基于CATIA的手動搬運車三維建模及裝配仿真

陳珊

（武漢理工大學汽車工程學院，湖北武漢 430070）

0 引言

信息技術快速的發(fā)展使得計算機技術，尤其是計算機輔助設計軟件在機械行業(yè)中的應用迅速廣泛，這也使得工程師開發(fā)產品從傳統(tǒng)的手工制圖向CAD建模方向發(fā)展。筆者將利用三維設計軟件CATIA進行手動搬運車的三維設計、裝配以及仿真。

通過CATIA的零部件設計、裝配設計、DMU模塊，工程師可以建立三維零部件庫，進行產品的機構運動與裝配仿真分析，有效地對產品進行早期分析，從而加快裝配件的設計進度，減少實際加工中的干涉問題，提高設計質量。

1 手動搬運車介紹

手動搬運車具有小體積液壓裝置，操作簡單，使用方便等優(yōu)點。搬運車主要由舵柄、架體與機身、液壓起升系統(tǒng)、車輪及承載滾輪、連桿結構以及其他零部件等五部分組成。舵柄設計符合人體工程學原理，具有三大功能:提升、搬運、放下。整體鑄造油缸，外形美觀，堅固耐用，優(yōu)質鋼板打造，鍍鉻活塞桿，內部溢流閥提供過載保護，有效避免超載使用，降低維修費用［1］。

手動搬運車 （如圖1中編號所示）的運動過程:當舵柄1沿2處的軸轉過一定角度，即可拉動整個小車移動;當需要裝載貨物，只需要搖動舵柄1沿軸2上下反復擺動，從而使得2處的液壓缸產生壓力，驅動3沿其尾端的輪軸向上移動;如卸下貨物只需要拉動1處的扳手，減少液壓即可降低高度［2］。

2 手動搬運車零部件設計

2.1 CATIA零部件設計

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，可以對圖形進行復制、鏡像、移動、剪切和尺寸標注等操作。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計三維實體模型［3］。

在CATIA建立二維草圖的基礎上，通過CATIA里面的拉伸、開槽、旋轉等功能實現三維零部件的設計。

2.2 手動搬運車的主要零件設計

2.2.1 手動搬運車舵柄設計

2.2.2 手動搬運車彈簧設計

通過實際測量，測得彈簧的螺距為10 mm，彈簧高度為140 mm，直徑為50 mm。在【形狀】創(chuàng)成式外形設計中選擇螺旋線設計，設計適當的起始點和中心線，最后返回零部件設計中，運用肋命令進行彈簧的三維設計，得到圖形如圖3所示。

2.2.3 手動搬運車車架設計

手動搬運車的車架主要通過機械設計中的零部件模塊進行設計完成，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 手動搬運車螺栓設計

根據手動搬運車實際尺寸，測得搬運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【內螺紋/外螺紋】命令對螺桿進行螺紋設計，得到螺栓零件圖如圖5所示。

2.2.5 手動搬運車液壓起升系統(tǒng)設計

在搬運車中，液壓缸的主要作用是通過手柄的拉動或轉動產生壓力，進而帶動搬運車架上下運動。由于內壓缸內部復雜，而且在CATIA內部無法利用液壓模擬動態(tài)運動仿真，因此對液壓缸進行簡化畫法。根據實際尺寸測量，建立液壓缸模型。同時，在液壓缸邊需要建立支撐架，用于支撐搬運車上部分結構，其中支撐架用于固定連接液壓缸和底座，增強剛度，得到液壓缸附件模型如圖6所示。

2.2.6 手動搬運車連桿結構設計

在搬運車運動過程中，需要大量的連桿結構的配合，運動通過連接桿進行傳遞。通過圖1可以查看到，連桿機構主要布置在搬運車的底部，桿件與桿件之間用孔和軸進行連接，如圖7所示。從圖7中可以看到，建立桿件時需要注意確定不同的平面，在不同的平面上建立模型進行連接。比如圖7的連桿機構，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，通過命令進行鏡像對稱，進而保證建模的準確性。

2.2.7 手動搬運車車輪設計

2.2.8 手動搬運車其他零件設計

主要利用CATIA中的機械設計中的零部件設計模塊對其他零部件運用凸臺、旋轉、切割等命令進行建模，其所有零件如圖9所示 （對部分零件進行編號標注）。

3 手動搬運車裝配

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系、移動和布置裝配成員、生產產品的爆炸圖、裝配干涉和間隙分析等主要功能［4］。

3.2 手動搬運車零部件的裝配

所有零部件如圖9所示，在進行裝配時也應當注意一定的原則。在進行手動搬運車裝配時，應當以底架2為基準進行裝配，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行添加裝配。在裝配完底架部分后，對搬運車的手柄驅動部分進行裝配。對液壓缸部分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。在添加相關零件約束之后，對已裝配零件進行更新，進而安排零部件布局，最終進行總體零件裝配的更新，得到手動搬運車的裝配圖，如圖10所示。

在裝配的時候需要注意不能過多約束。如圖10中所示，手動搬運車的連桿機構通過軸與搬運車架相連接。在相合時，連桿結構與車架相合后再運用命令就會出現報警錯誤，此時需要將單個零件隱藏后再進行相合約束。

4 手動搬運車的仿真

4.1 CATIA運動仿真

運動仿真是指通過構建運動機構模型，分析其運動規(guī)律，進行機構的干涉分析，跟蹤零件的運動軌跡，分析機構中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等，其分析結果可以修改零件的結構設計或調整零件材料。

DMU是CATIA中運動分析模塊，它完全集成于CATIA中，可直接調用建模參數進行優(yōu)化分析，可以進行較為簡單的運動機構仿真分析。

在建立整車裝配模型后，即可建立運動仿真模型。在手動搬運車系統(tǒng)中，有很多運動需要分析，這里僅分析在液壓缸中液壓桿驅動搬運車上下移動所需要進行的運動分析，主要是在底架部分各個桿件之間運動時是否產生干涉現象，是否與上面部分產生接觸碰撞，對產生的干涉現象進行適當的校核。在開始運動模型建立前，首先對要組裝的機構運動作細致的了解，弄清其運動方式、約束條件等［5］。

4.2 搬運車DMU運動仿真

4.2.1 搬運車DMU運動仿真步驟

在設計DMU仿真時應當注意分析動力的驅動關系。比如手動搬運車動力源來自驅動手柄。當手柄1繞其軸轉動時，會對其液壓缸產生壓力，壓力推動液壓桿向上運動，進而帶動底架驅動底座，使得底座繞其前端軸線轉動，拉緊手柄的扳手時，釋放液壓，減小壓力，進而降低液壓缸中的液壓桿，實現降低高度。

搬運車仿真步驟:（1）定義運動機構模型;（2）創(chuàng)建運動機構;（3）添加各種對應的運動副;（4）添加固定零部件;（5）根據需要添加輔助模型;（6）運動仿真;（7）定義相應的實體模型到對應的骨架;（8）進行相關分析。

4.2.2 搬運車設置DMU運動仿真

按照上述的搬運車仿真步驟，對搬運車零件添加各種運動副，比如對于液壓缸的驅動可用圓柱結合進行，對于沿軸線轉動可用旋轉結合進行。由于CATIA中DMU模塊只能對剛體添加運動副和仿真，對于鏈條驅動不能實現其運動仿真，因此筆者對其進行適當的修改，即去除手柄的運動驅動環(huán)節(jié)，僅用液壓缸的驅動帶動后面的運動關系，而將前面未參與運動仿真的零部件進行剛性連接處理，簡化仿真過程。對已定義完的運動副最后添加固定元件，然后進行仿真，檢查是否存在運動干涉。

比如在底部桿件 （如圖11所示）之間添加運動副也應當注意驅動關系，因為其下面部分相當于四桿運動，對其添加運動副時應當注意旋轉接觸命令的應用，但不需要添加動力源，因為動力源在液壓缸處產生，否則會出現仿真報錯問題。最后，分析手動搬運車在仿真運動中的干涉問題，對出現干涉現象的零部件稍加修改，提高手動搬運車的設計質量。

4.2.3 手動搬運車干涉問題分析

在DMU仿真中出現了液壓缸處以及底部連桿連接結構等處干涉，分析其原因:

（1）在設計中，零部件的部分尺寸測量、設計不合理，造成連接處過長或過短，造成運動不協(xié)調;

（2）在裝配中存在人為誤差，對某些零件約束過多，造成零件裝配不合理;

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

5 結束語

通過在手動搬運車設計過程中，應用CATIA軟件進行建模、虛擬裝配與運動仿真，完成了零部件結構設計和整套機構的裝配，完善優(yōu)化了設計，避免了可能存在的干涉和碰撞，提高了可裝配性和可維護性。CATIA電子樣機解決方案能提供有效的方法保證所有零部件配合良好，解決工程實際問題，對問題進行分析和優(yōu)化，縮短了產品設計周期。

【1】蘇恩一.輕小型搬運車現狀及其發(fā)展［J］.物流技術與應用，2003（3）:25－27.

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

【3】胡海龍.CATIAV5零件設計實例教程［M］.北京:清華大學出版社，2007:14－20.

【4】金玲，鄧亞東.基于CATIA的清掃車駐車制動的裝配與仿真［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［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2008:94－120.