基于Creo的裝載機抱叉三維建模及運動仿真

謝國進，何澤強，黃光永，諶炎輝

（廣西科技大學機械工程學院，廣西柳州545006）

基于Creo的裝載機抱叉三維建模及運動仿真

謝國進，何澤強，黃光永，諶炎輝

（廣西科技大學機械工程學院，廣西柳州545006）

抱叉作為一種以輪式裝載機為基礎而開發的器械，具有高效、適應性強、用途寬廣、操作方便等特點。借助C reo 2.0軟件對裝載機抱叉進行三維實體的構建，在Creo集成環境中對抱叉進行虛擬裝配，將裝配完畢的虛擬樣機導入C reo Parametric機構分析模塊，對其進行機構運動仿真，結果表明裝載機抱叉運動良好且無干涉，驗證了裝載機抱叉的設計初步可行，Creo原始數據能為后續的機構設計及優化工作提供分析與借鑒。

裝載機抱叉；Creo Parametric；三維建模；運動仿真

裝載機是一種通過在前端安裝一個鏟斗、抱叉等不同工作裝置，隨著裝載機的運動方向進行裝載或抱夾，以及舉升、運輸和卸載的工程機械。抱叉是一種為了滿足輪式裝載機適應不同作業環境而設計的機構，具有效率高、靈活性強、適應性好、應用范圍廣、操作簡單方便等特點，尤其適合應用于民用建筑、水利建設等需要裝卸、裝運和堆砌圓形規則物料和不規則長形物料的大型工程，諸如在港口、林區裝卸堆砌木材；建設油田時利用抱叉轉運和鋪設油管、鉆桿等作業過程；在碼頭或車站起重、牽引不規則圓形長物料的作業[1]。配置抱叉的輪式裝載機能夠縮短施工的時間、替代強度高的體力勞動、降低人力資源成本、提高生產效率，所以它在我國國民經濟建設的價值也越來越高。

CAD/CAM技術不僅能方便建立符合設計者意圖的三維模型，加快產品研發速度，還能將建立好的產品模型在設置好各項參數的條件下對實際工作狀況進行仿真，通過仿真數據分析，可以看出所設計的產品是否符合要求，各運動件之間是否存在干涉，從而能在產品實際生產出來之前進行產品結構的改進，提高了設計效率和產品質量。因此，CAD/CAM技術在如今的研發、設計和制造領域已成為了必不可少的技術支持工具。Creo是Pro/ENGINEER的改進產品，Creo Parametric是完全面向用戶的組件裝配的造模參數化應用軟件，與早期手工繪制二維工程圖的設計技術相比，三維建模技術與實例仿真技術彌補了繪制、修改工程圖的繁瑣和設計周期長的缺點，增強了新產品的研發速率和穩定性[2]。

1 抱叉的三維建模

裝載機工作裝置的抱叉由上叉體、下叉體和油缸組成，分別進行建模，最后以機械約束集的方式裝配成抱叉。通過借助Creo Parametric中的草繪（Sketch）、拉伸（Extrude）、旋轉（Re．volve）、螺旋掃描（Helical Sweep）、造型（Style）、陣列（Pattern）、環形折彎（Toroidal Bend）等指令實現工作裝置參數化實體建模[3]。

1.1 上下叉體的建模

上叉體是由上叉體左夾叉、右夾叉、方鋼、擋板、支板、筋板焊接而成的。通過以上述參數化實體化建模方法先繪制上叉體右夾叉模型，然后以右夾叉為基礎依次繪制出方鋼、左夾叉、擋板、支板和筋板便可得到上叉體模型，如圖1所示。下叉體是由兩個夾叉，三個中間支座、三個圓鋼、兩塊橫梁彎板、一塊橫梁板焊接而成的。因此可以先建立圓鋼的模型，然后添加繪制另外兩個中間支座，并繪制橫梁彎板和橫梁板以支撐，最后繪制兩側的夾叉。下叉體模型，如圖2所示。上叉體與下叉體的相對運動能改變抱叉的抱圓直徑，以便抱夾不同大小的物料，上叉體與下叉體相對位置的改變也會使得物料的受力位置和大小產生改變。

圖1 上叉體

圖2 下叉體

1.2 油缸活塞桿、缸體的建模

活塞桿的建模。首先，通過拉伸建立主體部分的圓柱，然后依次以圓柱底面為草繪平面拉伸兩個小圓柱，以圓柱的其中一個基準平面為草繪面繪制一個封閉的半圓，使用旋轉特征生成一個球，再以通過球心的一個基準平面為草繪面，繪制由弧線和直線組成的小半圓，用切除材料的方式拉伸后將球的兩側切除，使用孔特征在球上開一個通孔，可建立活塞桿的三維模型如圖3所示。油缸缸體的建模，其建模方法和活塞桿基本類似。首先繪制圓形，拉伸后得到缸體的外圓柱，以缸體上表面為草繪面繪制一個圓形，采用切除材料拉伸后得到缸體部分。然后再使用旋轉特征在缸體外表面上切槽，結合去除材料的方式拉伸生成其他細節部分，油缸缸體三維模型如圖4所示。

圖3 油缸活塞桿

圖4 油缸缸體

2 抱叉的裝配

2.1 上下叉體的裝配

操作步驟如下，第一步，在Creo Parametric中建立一個新的裝配文件并打開，單擊組裝按鈕打開下叉體，約束類型選取使其固定。第二步，打開上叉體模型，選取銷連接，分別選取上叉體孔的中心軸線和下叉體左右支座的中心軸線為軸對齊參考約束，上叉體的外側面和下叉體左右支座的內側面兩平面為平移約束參考。第三步，打開油缸模型，選取銷連接，分別選取下叉體內側支座孔的中心軸線和油缸腔體的孔的中心為軸對齊參考約束，下叉體孔的側面和油缸腔體孔的外側面兩個平面為平移約束的參考，再次新建約束集，選取銷連接，分別選取上叉體末端孔的中心軸線和油缸活塞的孔的中心為軸對齊參考約束，上叉體末端孔的側面和油缸腔活塞的外側面兩個平面為平移約束參考。第四步，重復步驟三，裝配另一側的油缸，最后抱叉的裝配圖如圖5所示。

圖5 抱叉的裝配

2.2 油缸的裝配

添加運動元件油缸活塞。在連接列表選取滑塊選項，然后分別選取油缸活塞中心軸線和油缸腔體中心軸線為軸對齊參考約束，選取油缸活塞端面和油缸腔體內的端面這兩個平面作為平移軸參考，油缸的裝配模型圖如圖6所示。平移軸的參數待定，求出油缸的最大行程后再返回此步輸入具體數值。

圖6 油缸的裝配

3 抱叉的運動仿真

抱叉作為一個獨立的整體來看，其上叉體和下叉體之間的相對運動是受油缸的伸縮得以實現，在Creo集成環境中，需要通過給機構定義伺服電動機來進行運動仿真與分析。由于油缸的運動軌跡未知，無法給出油缸行程的具體數值，因此，在上叉體與下叉體銷軸連接孔處需設置電機來檢查干涉，以確定油缸的最大行程及抱叉的運動范圍。

3.1 油缸行程的位置仿真

新建伺服電動機，選取上叉體與下叉體的銷連接為運動軸，輪廓規范為位置，模選擇表內參數設置為上叉體每秒相對下叉體旋轉60°，根據仿真結果可知，上叉體從初始位置開始運動接近2 s時，機構之間發生干涉，可以得出油缸活塞的最大行程為390 mm.返回至油缸的裝配，進行平移軸參考參數設置。設置活塞完全插入油缸缸體內為零位置，勾選啟用重新生成值、最小限制和最大限制，設置最小限制值為0mm，最大限制值390 mm.通過分析測量結果，由圖7和圖8可以看出，當上叉體與下叉體相對張開程度達到最大時，其最大抱圓直徑為1 805 mm，當上叉體與下叉體間相對張開程度最小時的最小抱圓直徑為414mm.

圖7 抱叉合攏時的最大抱圓直徑

圖8 抱叉合攏時的最小抱圓直徑

3.2 創建運動包絡

運動包絡表示的是模型在整個運動過程中經過的范圍，是一組三角形的片體模型或是實體模型。運動包絡常常被用來模擬機構正常運動過程的空間區域[4]。從圖9中可以看出上叉體的運動過程的位置空間與下叉體等其他部位沒有產生干涉，可驗證機構設計的合理性。

圖9 抱叉運動包絡

3.3 創建軌跡曲線

軌跡曲線通過曲線表示裝配模型中某點相對于模型的運動。選取上叉體擋板尖點，生成軌跡曲線，由其投影可測出，抱叉運動軌跡最大夾角為114°，如圖10所示。

圖10 創建軌跡曲線并測量其夾角

3.4 運動學分析

機械運轉的速度波動對機械的工作時不利的，它不僅影響機械的工作質量，也會影響到機械的效率和壽命，所以必須設法加以控制和調節[5]。抱叉應適于中低速作業，抱叉張夾速度和活塞伸縮速度應平穩，波動較小。不考慮重量、摩擦等因素，假定抱叉上叉體以一定速度做勻速運動，對油缸活塞伸縮的運動進行仿真。若收攏過程時間為6 s，由所求抱叉運動軌跡最大夾角114°，計算得其運動速度應為19（°）/s.在銷軸上定義伺服電動機，使上叉體以19（°）/s的速度逆時針旋轉6 s.設置相關參數后，定義測量，可得活塞伸出推程、速度及加速度測量數據，曲線圖分別如圖11、12、13所示。由測量結果可知，油缸活塞伸出的行程、速度和加速度函數曲線均是光滑的，說明機構作業時，抱叉的抱夾和油缸活塞伸縮的速度平穩、波動較小，不會引起較大的機械振動。另外，活塞伸出時能夠做類似余弦加速度推程運動，該運動適用于中低速重載的場合，符合抱叉在作業時承受大量物料，抱夾收攏張開較慢的工作要求。

圖11 活塞伸出位置曲線圖

圖12 活塞伸出速度曲線圖

圖13 活塞伸出加速度曲線圖

4 結束語

在Creo Parametric 2.0軟件環境下進行裝載機抱叉的三維建模工作，并對該抱叉建立的模型通過特定約束方式裝配，然后定義了伺服電動機和初始分析條件進行運動仿真與分析，根據位置分析求出油缸的合理行程，以及抱叉的最大抱圓直徑、最小抱圓直徑，通過繪制軌跡曲線測出抱叉運動軌跡的最大夾角。并通過運動包絡對模型進行干涉檢查，驗證所取設計參數的合理性。最后，通過運動學分析判定抱叉能夠滿足工作時速度平穩、波動小、中低速運動、承受重載的性能要求。該方法能直觀地觀察裝載機抱叉模擬工作狀態，能對設計中存在的問題進行改進與優化，具有一定的工程設計實際意義。

[1]徐東云，張永勝.夾鉗裝置干涉問題的分析[J].工程機械，2004，（11）：26-29.

[2]姜俊杰.Pro/Engineer Wildfire高級實例教程[M].北京：中國水利水電出版社，2004.

[3]李耀翔，龍劍群.基于Creo的木材裝載機三維建模與工作裝置運動仿真[J].安徽農業科學，2014，42（15）：4693-4695.

[4]詹友剛.Creo2.0運動仿真與分析教材[M].北京：機械工業出版社，2015.

[5]孫桓.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2013.

Three-dimensional Modeling and Motion Simulation of Loader’s Fork Based on the Creo

XIE Guo-jin，HE Ze-qiang，HUANG Guang-yong，CHEN Yan-hui
（Guangxi University of Science and Technology，Mechanical Engineering Institute，Liuzhou Guangxi 545006，China）

As a kind of instrument，loader’s fork developed on the basis of the wheel loader is with a high efficiency，strong adaptability and wide applications，convenient operation，etc. Three-dimensional modeling of loader’s fork and motion simulation is studied based on Creo 2.0，Virtual design is implemented for the loader’s fork is assembled in the virtual environment，the virtual prototype is then imported to the analysis module of the Creo Parametric for mechanism motion simulation. The results show that the movement of loader’s fork is good and no interference，verify the loader’s fork of preliminary design is feasible，this study could provide useful information for future machine design and improvement.

loader’s fork；creo parametric；three-dimensional modeling；motion simulation

T H122

A

1672-545X（2016）09-0009-04

2016-06-27

廣西教育廳重點資助項目（No.ZD2014074）；廣西科技大學博士基金項目（校科博13Z13）資助。

謝國進（1980-），男，湖南邵陽人，工學碩士，工程師，主要研究方向：機電一體化。