李何偉，郭芬芬,夏 筆

(1.廣西科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，廣西 柳州 545006； 2.廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545006)

叉車門架系統(tǒng)的Top-Down設(shè)計研究*

李何偉1，郭芬芬2,夏 筆1

(1.廣西科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，廣西 柳州 545006； 2.廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545006)

闡述了Top-Down設(shè)計的理論、特點和設(shè)計流程，對設(shè)計過程中所涉及到的相關(guān)概念作出了具體的定義。結(jié)合叉車門架系統(tǒng)實例建立了門架、門架液壓、貨叉架和擋貨架骨架完整的Top-Down設(shè)計流程，簡要說明了相關(guān)模塊之間接口問題和如何實現(xiàn)門架起升和門架液壓系統(tǒng)中軟管的參數(shù)化控制過程。實踐證明Top-Down設(shè)計方法可以大大提高產(chǎn)品的設(shè)計效率和速度。

Top-Down；門架；Creo；骨架

1 引 言

隨著研究設(shè)計理論的豐富和發(fā)展，傳統(tǒng)的設(shè)計理念已經(jīng)難以滿足企業(yè)不斷發(fā)展和進步的需要，這些企業(yè)迫切需要一個新的產(chǎn)品設(shè)計模式，而Top-Down設(shè)計方法正是在這種大環(huán)境下應(yīng)運而生，傳統(tǒng)的CAD設(shè)計主要是依賴于設(shè)計人員的經(jīng)驗，對于設(shè)計模型的重復(fù)修改量也很大，而Top-Down設(shè)計引入了骨架模型，是一種自頂向下的設(shè)計思想，從整體到局部，可以更容易和直接的傳遞數(shù)據(jù)和設(shè)計的要求，在不同系統(tǒng)設(shè)計過程中，設(shè)計師之間可更好的達到協(xié)同設(shè)計、并行設(shè)計的目的，從而大大提高產(chǎn)品的開發(fā)效率。

CAD研究的一個熱點問題就是研究和開發(fā)基于Top-Down設(shè)計方法的設(shè)計系統(tǒng)，目前己研究和開發(fā)出了一些較完善系統(tǒng)，如Pro/Top-Down、WAYT、Delta、GNOSIS、GONGEN等，其中美國PTC公司提出的Pro/Top-Down設(shè)計系統(tǒng)可以通過Pro/Layout模塊在二維環(huán)境下定義產(chǎn)品的裝配約束，并將這些約束傳遞到產(chǎn)品三維裝配設(shè)計及分析中，并且可以實現(xiàn)整車產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計[1]。筆者基于PTC公司最新的Creo軟件平臺來進行產(chǎn)品的Top-Down設(shè)計。

2 產(chǎn)品的Top-Down設(shè)計

Top-Down設(shè)計是一種自頂向下的設(shè)計思想，設(shè)計的大致流程如圖1所示。

圖1 Top-Down設(shè)計流程

叉車整車的設(shè)計是一個全面而又復(fù)雜的過程，涉及到產(chǎn)品的模塊化設(shè)計，前期必須做好充分的基礎(chǔ)工作，需要花費大量的人力物力對企業(yè)和市場進行調(diào)研，了解并掌握問題所在，繼而總體設(shè)計師對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)模塊進行細化，把整車劃分為若干個子系統(tǒng)，如動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、門架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等，分管各系統(tǒng)的設(shè)計師門通過總體設(shè)計師創(chuàng)建的整機和各模塊布局、整機骨架、各系統(tǒng)模塊的接口信息來開展本系統(tǒng)的模塊化Top-Down設(shè)計。各子系統(tǒng)設(shè)計師在對產(chǎn)品設(shè)計的過程中，將遇到的問題反饋給總體設(shè)計師，總體設(shè)計師根據(jù)這些反饋來完善先前的參數(shù)設(shè)計和整體的布局信息，這樣就達到了一個不斷相互改進、完善的過程，并最終完成整機的設(shè)計。Top-Down設(shè)計中部分名詞的基本概念及含義如表1所列[2]。

表1 Top-Down設(shè)計中部分名詞的基本概念及含義

上述表格中骨架的建立使得在叉車門架設(shè)計過程中各參數(shù)的傳遞變的更加快速及流暢，為Top-Down設(shè)計工作奠定了良好的基礎(chǔ)。

3 叉車門架系統(tǒng)的設(shè)計

叉車門架系統(tǒng)屬于叉車中最重要的組成部分之一，是叉車進行裝卸作業(yè)的直接工作機構(gòu)，它包括門架、門架液壓、擋貨架叉架4個模塊，如圖2所示。

圖2 叉車的模塊劃分簡示圖

3.1 門架Top-Down設(shè)計

叉車門架根據(jù)功能的不同可劃分為不同的模塊，如根據(jù)起升高度的不同可分為2 m、3 m、5 m、7 m等模塊，還可分為普通門架和全自由門架。兩節(jié)門架是叉車門架的基本型式，它由內(nèi)門架和外門架組成，內(nèi)、外門架各有兩根立柱，立柱是門架承載的主要構(gòu)件，又是貨叉架或內(nèi)門架作為升降運動的導(dǎo)軌。在左右兩根立柱之間有一聯(lián)接著的橫梁，這樣就形成一種封閉形狀的框架。

在對叉車門架進行Top-Down設(shè)計時，骨架模型是在產(chǎn)品裝配模型中新建的，在骨架創(chuàng)建過程中，骨架模型必須包含各個部件的接口信息，如門架和貨叉架的安裝坐標(biāo)系、門架鉸接軸線、左右傾斜油缸的位置信息、內(nèi)外門架和槽鋼端面等；這些都是門架骨架設(shè)計中重要的基準(zhǔn)信息。而對于相對獨立(即零件與零件之間沒有參照關(guān)系，對其它系統(tǒng)沒有接口關(guān)系)的零件在骨架中可以不表示，可單獨建立模型。如擋圈、各種滾輪、限位塊、銷軸、固定夾、標(biāo)準(zhǔn)件等；具體的門架Top-Down設(shè)計流程圖如圖3所示。

圖3 門架Top-Down設(shè)計流程

明確門架系統(tǒng)的設(shè)計思路之后，再對門架的骨架設(shè)計建立清晰的流程，叉車門架的骨架模型可以按照以下流程完成：新建門架組件模型→在組件中新建骨架→定義重要基準(zhǔn)→關(guān)聯(lián)布局參數(shù)→左右立柱→上橫梁與鉸接的設(shè)計→傾斜缸門架鉸接→上橫梁及附屬→中橫梁及附屬→發(fā)布相關(guān)幾何。門架設(shè)計過程中涉及到的輸出信息與輸入信息如圖4所示。

圖4 門架設(shè)計過程中的輸入信息與輸出信息接口流程

骨架設(shè)計的最后一定要把骨架中與其它系統(tǒng)模塊有相關(guān)的接口位置信息發(fā)布給相對應(yīng)的系統(tǒng)，如門架中的外門架左右立柱、左右傾斜油缸安裝位置、中心缸安裝位置左右鉸鏈位置以及外門架橫梁、內(nèi)門架橫梁面組都必須發(fā)布給門架液壓系統(tǒng)骨架；門架中的外門架左右立柱面組合傾斜油缸在門架上面的鉸接座面組發(fā)布給液壓系統(tǒng)，如圖5所示。當(dāng)門架液壓系統(tǒng)進行設(shè)計時通過門架骨架發(fā)布過來的尺寸位置信息來對其進行定位，否則門架液壓系統(tǒng)缺失這些重要的接口信息將無法設(shè)計下去，特別注意的是骨架中的一些重要基準(zhǔn)軸、點、坐標(biāo)系也必須發(fā)布給相關(guān)系統(tǒng)。一旦遺漏發(fā)布，對其它部門系統(tǒng)的骨架和組件設(shè)計工作會帶來很多麻煩和不便。

圖5 門架系統(tǒng)發(fā)布到門架液壓系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的接口信息

門架骨架設(shè)計完成之后，要求實現(xiàn)參數(shù)控制，起升缸升起高度控制整個門架的姿態(tài)，這時需要通過聲明整機的布局文件來把重要的尺寸參數(shù)傳遞到骨架當(dāng)中，再使用菜單欄中的“關(guān)系”命令，點擊相應(yīng)特征后該特征中的尺寸代號都會顯示出來，再點擊該特征的相應(yīng)尺寸值進入關(guān)系式中通過在“局部參數(shù)”欄下右鍵“插入到關(guān)系”將需要的參數(shù)調(diào)入到關(guān)系建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。具體的關(guān)系參數(shù)如下：水平地方、傾斜缸車架鉸接點寬度、起升缸行程、、傾斜油缸車架銷軸直徑、傾斜缸車架鉸接點距橋心垂直距離、傾斜缸車架鉸接點距橋心水平距離；以上參數(shù)的關(guān)聯(lián)，可使得門架的起升高度得到有效的參數(shù)化控制，在對門架進行三維造型時，通過“復(fù)制幾何”的命令從骨架中復(fù)制所需要的模塊，這樣也達到了門架三維模型的全參數(shù)化控制，如圖6所示。

圖6 門架骨架的參數(shù)化控制

3.2 門架液壓系統(tǒng)的Top-Down設(shè)計

圖7 門架液壓系統(tǒng)的Top-Down設(shè)計流程

門架液壓系統(tǒng)主要是由起升油缸和一些軟管、接頭等組成的，是控制門架起升的一個重要部分。它根據(jù)門架類型的不同劃分為不同的液壓系統(tǒng)，如二級、三級門架可配二聯(lián)閥、三聯(lián)閥或四聯(lián)閥，門架液壓與其對應(yīng)則可分由兩個起升油缸構(gòu)成的的普通門架液壓和在普通門架液壓中多加一根中心缸的門架液壓。門架液壓系統(tǒng)屬于非獨立的骨架，在對其進行設(shè)計之前必須借用整機骨架、門架骨架以及貨叉架骨架發(fā)布過來的參數(shù)位置信息，骨架的大致設(shè)計流程為：新建骨架→從整機骨架中復(fù)制定位所需的門架安裝坐標(biāo)系→復(fù)制由門架和貨叉架骨架發(fā)布到門架液壓系統(tǒng)的幾何→包絡(luò)必要的元件→新建必要的基準(zhǔn)。具體的門架液壓系統(tǒng)Top-Down設(shè)計流程如圖7所示。 門架液壓系統(tǒng)骨架的設(shè)計中要求調(diào)整門架系統(tǒng)骨架中相關(guān)參數(shù)，門架液壓系統(tǒng)模型再生之后實現(xiàn)姿態(tài)變化，液壓油缸也要實現(xiàn)隨高度變化撓性伸縮。在對其Top-Down設(shè)計中，起升油缸的控制一定要參考合理的基準(zhǔn)信息，而參數(shù)化控制的重點是在管道的設(shè)計，繪制管道時在草繪界面中點擊“工具”欄中的“d=關(guān)系”，選擇圖8所示尺寸代號并建立關(guān)系式，關(guān)系式為：“sd1=20+kd6/2”，并在后面輸入相關(guān)說明“/*內(nèi)門架起升時軟管相對下降高度等于起升油缸起升高度的一半”。設(shè)置關(guān)系式之后軟管圓弧處將會隨內(nèi)門架上升而相對下降，且軟管總成長度不變，其它部分依次按照要求設(shè)計，這樣門架液壓系統(tǒng)的Top-Down設(shè)計過程就完成了。

圖8 門架液壓軟管的參數(shù)化控制

3.3 貨叉架和擋貨架的Top-Down設(shè)計

貨叉架又名滑架，它的作用是安裝貨叉或其它工作屬具，并帶動貨物一起升降。貨叉架屬于獨立設(shè)計元件，可以在其它系統(tǒng)設(shè)計之前進行設(shè)計，具體的貨叉架骨架設(shè)計流程如下：新建骨架→定義重要的基準(zhǔn)(如貨叉架安裝橫向面、寬度控制點貨叉架和擋貨架安裝坐標(biāo)系等等)→左右導(dǎo)向板→設(shè)計上下橫梁→設(shè)計左右立板→設(shè)計加強筋→發(fā)布相關(guān)幾何(貨叉架閥塊安裝搭子的面組以及外框面組)到門架液壓系統(tǒng)。

擋貨架同樣屬于獨立設(shè)計元件，它的骨架設(shè)計流程如下：新建骨架→定義重要的基準(zhǔn)(如擋貨架安裝坐標(biāo)系、內(nèi)開檔尺寸、安裝孔位、外形尺寸控制)→左右角鋼→上下橫梁→中間板。貨叉架和擋貨架Top-down設(shè)計流程如圖9所示。

圖9 貨叉架和擋貨架Top-Down設(shè)計流程

4 結(jié) 語

通過Top-Down設(shè)計方法和思想在叉車門架系統(tǒng)中的應(yīng)用，建立了清晰的設(shè)計流程，更有效的協(xié)調(diào)各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間的設(shè)計，提升了各系統(tǒng)設(shè)計師之間的交流，這種基于Creo上的自頂向下設(shè)計方法也真正達到了全三維的參數(shù)化設(shè)計。同時Top-Down設(shè)計增強了整體與局部的全局觀，對整體設(shè)計參數(shù)的修改和控制也變的更加容易，系統(tǒng)骨架的建立也讓相似部件的設(shè)計變的更加迅速和快捷。

綜上所述，門架系統(tǒng)的Top-Down設(shè)計實現(xiàn)了產(chǎn)品的全參數(shù)化控制，提升了產(chǎn)品的設(shè)計效率和成功率，大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期。Top-Down的設(shè)計思想和方法也值得在企業(yè)中得到推廣和應(yīng)用。

[1] 劉計娟.基于Top-Down設(shè)計的裝配模型建模方法研究[D].常州:河海大學(xué)，2007.

[2] 陳 杰.模塊化Top-Down協(xié)同設(shè)計在裝載機中的應(yīng)用[J].工程機械，2013(10)：01-06.

Research on Design of Top-Down Forklift Door Frame System

LI He-wei1, GUO Fen-fen2, XIA Bi1

(1.GuangxiUniversityofScienceandTechnology,LiuzhouGuangxi545006，China；2.GuangxiLiugongMachineryCo.,Ltd，LiuzhouGuangxi545006,China)

The Top-Down design theory, characteristics and design process are elaborated, the related concepts that involved in the design process is defined. Combining forklift mast system instances, a door frame, door frame hydraulic, fork frame and backrest frame Top-Down design flow are established, a brief description of the interface issues between the relevant module is introduced ,the parametric control process of mast hydraulic systems hoses are also introduced. Practice has proved that Top-Down design method can greatly improve the design efficiency and speed of the product.

Top-Down; door frame; Creo; skeleton

2013-12-17

李何偉(1987-)，男，安徽宣城人，在讀碩士，研究方向：制造業(yè)信息化。

TD402

A

1007-4414(2014)01-0067-04