基于Creo的木材裝載機(jī)三維建模與工作裝置運(yùn)動(dòng)仿真

李耀翔，龍劍群

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040)

木材裝載機(jī)是一種森林采運(yùn)機(jī)械，它的主體形態(tài)與一般類型裝載運(yùn)輸機(jī)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(yùn)輸機(jī)的翻斗，同時(shí)支撐木材抓具工作的主體結(jié)構(gòu)也隨木材裝載機(jī)的工作特點(diǎn)進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，主要應(yīng)用于林業(yè)、港口、倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)等以木材裝卸、搬運(yùn)、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(shí)，能夠模擬實(shí)際工況下產(chǎn)品受力情況，并利用所得出監(jiān)測(cè)分析數(shù)據(jù)改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，保證產(chǎn)品質(zhì)量。該技術(shù)已成為當(dāng)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(yīng)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(jìn)產(chǎn)品)、Auto CAD、CATIA、Solid Works、UG NX 等大型設(shè)計(jì)軟件，企業(yè)使用CAD/CAM技術(shù)的機(jī)遇已經(jīng)來臨［3］。實(shí)踐表明，CAD/CAM技術(shù)在改進(jìn)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(kuò)大市場(chǎng)占有率、提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的強(qiáng)力對(duì)策［4］。虛擬造型技術(shù)的產(chǎn)生是現(xiàn)代研發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)和生產(chǎn)過程技術(shù)演化過程的高價(jià)值產(chǎn)物，是現(xiàn)代加工制造領(lǐng)域走向先進(jìn)化、智能化的必然趨勢(shì)［5］。

Creo Parametric是完全面向用戶的組件裝配的造模參數(shù)化應(yīng)用軟件，與早期手工繪制二維工程圖的設(shè)計(jì)技術(shù)相比，三維建模技術(shù)與實(shí)例仿真技術(shù)彌補(bǔ)了繪制、修改工程圖的繁瑣和設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)，增強(qiáng)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(jī)屬于特殊工程機(jī)械，其工作裝置的設(shè)計(jì)是木材裝載機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。該設(shè)計(jì)中工作裝置由支撐臂、主動(dòng)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(shí)現(xiàn)工作裝置參數(shù)化實(shí)體建模［7］。木材裝載機(jī)主要應(yīng)用在林區(qū)貯木場(chǎng)的木材裝卸、搬運(yùn)作業(yè)中。為了在作業(yè)過程中木材裝載機(jī)能夠靈活地工作，其結(jié)構(gòu)也應(yīng)該適應(yīng)木材較長(zhǎng)的尺寸。圖1為木材裝載機(jī)工作裝置機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖1 木材裝載機(jī)工作裝置機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.1 支撐臂的建模 支撐臂是木材裝載機(jī)工作裝置與機(jī)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(duì)象的重量傳遞給機(jī)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(yīng)木材集材作業(yè)中原木普遍較長(zhǎng)的工作情況，木材裝載機(jī)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(jī)體和主動(dòng)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(shè)計(jì)需要，可采用不同的建模方法，依次對(duì)所有零件進(jìn)行特征建模，完成的零件可通過模型樹(Model Tree)了解設(shè)計(jì)過程，靈活地對(duì)其進(jìn)行修改。

圖2 支撐臂

1.2 主動(dòng)臂的建模 主動(dòng)臂較長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)是為了便于抓具旋轉(zhuǎn)時(shí)木料擁有充足的空間，同時(shí)便于抓取楞堆離木材裝載機(jī)較遠(yuǎn)和較高的木料。主動(dòng)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(dòng)臂通過拉伸并增加混合(Blend)操作指令進(jìn)行設(shè)計(jì)(圖3)。

圖3 主動(dòng)臂

1.3 抓具回轉(zhuǎn)與支撐梁的建模 回轉(zhuǎn)支承梁與主動(dòng)臂和雙木材抓具進(jìn)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(jìn)行張開、閉合動(dòng)作。同時(shí)，抓具回轉(zhuǎn)支撐梁中還包含一個(gè)液壓馬達(dá)，準(zhǔn)確地說它是一個(gè)裝配構(gòu)件，而不是Creo中的PART。正因?yàn)橹伪酆椭鲃?dòng)臂的特殊結(jié)構(gòu)，才使得木材抓具抓取原木時(shí)具有3個(gè)自由度，抓具回轉(zhuǎn)支撐梁比常用反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)和正轉(zhuǎn)四桿機(jī)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(shí)木材裝載機(jī)能夠在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，采用雙側(cè)液壓缸進(jìn)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(jī)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(duì)應(yīng)的油路上分別調(diào)速閥進(jìn)行串聯(lián)，然后調(diào)節(jié)節(jié)流閥的設(shè)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(shí)開閉時(shí)木材抓具開閉角的不對(duì)稱、工作時(shí)不同步的情況，其三維模型如圖5所示。

2 組件裝配與運(yùn)動(dòng)仿真

圖4 支撐梁

圖5 木材抓具

在機(jī)構(gòu)模擬前，需將各組件進(jìn)行裝配。在Creo中進(jìn)入機(jī)構(gòu)分析模塊即可進(jìn)行組件裝配，通過設(shè)定各組件間連接的相互關(guān)系，定位基準(zhǔn)曲線和基準(zhǔn)曲面進(jìn)行各組件間方向和位置的約束。設(shè)置組件再生后的起始位置即“零點(diǎn)位置”，以便在進(jìn)行再生模型時(shí)恢復(fù)到起始位置等步驟后便可對(duì)木材裝載機(jī)工作裝置組件進(jìn)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(duì)已造型好的各零部件進(jìn)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(jī)構(gòu)模擬中系統(tǒng)不會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤警報(bào)。將已裝配好的木材裝載機(jī)工作裝置三維模型進(jìn)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(jī)三維模型如圖7所示。

2.2 工作裝置運(yùn)動(dòng)仿真 在組件裝配完后，進(jìn)入Creo應(yīng)用程序中的“機(jī)構(gòu)”模塊，在進(jìn)行機(jī)構(gòu)模擬前，需要對(duì)所模擬的對(duì)象進(jìn)行初始條件以及伺服電機(jī)等初始環(huán)境的定義設(shè)置［8］。利用拖動(dòng)元件中的快照功能生成初始位置Snapshot1快照，進(jìn)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(jī)三維模型

圖8 伺服電機(jī)的工作順序

在Creo機(jī)構(gòu)應(yīng)用程序環(huán)境中要實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模擬，必須定義Creo中的“伺服電動(dòng)機(jī)”，它既可以表示移動(dòng)副，也可以表示轉(zhuǎn)動(dòng)副，并不完全等同現(xiàn)實(shí)中普遍用于數(shù)控機(jī)床的伺服電機(jī)的原理。通過表1中的裝配約束類型和木材裝載機(jī)工作性質(zhì)的考量，設(shè)定由支撐臂液壓缸(液壓缸1)、主動(dòng)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(dá)5個(gè)自由度的工作裝置。由于Creo中“伺服電動(dòng)機(jī)”設(shè)定的速度是常數(shù)，因此對(duì)同一個(gè)運(yùn)動(dòng)副需要同時(shí)設(shè)置速度為正負(fù)的2個(gè)“伺服電動(dòng)機(jī)”。進(jìn)入“分析”對(duì)話框，對(duì)5組10個(gè)“伺服電動(dòng)機(jī)”進(jìn)行時(shí)間定義(圖8)。完成分析定義后即可運(yùn)行木材裝載機(jī)工作裝置的機(jī)構(gòu)模擬運(yùn)動(dòng)仿真，選取木材抓具前端某一點(diǎn)為分析點(diǎn)(PNT0)，通過“測(cè)量”對(duì)話框可以分析出改點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和位置變化(圖9)。

圖9 木材抓具運(yùn)動(dòng)軌跡

3 結(jié)論

在Creo Parametric 2.0軟件下進(jìn)行木材裝載機(jī)工作裝置的三維造型工作，構(gòu)建木材裝載機(jī)的三維實(shí)例，并在機(jī)構(gòu)程序環(huán)境中對(duì)已裝配好的木材裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真與分析。結(jié)果表明，應(yīng)用Creo Parametric 2.0軟件進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)與組件裝配技術(shù)對(duì)木材裝載機(jī)進(jìn)行三維建模、組件裝配和工作裝置的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真能夠便于木材裝載機(jī)企業(yè)研發(fā)部門直觀地觀察木材裝載機(jī)的模擬工作狀態(tài)，對(duì)設(shè)計(jì)中存在的不足之處進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。

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