叉車(chē)門(mén)架系統(tǒng)的Top-Down設(shè)計(jì)研究*

李何偉，郭芬芬,夏 筆

(1.廣西科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 柳州 545006； 2.廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545006)

叉車(chē)門(mén)架系統(tǒng)的Top-Down設(shè)計(jì)研究*

李何偉1，郭芬芬2,夏 筆1

(1.廣西科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 柳州 545006； 2.廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545006)

闡述了Top-Down設(shè)計(jì)的理論、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)流程，對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中所涉及到的相關(guān)概念作出了具體的定義。結(jié)合叉車(chē)門(mén)架系統(tǒng)實(shí)例建立了門(mén)架、門(mén)架液壓、貨叉架和擋貨架骨架完整的Top-Down設(shè)計(jì)流程，簡(jiǎn)要說(shuō)明了相關(guān)模塊之間接口問(wèn)題和如何實(shí)現(xiàn)門(mén)架起升和門(mén)架液壓系統(tǒng)中軟管的參數(shù)化控制過(guò)程。實(shí)踐證明Top-Down設(shè)計(jì)方法可以大大提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和速度。

Top-Down；門(mén)架；Creo；骨架

1 引 言

隨著研究設(shè)計(jì)理論的豐富和發(fā)展，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念已經(jīng)難以滿足企業(yè)不斷發(fā)展和進(jìn)步的需要，這些企業(yè)迫切需要一個(gè)新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式，而Top-Down設(shè)計(jì)方法正是在這種大環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生，傳統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)主要是依賴(lài)于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于設(shè)計(jì)模型的重復(fù)修改量也很大，而Top-Down設(shè)計(jì)引入了骨架模型，是一種自頂向下的設(shè)計(jì)思想，從整體到局部，可以更容易和直接的傳遞數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)的要求，在不同系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)師之間可更好的達(dá)到協(xié)同設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)的目的，從而大大提高產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率。

CAD研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題就是研究和開(kāi)發(fā)基于Top-Down設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，目前己研究和開(kāi)發(fā)出了一些較完善系統(tǒng)，如Pro/Top-Down、WAYT、Delta、GNOSIS、GONGEN等，其中美國(guó)PTC公司提出的Pro/Top-Down設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以通過(guò)Pro/Layout模塊在二維環(huán)境下定義產(chǎn)品的裝配約束，并將這些約束傳遞到產(chǎn)品三維裝配設(shè)計(jì)及分析中，并且可以實(shí)現(xiàn)整車(chē)產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計(jì)[1]。筆者基于PTC公司最新的Creo軟件平臺(tái)來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品的Top-Down設(shè)計(jì)。

2 產(chǎn)品的Top-Down設(shè)計(jì)

Top-Down設(shè)計(jì)是一種自頂向下的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)的大致流程如圖1所示。

圖1 Top-Down設(shè)計(jì)流程

叉車(chē)整車(chē)的設(shè)計(jì)是一個(gè)全面而又復(fù)雜的過(guò)程，涉及到產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)，前期必須做好充分的基礎(chǔ)工作，需要花費(fèi)大量的人力物力對(duì)企業(yè)和市場(chǎng)進(jìn)行調(diào)研，了解并掌握問(wèn)題所在，繼而總體設(shè)計(jì)師對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行細(xì)化，把整車(chē)劃分為若干個(gè)子系統(tǒng)，如動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、門(mén)架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等，分管各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師門(mén)通過(guò)總體設(shè)計(jì)師創(chuàng)建的整機(jī)和各模塊布局、整機(jī)骨架、各系統(tǒng)模塊的接口信息來(lái)開(kāi)展本系統(tǒng)的模塊化Top-Down設(shè)計(jì)。各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程中，將遇到的問(wèn)題反饋給總體設(shè)計(jì)師，總體設(shè)計(jì)師根據(jù)這些反饋來(lái)完善先前的參數(shù)設(shè)計(jì)和整體的布局信息，這樣就達(dá)到了一個(gè)不斷相互改進(jìn)、完善的過(guò)程，并最終完成整機(jī)的設(shè)計(jì)。Top-Down設(shè)計(jì)中部分名詞的基本概念及含義如表1所列[2]。

表1 Top-Down設(shè)計(jì)中部分名詞的基本概念及含義

上述表格中骨架的建立使得在叉車(chē)門(mén)架設(shè)計(jì)過(guò)程中各參數(shù)的傳遞變的更加快速及流暢，為T(mén)op-Down設(shè)計(jì)工作奠定了良好的基礎(chǔ)。

3 叉車(chē)門(mén)架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

叉車(chē)門(mén)架系統(tǒng)屬于叉車(chē)中最重要的組成部分之一，是叉車(chē)進(jìn)行裝卸作業(yè)的直接工作機(jī)構(gòu)，它包括門(mén)架、門(mén)架液壓、擋貨架叉架4個(gè)模塊，如圖2所示。

圖2 叉車(chē)的模塊劃分簡(jiǎn)示圖

3.1 門(mén)架Top-Down設(shè)計(jì)

叉車(chē)門(mén)架根據(jù)功能的不同可劃分為不同的模塊，如根據(jù)起升高度的不同可分為2 m、3 m、5 m、7 m等模塊，還可分為普通門(mén)架和全自由門(mén)架。兩節(jié)門(mén)架是叉車(chē)門(mén)架的基本型式，它由內(nèi)門(mén)架和外門(mén)架組成，內(nèi)、外門(mén)架各有兩根立柱，立柱是門(mén)架承載的主要構(gòu)件，又是貨叉架或內(nèi)門(mén)架作為升降運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌。在左右兩根立柱之間有一聯(lián)接著的橫梁，這樣就形成一種封閉形狀的框架。

在對(duì)叉車(chē)門(mén)架進(jìn)行Top-Down設(shè)計(jì)時(shí)，骨架模型是在產(chǎn)品裝配模型中新建的，在骨架創(chuàng)建過(guò)程中，骨架模型必須包含各個(gè)部件的接口信息，如門(mén)架和貨叉架的安裝坐標(biāo)系、門(mén)架鉸接軸線、左右傾斜油缸的位置信息、內(nèi)外門(mén)架和槽鋼端面等；這些都是門(mén)架骨架設(shè)計(jì)中重要的基準(zhǔn)信息。而對(duì)于相對(duì)獨(dú)立(即零件與零件之間沒(méi)有參照關(guān)系，對(duì)其它系統(tǒng)沒(méi)有接口關(guān)系)的零件在骨架中可以不表示，可單獨(dú)建立模型。如擋圈、各種滾輪、限位塊、銷(xiāo)軸、固定夾、標(biāo)準(zhǔn)件等；具體的門(mén)架Top-Down設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

圖3 門(mén)架Top-Down設(shè)計(jì)流程

明確門(mén)架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路之后，再對(duì)門(mén)架的骨架設(shè)計(jì)建立清晰的流程，叉車(chē)門(mén)架的骨架模型可以按照以下流程完成：新建門(mén)架組件模型→在組件中新建骨架→定義重要基準(zhǔn)→關(guān)聯(lián)布局參數(shù)→左右立柱→上橫梁與鉸接的設(shè)計(jì)→傾斜缸門(mén)架鉸接→上橫梁及附屬→中橫梁及附屬→發(fā)布相關(guān)幾何。門(mén)架設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及到的輸出信息與輸入信息如圖4所示。

圖4 門(mén)架設(shè)計(jì)過(guò)程中的輸入信息與輸出信息接口流程

骨架設(shè)計(jì)的最后一定要把骨架中與其它系統(tǒng)模塊有相關(guān)的接口位置信息發(fā)布給相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)，如門(mén)架中的外門(mén)架左右立柱、左右傾斜油缸安裝位置、中心缸安裝位置左右鉸鏈位置以及外門(mén)架橫梁、內(nèi)門(mén)架橫梁面組都必須發(fā)布給門(mén)架液壓系統(tǒng)骨架；門(mén)架中的外門(mén)架左右立柱面組合傾斜油缸在門(mén)架上面的鉸接座面組發(fā)布給液壓系統(tǒng)，如圖5所示。當(dāng)門(mén)架液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)門(mén)架骨架發(fā)布過(guò)來(lái)的尺寸位置信息來(lái)對(duì)其進(jìn)行定位，否則門(mén)架液壓系統(tǒng)缺失這些重要的接口信息將無(wú)法設(shè)計(jì)下去，特別注意的是骨架中的一些重要基準(zhǔn)軸、點(diǎn)、坐標(biāo)系也必須發(fā)布給相關(guān)系統(tǒng)。一旦遺漏發(fā)布，對(duì)其它部門(mén)系統(tǒng)的骨架和組件設(shè)計(jì)工作會(huì)帶來(lái)很多麻煩和不便。

圖5 門(mén)架系統(tǒng)發(fā)布到門(mén)架液壓系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的接口信息

門(mén)架骨架設(shè)計(jì)完成之后，要求實(shí)現(xiàn)參數(shù)控制，起升缸升起高度控制整個(gè)門(mén)架的姿態(tài)，這時(shí)需要通過(guò)聲明整機(jī)的布局文件來(lái)把重要的尺寸參數(shù)傳遞到骨架當(dāng)中，再使用菜單欄中的“關(guān)系”命令，點(diǎn)擊相應(yīng)特征后該特征中的尺寸代號(hào)都會(huì)顯示出來(lái)，再點(diǎn)擊該特征的相應(yīng)尺寸值進(jìn)入關(guān)系式中通過(guò)在“局部參數(shù)”欄下右鍵“插入到關(guān)系”將需要的參數(shù)調(diào)入到關(guān)系建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。具體的關(guān)系參數(shù)如下：水平地方、傾斜缸車(chē)架鉸接點(diǎn)寬度、起升缸行程、、傾斜油缸車(chē)架銷(xiāo)軸直徑、傾斜缸車(chē)架鉸接點(diǎn)距橋心垂直距離、傾斜缸車(chē)架鉸接點(diǎn)距橋心水平距離；以上參數(shù)的關(guān)聯(lián)，可使得門(mén)架的起升高度得到有效的參數(shù)化控制，在對(duì)門(mén)架進(jìn)行三維造型時(shí)，通過(guò)“復(fù)制幾何”的命令從骨架中復(fù)制所需要的模塊，這樣也達(dá)到了門(mén)架三維模型的全參數(shù)化控制，如圖6所示。

圖6 門(mén)架骨架的參數(shù)化控制

3.2 門(mén)架液壓系統(tǒng)的Top-Down設(shè)計(jì)

圖7 門(mén)架液壓系統(tǒng)的Top-Down設(shè)計(jì)流程

門(mén)架液壓系統(tǒng)主要是由起升油缸和一些軟管、接頭等組成的，是控制門(mén)架起升的一個(gè)重要部分。它根據(jù)門(mén)架類(lèi)型的不同劃分為不同的液壓系統(tǒng)，如二級(jí)、三級(jí)門(mén)架可配二聯(lián)閥、三聯(lián)閥或四聯(lián)閥，門(mén)架液壓與其對(duì)應(yīng)則可分由兩個(gè)起升油缸構(gòu)成的的普通門(mén)架液壓和在普通門(mén)架液壓中多加一根中心缸的門(mén)架液壓。門(mén)架液壓系統(tǒng)屬于非獨(dú)立的骨架，在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)之前必須借用整機(jī)骨架、門(mén)架骨架以及貨叉架骨架發(fā)布過(guò)來(lái)的參數(shù)位置信息，骨架的大致設(shè)計(jì)流程為：新建骨架→從整機(jī)骨架中復(fù)制定位所需的門(mén)架安裝坐標(biāo)系→復(fù)制由門(mén)架和貨叉架骨架發(fā)布到門(mén)架液壓系統(tǒng)的幾何→包絡(luò)必要的元件→新建必要的基準(zhǔn)。具體的門(mén)架液壓系統(tǒng)Top-Down設(shè)計(jì)流程如圖7所示。 門(mén)架液壓系統(tǒng)骨架的設(shè)計(jì)中要求調(diào)整門(mén)架系統(tǒng)骨架中相關(guān)參數(shù)，門(mén)架液壓系統(tǒng)模型再生之后實(shí)現(xiàn)姿態(tài)變化，液壓油缸也要實(shí)現(xiàn)隨高度變化撓性伸縮。在對(duì)其Top-Down設(shè)計(jì)中，起升油缸的控制一定要參考合理的基準(zhǔn)信息，而參數(shù)化控制的重點(diǎn)是在管道的設(shè)計(jì)，繪制管道時(shí)在草繪界面中點(diǎn)擊“工具”欄中的“d=關(guān)系”，選擇圖8所示尺寸代號(hào)并建立關(guān)系式，關(guān)系式為：“sd1=20+kd6/2”，并在后面輸入相關(guān)說(shuō)明“/*內(nèi)門(mén)架起升時(shí)軟管相對(duì)下降高度等于起升油缸起升高度的一半”。設(shè)置關(guān)系式之后軟管圓弧處將會(huì)隨內(nèi)門(mén)架上升而相對(duì)下降，且軟管總成長(zhǎng)度不變，其它部分依次按照要求設(shè)計(jì)，這樣門(mén)架液壓系統(tǒng)的Top-Down設(shè)計(jì)過(guò)程就完成了。

圖8 門(mén)架液壓軟管的參數(shù)化控制

3.3 貨叉架和擋貨架的Top-Down設(shè)計(jì)

貨叉架又名滑架，它的作用是安裝貨叉或其它工作屬具，并帶動(dòng)貨物一起升降。貨叉架屬于獨(dú)立設(shè)計(jì)元件，可以在其它系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體的貨叉架骨架設(shè)計(jì)流程如下：新建骨架→定義重要的基準(zhǔn)(如貨叉架安裝橫向面、寬度控制點(diǎn)貨叉架和擋貨架安裝坐標(biāo)系等等)→左右導(dǎo)向板→設(shè)計(jì)上下橫梁→設(shè)計(jì)左右立板→設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋→發(fā)布相關(guān)幾何(貨叉架閥塊安裝搭子的面組以及外框面組)到門(mén)架液壓系統(tǒng)。

擋貨架同樣屬于獨(dú)立設(shè)計(jì)元件，它的骨架設(shè)計(jì)流程如下：新建骨架→定義重要的基準(zhǔn)(如擋貨架安裝坐標(biāo)系、內(nèi)開(kāi)檔尺寸、安裝孔位、外形尺寸控制)→左右角鋼→上下橫梁→中間板。貨叉架和擋貨架Top-down設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

圖9 貨叉架和擋貨架Top-Down設(shè)計(jì)流程

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)Top-Down設(shè)計(jì)方法和思想在叉車(chē)門(mén)架系統(tǒng)中的應(yīng)用，建立了清晰的設(shè)計(jì)流程，更有效的協(xié)調(diào)各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間的設(shè)計(jì)，提升了各系統(tǒng)設(shè)計(jì)師之間的交流，這種基于Creo上的自頂向下設(shè)計(jì)方法也真正達(dá)到了全三維的參數(shù)化設(shè)計(jì)。同時(shí)Top-Down設(shè)計(jì)增強(qiáng)了整體與局部的全局觀，對(duì)整體設(shè)計(jì)參數(shù)的修改和控制也變的更加容易，系統(tǒng)骨架的建立也讓相似部件的設(shè)計(jì)變的更加迅速和快捷。

綜上所述，門(mén)架系統(tǒng)的Top-Down設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的全參數(shù)化控制，提升了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和成功率，大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期。Top-Down的設(shè)計(jì)思想和方法也值得在企業(yè)中得到推廣和應(yīng)用。

[1] 劉計(jì)娟.基于Top-Down設(shè)計(jì)的裝配模型建模方法研究[D].常州:河海大學(xué)，2007.

[2] 陳 杰.模塊化Top-Down協(xié)同設(shè)計(jì)在裝載機(jī)中的應(yīng)用[J].工程機(jī)械，2013(10)：01-06.

Research on Design of Top-Down Forklift Door Frame System

LI He-wei1, GUO Fen-fen2, XIA Bi1

(1.GuangxiUniversityofScienceandTechnology,LiuzhouGuangxi545006，China；2.GuangxiLiugongMachineryCo.,Ltd，LiuzhouGuangxi545006,China)

The Top-Down design theory, characteristics and design process are elaborated, the related concepts that involved in the design process is defined. Combining forklift mast system instances, a door frame, door frame hydraulic, fork frame and backrest frame Top-Down design flow are established, a brief description of the interface issues between the relevant module is introduced ,the parametric control process of mast hydraulic systems hoses are also introduced. Practice has proved that Top-Down design method can greatly improve the design efficiency and speed of the product.

Top-Down; door frame; Creo; skeleton

2013-12-17

李何偉(1987-)，男，安徽宣城人，在讀碩士，研究方向：制造業(yè)信息化。

TD402

A

1007-4414(2014)01-0067-04