基于Creo的木材裝載機三維建模與工作裝置運動仿真

李耀翔，龍劍群

(東北林業(yè)大學工程技術(shù)學院，黑龍江哈爾濱150040)

木材裝載機是一種森林采運機械，它的主體形態(tài)與一般類型裝載運輸機基本一致，主要區(qū)別在于其前端工作裝置由顎爪型抓具替代了一般類型裝載運輸機的翻斗，同時支撐木材抓具工作的主體結(jié)構(gòu)也隨木材裝載機的工作特點進行了相應的改進，主要應用于林業(yè)、港口、倉儲企業(yè)等以木材裝卸、搬運、歸楞等操作為主的單位中［1］。CAD/CAM技術(shù)在加快產(chǎn)品研發(fā)效率的同時，能夠模擬實際工況下產(chǎn)品受力情況，并利用所得出監(jiān)測分析數(shù)據(jù)改進產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，保證產(chǎn)品質(zhì)量。該技術(shù)已成為當今工業(yè)制造加工領(lǐng)域不可或缺的技術(shù)支持與輔助工具［2］。

隨著三維造型軟件的應用范圍日益普及，很多大中型制造企業(yè)使用如Creo(Pro/ENGINEER的改進產(chǎn)品)、Auto CAD、CATIA、Solid Works、UG NX 等大型設計軟件，企業(yè)使用CAD/CAM技術(shù)的機遇已經(jīng)來臨［3］。實踐表明，CAD/CAM技術(shù)在改進產(chǎn)品質(zhì)量、提高研發(fā)效率以及降低生產(chǎn)成本中占據(jù)非常重要的地位，是企業(yè)擴大市場占有率、提升市場競爭能力的強力對策［4］。虛擬造型技術(shù)的產(chǎn)生是現(xiàn)代研發(fā)設計技術(shù)和生產(chǎn)過程技術(shù)演化過程的高價值產(chǎn)物，是現(xiàn)代加工制造領(lǐng)域走向先進化、智能化的必然趨勢［5］。

Creo Parametric是完全面向用戶的組件裝配的造模參數(shù)化應用軟件，與早期手工繪制二維工程圖的設計技術(shù)相比，三維建模技術(shù)與實例仿真技術(shù)彌補了繪制、修改工程圖的繁瑣和設計周期長的缺點，增強了新產(chǎn)品的研發(fā)速率和穩(wěn)定性［6］。

1 工作裝置參數(shù)化建模

木材裝載機屬于特殊工程機械，其工作裝置的設計是木材裝載機設計中的關(guān)鍵。該設計中工作裝置由支撐臂、主動臂、抓具回轉(zhuǎn)支撐梁、木材抓具以及液壓缸構(gòu)成。通過借助Creo Parametric中的草繪(Sketch)、拉伸(Extrude)、旋轉(zhuǎn)(Revolve)、螺旋掃描(Helical Sweep)、造型(Style)、陣列(Pattern)、環(huán)形折彎(Toroidal Bend)等指令實現(xiàn)工作裝置參數(shù)化實體建模［7］。木材裝載機主要應用在林區(qū)貯木場的木材裝卸、搬運作業(yè)中。為了在作業(yè)過程中木材裝載機能夠靈活地工作，其結(jié)構(gòu)也應該適應木材較長的尺寸。圖1為木材裝載機工作裝置機構(gòu)簡圖。

圖1 木材裝載機工作裝置機構(gòu)簡圖

1.1 支撐臂的建模 支撐臂是木材裝載機工作裝置與機體連接的“第一關(guān)節(jié)”，主要將承受木材抓具內(nèi)木材等作業(yè)對象的重量傳遞給機體地盤并最終通過輪胎傳遞到地面。支撐臂需要具備較大的抗壓能力，以降低作業(yè)過程發(fā)生重大事故的可能性。

為適應木材集材作業(yè)中原木普遍較長的工作情況，木材裝載機前端工作裝置要滿足木材在抓具回轉(zhuǎn)過程中與支撐臂、機體和主動臂不干涉的能力。通過草繪、拉伸、倒角、鏡像、創(chuàng)建輔助面等基本操作即可完成建模(圖2)。根據(jù)設計需要，可采用不同的建模方法，依次對所有零件進行特征建模，完成的零件可通過模型樹(Model Tree)了解設計過程，靈活地對其進行修改。

圖2 支撐臂

1.2 主動臂的建模 主動臂較長的結(jié)構(gòu)是為了便于抓具旋轉(zhuǎn)時木料擁有充足的空間，同時便于抓取楞堆離木材裝載機較遠和較高的木料。主動臂與支撐臂鉸接，為方便木材在裝卸作業(yè)中繞抓具支撐梁回轉(zhuǎn)，主動臂通過拉伸并增加混合(Blend)操作指令進行設計(圖3)。

圖3 主動臂

1.3 抓具回轉(zhuǎn)與支撐梁的建模 回轉(zhuǎn)支承梁與主動臂和雙木材抓具進行鉸接，其下端還留有與液壓缸的鉸接孔，以方便木材抓具在工作中進行張開、閉合動作。同時，抓具回轉(zhuǎn)支撐梁中還包含一個液壓馬達，準確地說它是一個裝配構(gòu)件，而不是Creo中的PART。正因為支撐臂和主動臂的特殊結(jié)構(gòu)，才使得木材抓具抓取原木時具有3個自由度，抓具回轉(zhuǎn)支撐梁比常用反轉(zhuǎn)六桿機構(gòu)和正轉(zhuǎn)四桿機構(gòu)具有更好的靈活度，其三維模型如圖4所示。

1.4 木材抓具的建模 為了便于原木在裝卸時木材裝載機能夠在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，采用雙側(cè)液壓缸進行張開和閉合能夠提高工作中木材抓具和原木的穩(wěn)定性。木材抓具的開閉機構(gòu)雙液壓缸采用同一液壓回路，抓具雙側(cè)液壓缸采用并聯(lián)形式，將每一液壓缸與之對應的油路上分別調(diào)速閥進行串聯(lián)，然后調(diào)節(jié)節(jié)流閥的設定值，便能夠保證通過兩側(cè)互相并聯(lián)的抓具液壓缸的流量相同，從而有效改善和避免雙側(cè)缸同時開閉時木材抓具開閉角的不對稱、工作時不同步的情況，其三維模型如圖5所示。

2 組件裝配與運動仿真

圖4 支撐梁

圖5 木材抓具

在機構(gòu)模擬前，需將各組件進行裝配。在Creo中進入機構(gòu)分析模塊即可進行組件裝配，通過設定各組件間連接的相互關(guān)系，定位基準曲線和基準曲面進行各組件間方向和位置的約束。設置組件再生后的起始位置即“零點位置”，以便在進行再生模型時恢復到起始位置等步驟后便可對木材裝載機工作裝置組件進行裝配。各組件之間的裝配約束類型如表1所示。

表1 工作裝置各組件的裝配約束類型

2.1 約束選擇與組件裝配 Creo中組件裝配是對已造型好的各零部件進行約束定位過程，合理地選擇零部件之間的約束關(guān)系才能確保在后續(xù)機構(gòu)模擬中系統(tǒng)不會發(fā)出錯誤警報。將已裝配好的木材裝載機工作裝置三維模型進行工程圖轉(zhuǎn)換，以便讀者理解工作裝置中各部件的配合關(guān)系(圖6)，木材裝載機三維模型如圖7所示。

2.2 工作裝置運動仿真 在組件裝配完后，進入Creo應用程序中的“機構(gòu)”模塊，在進行機構(gòu)模擬前，需要對所模擬的對象進行初始條件以及伺服電機等初始環(huán)境的定義設置［8］。利用拖動元件中的快照功能生成初始位置Snapshot1快照，進入“插入”中的“初始條件”，將InitCond1初始條件定義選擇Snapshot1快照即可完成初始條件的定義。

圖6 工作裝置裝配

圖7 木材裝載機三維模型

圖8 伺服電機的工作順序

在Creo機構(gòu)應用程序環(huán)境中要實現(xiàn)機構(gòu)的運動模擬，必須定義Creo中的“伺服電動機”，它既可以表示移動副，也可以表示轉(zhuǎn)動副，并不完全等同現(xiàn)實中普遍用于數(shù)控機床的伺服電機的原理。通過表1中的裝配約束類型和木材裝載機工作性質(zhì)的考量，設定由支撐臂液壓缸(液壓缸1)、主動臂液壓缸(液壓缸2)、回轉(zhuǎn)支撐梁液壓缸(液壓缸3)、木材抓具液壓缸(液壓缸4)以及抓具回轉(zhuǎn)液壓馬達5個自由度的工作裝置。由于Creo中“伺服電動機”設定的速度是常數(shù)，因此對同一個運動副需要同時設置速度為正負的2個“伺服電動機”。進入“分析”對話框，對5組10個“伺服電動機”進行時間定義(圖8)。完成分析定義后即可運行木材裝載機工作裝置的機構(gòu)模擬運動仿真，選取木材抓具前端某一點為分析點(PNT0)，通過“測量”對話框可以分析出改點的運動狀態(tài)和位置變化(圖9)。

圖9 木材抓具運動軌跡

3 結(jié)論

在Creo Parametric 2.0軟件下進行木材裝載機工作裝置的三維造型工作，構(gòu)建木材裝載機的三維實例，并在機構(gòu)程序環(huán)境中對已裝配好的木材裝載機工作裝置進行運動仿真與分析。結(jié)果表明，應用Creo Parametric 2.0軟件進行虛擬設計與組件裝配技術(shù)對木材裝載機進行三維建模、組件裝配和工作裝置的機構(gòu)運動仿真能夠便于木材裝載機企業(yè)研發(fā)部門直觀地觀察木材裝載機的模擬工作狀態(tài)，對設計中存在的不足之處進行改進與優(yōu)化。

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