基于PRO/E運動骨架翻桶機構自頂向下設計

李軍 宋永忠 郭晉斌

LI Jun et al

長治清華機械廠 山西長治 046012

1 前言

后裝壓縮式垃圾車是一種集裝、卸、運于一體的全封閉壓縮式垃圾車，主要用于收集城市生活軟垃圾，并實現工作過程無二次污染。下面介紹運用運動骨架自頂向下的方法對后裝壓縮式垃圾車翻桶機構進行設計。

2 基于Pro/E“運動骨架”自頂向下的設計方法

Top-down(自頂向下)設計是一種設計思想，其含義是先確定總體思路、總體布局，然后設計子組件和零件，是一個自上而下、逐步細化的設計過程。Top-down設計符合大部分產品設計的實際設計流程，符合設計人員的設計思維與習慣。

PTC公司在Pro/Engineer Wildfire 3.0中提供了兩種類型骨架，即標準骨架和運動骨架。標準骨架應用于靜態結構的自頂向下設計，而運動骨架則應用于運動機構的自頂向下設計。應用運動骨架技術進行機構設計的原理是根據待設計機構的簡圖，將其定義為軟件中的“骨架”模型(機構簡圖中的構件尺寸可不完全確定，動態調整)，并在骨架設計階段定義各個構件間的“連接”方式，使之成為“運動骨架”。在進行機構的具體結構設計之前，能夠進行整個機構的運動仿真，從而分析機構的功能、機構在運動過程中經過的位置等。待“運動骨架”經過動態驗證后即可進行各個構件的詳細結構設計，最終完成整個機構的設計。只要改變骨架中的運動位置關系，整個組件也將隨之改變。

3 翻桶機構原理分析及關鍵尺寸確定

后裝壓縮式垃圾車翻桶機構是在垃圾車尾部裝填口處加裝的一種自動提升和翻轉標準垃圾桶的機構，為司機獨立完成垃圾的收運工作提供便利，翻桶機構結構如圖1所示。

3.1 翻桶機構組成及原理分析

翻桶機構主要是由基座、翻料臂、翻桶架、拉桿、凸輪式壓桶裝置和油缸等幾部分組成。其工作原理為基座、翻料臂、翻桶架和拉桿四部分組成一個雙搖桿機構，在油缸的推動下，實現垃圾桶提升翻轉及垃圾的傾倒。壓桶裝置鉸接在翻桶架上，翻料臂、凸輪與轉軸用螺栓連接，翻料架與轉軸相對轉動，在翻桶架轉動過程中使凸輪推動壓桶裝置反方向轉動，實現垃圾桶夾緊。

3.2 翻桶架起始、終了位置選定

根據垃圾桶的高度尺寸確定翻桶架的起始位置，標準240 L垃圾桶的高度為995 mm，在空載和滿載狀態下，裝料器口部相差約70 mm，此時需要翻料架與垃圾桶之間有足夠的傾斜角度，才能確保垃圾桶在任何裝載狀態下都能夠順利掛接提升。若要保證垃圾傾倒干凈無外漏，則要求垃圾桶處于裝料器口部的正上方，且垃圾桶與地面的角度不小于45°，從而可確定翻桶架的終了位置。

3.3 四連桿機構關鍵尺寸選定

按翻桶架的起始、終了位置連接翻桶架旋轉中心B1、 B2及拉桿中心C1、 C2， 并分別作出垂直平分線nb、 nc； 在nb上任選一點為固定鉸鏈A，在nc上 任選一點為固定鉸鏈D，則AB1C1D即為機構在初始位置的簡圖，翻桶機構關鍵尺寸確定示意如圖2所示。

3.4 油缸定位尺寸及工作行程確定

綜合考慮結構設計因素，在構件AB1上選定一點為油缸一端的鉸鏈點E1，根據翻桶機構的初始位置(油缸與翻料臂鉸鏈E1)和終了位置(油缸與翻料臂鉸鏈E2)，計算出液壓油缸行程，再根據液壓油缸的可制造性確定液壓缸的初始安裝距，分別以E1、 E2為圓心，以初始安裝距及初始安裝距與油缸行程之和為半徑分別畫圓，則交點F即為油缸的另一鉸鏈點。

4 翻桶機構的自頂向下設計

4.1 翻桶機構運動骨架創建

整個機構設計模型樹反映了機構設計思路與設計信息的傳遞與反饋，機構設計模型樹如圖3所示。首先建立翻桶機構組件(*.asm)且為空，即無任何實體構件；再建立翻桶機構的運動骨架子組件(*.asm)，根據方案草圖初選的關鍵參數創建翻桶機構的設計骨架，骨架模型是由基準點、基準軸、基準面、曲線與曲面組成，如圖4所示。然后將設計骨架所包含的機構信息傳遞至主體骨架，AD為基座主體、ABE1為翻料臂主體、B1C1為翻桶架主體、DC1為拉桿主體，并定義各個相連主體間的連接方式：其中A、D、B1、 C1、 E1、F均為鉸鏈連接；油缸活塞桿與缸筒為滑動桿連接。這樣即可進行模擬機構的運動情況，并可作動態的編輯修改。

4.2 設計信息的傳遞

設計信息的傳遞是自頂向下設計的關鍵，骨架的信息傳遞是映射幾何特征，它是通過發布幾何和復制幾何實現的，只有將設計數據貫徹到各個零部件中才可以完成設計自上而下的控制以及多任務的分配。以復制過來的點、曲面和表面作為參照，從而保證建立的零件特征符合已知的約束條件。復制幾何只能在裝配模式中創建。

4.3 零件的三維設計與裝配

在裝配模式下創建翻料臂零件，通過復制翻料臂ABE1主體骨架設計信息作為參考基準，在此基礎上添加新的幾何特征，即可完成翻料臂的三維模型設計。翻料臂三維模型如圖5所示。

參照其余主體骨架完成各個零件的三維實體結構設計后，參照主體骨架間的連接方式即可完成翻桶機構的裝配設計。翻桶機構的三維模型如圖6所示。

4.4 翻桶機構運動仿真分析

在仿真模擬分析時，加載模擬載荷質量，啟用重力，并正確定義重力方向，仿真模擬運動定義圖如圖7所示，可求解出油缸在舉升過程中油缸的載荷曲線和翻桶架的加速度曲線，油缸的載荷曲線如圖8所示，翻桶架的加速度曲線如圖9所示[1]。通過油缸的載荷曲線分析可知，整個翻料過程所需最大推力為40 000 N，在系統壓力為16 Mpa情況下，選擇50缸即可滿足要求，翻桶架的加速度曲線為凸輪機構的精益設計提供了理論依據，也反映出這套機構的合理性，機構的慢提快翻既有利于垃圾桶的有效掛接和垃圾的傾倒干凈，同時在下落過程中凸輪壓緊裝置松開垃圾桶后又不會出現丟桶現象。該機構在可靠性試驗時得到了充分驗證，完全能夠滿足使用要求。

5 結語

在運動機構產品設計時，應用運動骨架自頂向下的設計方法優點十分顯著。由于整個設計過程是從頂層開始的，設計從開始就控制著機構的整體設計目標和性能狀況，在方案設計之初就可進行機構的運動分析，不斷調整結構參數，實現設計優化，隨著設計層次的逐漸下行，頂層的參數逐步得到驗證，結構不斷細化，并通過分析結果調整骨架模型，快速完成設計結構的更改，從而保證了設計結構的合理性，大大縮短了產品的設計周期。

引用

[1] 高秀華,李炎亮,鄧洪超等.機械三維動態設計仿真技術[M].北京:化學工業出版社,2003.