桿體，注意在【內(nèi)螺紋/外螺紋】命令對(duì)螺桿進(jìn)行螺紋設(shè)計(jì)，得到螺栓零件圖如圖5所示。

2.2.5 手動(dòng)搬運(yùn)車液壓起升系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在搬運(yùn)車中，液壓缸的主要作用是通過手柄的拉動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生壓力，進(jìn)而帶動(dòng)搬運(yùn)車架上下運(yùn)動(dòng)。由于內(nèi)壓缸內(nèi)部復(fù)雜，而且在CATIA內(nèi)部無法利用液壓模擬動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)仿真，因此對(duì)液壓缸進(jìn)行簡化畫法。根據(jù)實(shí)際尺寸測(cè)量，建立液壓缸模型。同時(shí)，在液壓缸邊需要建立支撐架，用于支撐搬運(yùn)車上部分結(jié)構(gòu)，其中支撐架用于固定連接液壓缸和底座，增強(qiáng)剛度，得到液壓缸附件模型如圖6所示。

2.2.6 手動(dòng)搬運(yùn)車連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在搬運(yùn)車運(yùn)動(dòng)過程中，需要大量的連桿結(jié)構(gòu)的配合，運(yùn)動(dòng)通過連接桿進(jìn)行傳遞。通過圖1可以查看到，連桿機(jī)構(gòu)主要布置在搬運(yùn)車的底部，桿件與桿件之間用孔和軸進(jìn)行連接，如圖7所示。從圖7中可以看到，建立桿件時(shí)需要注意確定不同的平面，在不同的平面上建立模型進(jìn)行連接。比如圖7的連桿機(jī)構(gòu)，首先通過命令拉伸中間的圓柱，然后在圓柱的一端建立桿件模型，通過命令進(jìn)行鏡像對(duì)稱，進(jìn)而保證建模的準(zhǔn)確性。

2.2.7 手動(dòng)搬運(yùn)車車輪設(shè)計(jì)

2.2.8 手動(dòng)搬運(yùn)車其他零件設(shè)計(jì)

主要利用CATIA中的機(jī)械設(shè)計(jì)中的零部件設(shè)計(jì)模塊對(duì)其他零部件運(yùn)用凸臺(tái)、旋轉(zhuǎn)、切割等命令進(jìn)行建模，其所有零件如圖9所示 （對(duì)部分零件進(jìn)行編號(hào)標(biāo)注）。

3 手動(dòng)搬運(yùn)車裝配

3.1 CATIA裝配

部件裝配 （Assembly Design）是CATIA最基本的，也是最具優(yōu)勢(shì)和特色的功能模塊。包括創(chuàng)建裝配體、添加指定的部件或零件到裝配體、創(chuàng)建部件之間的裝配關(guān)系、移動(dòng)和布置裝配成員、生產(chǎn)產(chǎn)品的爆炸圖、裝配干涉和間隙分析等主要功能［4］。

3.2 手動(dòng)搬運(yùn)車零部件的裝配

所有零部件如圖9所示，在進(jìn)行裝配時(shí)也應(yīng)當(dāng)注意一定的原則。在進(jìn)行手動(dòng)搬運(yùn)車裝配時(shí)，應(yīng)當(dāng)以底架2為基準(zhǔn)進(jìn)行裝配，底架下面的支撐桿件通過相合約束、接觸約束以及角度約束等等進(jìn)行添加裝配。在裝配完底架部分后，對(duì)搬運(yùn)車的手柄驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行裝配。對(duì)液壓缸部分5裝配到支架上去，然后依次將輪子6和手柄1等依次添加裝配。在添加相關(guān)零件約束之后，對(duì)已裝配零件進(jìn)行更新，進(jìn)而安排零部件布局，最終進(jìn)行總體零件裝配的更新，得到手動(dòng)搬運(yùn)車的裝配圖，如圖10所示。

在裝配的時(shí)候需要注意不能過多約束。如圖10中所示，手動(dòng)搬運(yùn)車的連桿機(jī)構(gòu)通過軸與搬運(yùn)車架相連接。在相合時(shí)，連桿結(jié)構(gòu)與車架相合后再運(yùn)用命令就會(huì)出現(xiàn)報(bào)警錯(cuò)誤，此時(shí)需要將單個(gè)零件隱藏后再進(jìn)行相合約束。

4 手動(dòng)搬運(yùn)車的仿真

4.1 CATIA運(yùn)動(dòng)仿真

運(yùn)動(dòng)仿真是指通過構(gòu)建運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模型，分析其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)行機(jī)構(gòu)的干涉分析，跟蹤零件的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析機(jī)構(gòu)中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等，其分析結(jié)果可以修改零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或調(diào)整零件材料。

DMU是CATIA中運(yùn)動(dòng)分析模塊，它完全集成于CATIA中，可直接調(diào)用建模參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，可以進(jìn)行較為簡單的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真分析。

在建立整車裝配模型后，即可建立運(yùn)動(dòng)仿真模型。在手動(dòng)搬運(yùn)車系統(tǒng)中，有很多運(yùn)動(dòng)需要分析，這里僅分析在液壓缸中液壓桿驅(qū)動(dòng)搬運(yùn)車上下移動(dòng)所需要進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)分析，主要是在底架部分各個(gè)桿件之間運(yùn)動(dòng)時(shí)是否產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，是否與上面部分產(chǎn)生接觸碰撞，對(duì)產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象進(jìn)行適當(dāng)?shù)男：?。在開始運(yùn)動(dòng)模型建立前，首先對(duì)要組裝的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)作細(xì)致的了解，弄清其運(yùn)動(dòng)方式、約束條件等［5］。

4.2 搬運(yùn)車DMU運(yùn)動(dòng)仿真

4.2.1 搬運(yùn)車DMU運(yùn)動(dòng)仿真步驟

在設(shè)計(jì)DMU仿真時(shí)應(yīng)當(dāng)注意分析動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)關(guān)系。比如手動(dòng)搬運(yùn)車動(dòng)力源來自驅(qū)動(dòng)手柄。當(dāng)手柄1繞其軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)其液壓缸產(chǎn)生壓力，壓力推動(dòng)液壓桿向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)底架驅(qū)動(dòng)底座，使得底座繞其前端軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，拉緊手柄的扳手時(shí)，釋放液壓，減小壓力，進(jìn)而降低液壓缸中的液壓桿，實(shí)現(xiàn)降低高度。

搬運(yùn)車仿真步驟:（1）定義運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模型;（2）創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu);（3）添加各種對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副;（4）添加固定零部件;（5）根據(jù)需要添加輔助模型;（6）運(yùn)動(dòng)仿真;（7）定義相應(yīng)的實(shí)體模型到對(duì)應(yīng)的骨架;（8）進(jìn)行相關(guān)分析。

4.2.2 搬運(yùn)車設(shè)置DMU運(yùn)動(dòng)仿真

按照上述的搬運(yùn)車仿真步驟，對(duì)搬運(yùn)車零件添加各種運(yùn)動(dòng)副，比如對(duì)于液壓缸的驅(qū)動(dòng)可用圓柱結(jié)合進(jìn)行，對(duì)于沿軸線轉(zhuǎn)動(dòng)可用旋轉(zhuǎn)結(jié)合進(jìn)行。由于CATIA中DMU模塊只能對(duì)剛體添加運(yùn)動(dòng)副和仿真，對(duì)于鏈條驅(qū)動(dòng)不能實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)仿真，因此筆者對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，即去除手柄的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)，僅用液壓缸的驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)后面的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，而將前面未參與運(yùn)動(dòng)仿真的零部件進(jìn)行剛性連接處理，簡化仿真過程。對(duì)已定義完的運(yùn)動(dòng)副最后添加固定元件，然后進(jìn)行仿真，檢查是否存在運(yùn)動(dòng)干涉。

比如在底部桿件 （如圖11所示）之間添加運(yùn)動(dòng)副也應(yīng)當(dāng)注意驅(qū)動(dòng)關(guān)系，因?yàn)槠湎旅娌糠窒喈?dāng)于四桿運(yùn)動(dòng)，對(duì)其添加運(yùn)動(dòng)副時(shí)應(yīng)當(dāng)注意旋轉(zhuǎn)接觸命令的應(yīng)用，但不需要添加動(dòng)力源，因?yàn)閯?dòng)力源在液壓缸處產(chǎn)生，否則會(huì)出現(xiàn)仿真報(bào)錯(cuò)問題。最后，分析手動(dòng)搬運(yùn)車在仿真運(yùn)動(dòng)中的干涉問題，對(duì)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象的零部件稍加修改，提高手動(dòng)搬運(yùn)車的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4.2.3 手動(dòng)搬運(yùn)車干涉問題分析

在DMU仿真中出現(xiàn)了液壓缸處以及底部連桿連接結(jié)構(gòu)等處干涉，分析其原因:

（1）在設(shè)計(jì)中，零部件的部分尺寸測(cè)量、設(shè)計(jì)不合理，造成連接處過長或過短，造成運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào);

（2）在裝配中存在人為誤差，對(duì)某些零件約束過多，造成零件裝配不合理;

（3）在添加運(yùn)動(dòng)副時(shí)，添加方式不合理，造成在仿真中有些桿件不運(yùn)動(dòng)和有多余自由度，影響仿真效果。

5 結(jié)束語

通過在手動(dòng)搬運(yùn)車設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用CATIA軟件進(jìn)行建模、虛擬裝配與運(yùn)動(dòng)仿真，完成了零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和整套機(jī)構(gòu)的裝配，完善優(yōu)化了設(shè)計(jì)，避免了可能存在的干涉和碰撞，提高了可裝配性和可維護(hù)性。CATIA電子樣機(jī)解決方案能提供有效的方法保證所有零部件配合良好，解決工程實(shí)際問題，對(duì)問題進(jìn)行分析和優(yōu)化，縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。

【1】蘇恩一.輕小型搬運(yùn)車現(xiàn)狀及其發(fā)展［J］.物流技術(shù)與應(yīng)用，2003（3）:25－27.

【2】高新翼，高揚(yáng)，甄亞林.手動(dòng)液壓搬運(yùn)車［J］.科協(xié)論壇，2010（8）:26－27.

【3】胡海龍.CATIAV5零件設(shè)計(jì)實(shí)例教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007:14－20.

【4】金玲，鄧亞東.基于CATIA的清掃車駐車制動(dòng)的裝配與仿真［J］.專用汽車，2009（3）:54 －55.

【5】魯君尚，張安鵬，馮登殿，等.無師自通CATIAV5之電子樣機(jī)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008:94－120.