木材轉(zhuǎn)運設(shè)備虛擬設(shè)計與運動仿真

王躍 董希斌

摘 要：為實現(xiàn)中國通商口岸木材的自動化搬運，本文設(shè)計一款專用于木材轉(zhuǎn)運的機械設(shè)備。采用Creo5.0中的Parametric模塊對木材轉(zhuǎn)運設(shè)備的各個機構(gòu)和零件進(jìn)行三維建模，主要包括龍門架主體框架結(jié)構(gòu)、夾持機構(gòu)和運載火車底盤（軌距為1 435 mm和1 520 mm）。根據(jù)運動方式的不同，采用不同的連接方式對各個機構(gòu)進(jìn)行裝配，在夾持機構(gòu)夾片末端內(nèi)側(cè)添加一個觀測點，并對裝配模型進(jìn)行運動仿真分析。仿真結(jié)果表明，木材轉(zhuǎn)運設(shè)備的各個機構(gòu)能夠協(xié)調(diào)工作，解決了各個零件之間的裝配方式與運動合理性問題;對木材轉(zhuǎn)運設(shè)備的三維模型進(jìn)行優(yōu)化，以提高木材轉(zhuǎn)運的效率，使設(shè)計方案更加完善，為木材轉(zhuǎn)運設(shè)備的后續(xù)研究與優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：木材轉(zhuǎn)運;龍門架;夾持機構(gòu);虛擬設(shè)計;運動仿真

中圖分類號：S776.3 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? 文章編號：1006-8023（2021）01-0059-07

Abstract：In order to realize the automatic transportation of wood at Chinas trade ports， this paper designs a special mechanical equipment for timber transfer. The parametric module of Creo5.0 is used to model the various mechanisms and parts of the timber transfer equipment， including the main frame structure of the gantry frame， clamping mechanism and the chassis of the carrier train （the gauge is 1 435 mm and 1 520 mm）. According to the different motion modes， different connection modes are used to assemble each mechanism. An observation point is added to the inner side of the clamp end of the clamping mechanism， and the dynamic simulation analysis of the assembly model is carried out. The simulation results show that the various mechanisms of the designed timber transfer equipment can coordinate work， and solve the problems of assembly mode and motion rationality between the various parts; optimize the three-dimensional model of the timber transfer equipment， in order to improve the efficiency of timber transfer， make the design scheme more perfect， and lay a foundation for the follow-up research and optimization of timber transfer equipment.

Keywords：Timber transfer; gantry; clamping mechanism; virtual design; motion simulation

0 引言

隨著經(jīng)濟的不斷增長，我國已經(jīng)成為世界最大的木材制品生產(chǎn)國與貿(mào)易國。國內(nèi)對木材的需要與日俱增，且我國已于2017年全面禁止天然林商業(yè)性采伐[1]。因此，近年來我國的木材以進(jìn)口為主，其主要來源國之一為俄羅斯。木材的運輸方式一般采用鐵路運輸，鐵路軌距為1 520 mm[2]，而中國的貨運鐵路軌距為1 435 mm。由于軌距的不同，目前木材轉(zhuǎn)運的方式主要為人工搬運，存在效率低、成本高和安全性差等問題，并會對木材造成損傷[3-7]?；谝陨媳尘?，本文設(shè)計一款專用于木材轉(zhuǎn)運的機械設(shè)備，可有效解決上述問題，提高木材的使用效率。

1 木材轉(zhuǎn)運設(shè)備的整體方案設(shè)計

轉(zhuǎn)運設(shè)備性能的優(yōu)劣直接影響木材的轉(zhuǎn)運效率、轉(zhuǎn)運成本及轉(zhuǎn)運的質(zhì)量。木材轉(zhuǎn)運設(shè)備需具備以下幾項關(guān)鍵技術(shù)：①嚴(yán)格的安全性，保證施工作業(yè)人員的安全;②高效作業(yè)的能力，實現(xiàn)對木材的快速轉(zhuǎn)運;③較高的精度，減小木材轉(zhuǎn)運過程中對木材的損傷;④較強的適應(yīng)性與移動性，保證木材轉(zhuǎn)運設(shè)備能夠沿著軌道自由移動并能夠夾持不同長度的木材;⑤操作簡單，能夠使操作人員快速掌握操作流程;⑥較高的經(jīng)濟性，使初期設(shè)備制造、日常維護(hù)及維修成本較低。

根據(jù)上述6點原則性的要求，通過Creo Parametric（參數(shù)化建模軟件）對木材轉(zhuǎn)運設(shè)備進(jìn)行設(shè)計，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。木材轉(zhuǎn)運設(shè)備由龍門架結(jié)構(gòu)、夾持機構(gòu)、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、變速系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等部分組成。

（1）龍門架結(jié)構(gòu)：龍門架是構(gòu)成木材轉(zhuǎn)運設(shè)備的主要承重構(gòu)件，在設(shè)計過程中要保證有足夠的穩(wěn)定性和剛度，以達(dá)到支撐整個設(shè)備的各個構(gòu)件及被夾持木材的目的[8-10]，從而保證作業(yè)人員的生命安全。龍門架結(jié)構(gòu)采用倒V型單梁式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠在安全工作的前提下，盡可能地減小自重;龍門架的凈高度控制在火車車廂滿載時上方3 m的位置，保證木材轉(zhuǎn)運設(shè)備可以靈活移動，不受車廂與木材的限制;龍門架結(jié)構(gòu)下方設(shè)置鋼輪，確保龍門架結(jié)構(gòu)能夠靈活地沿著軌道移動，提高龍門架移動的靈活性。

（2）夾持機構(gòu)由液壓伸縮臂、液壓桿、夾持夾片、夾持夾片軸、軸承、錨固桿與錨固螺絲等部分組成，設(shè)計時，在保證實際承載能力的前提下，要盡量輕量化，減少自重[11-13]。夾持機構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)機械抓手結(jié)構(gòu)，在實現(xiàn)夾持機構(gòu)輕量化的同時，能夠夾持不同直徑的木材，從而提高木材轉(zhuǎn)運設(shè)備的效率，為木材轉(zhuǎn)運提供穩(wěn)定與安全的保證。

（3）動力系統(tǒng)與制動系統(tǒng)為龍門架行走提供穩(wěn)定的動力與制動力。傳動系統(tǒng)與變速系統(tǒng)為夾持機構(gòu)移動傳遞動力。液壓系統(tǒng)為夾持機構(gòu)夾片收緊與放開時提供穩(wěn)定的動力，液壓伸縮桿一側(cè)固定在伸縮臂底部錨固螺栓上，另一側(cè)固定在夾片的錨固螺栓上，通過液壓伸縮桿的伸縮移動來控制夾片的收緊與放開。因為液壓伸縮桿的伸縮能夠被精確地控制，夾持木材的過程中能夠?qū)δ静倪M(jìn)行精準(zhǔn)夾持，減少對木材的損傷。

轉(zhuǎn)運設(shè)備工作時，通過手持控制器將龍門架移至木材夾持位置，操縱液壓伸縮臂下降至合適位置，收緊夾片夾起木材，操縱伸縮臂上升，然后通過手持控制器使絲杠的伺服電動機轉(zhuǎn)動，從而帶動整個夾持機構(gòu)沿著轉(zhuǎn)運火車車廂方向移動，待夾持機構(gòu)到達(dá)轉(zhuǎn)運位置時，控制伸縮臂精準(zhǔn)下降至轉(zhuǎn)運火車車廂平面或其他堆積的木材上方，放開夾持機構(gòu)的夾片。最后夾持機構(gòu)恢復(fù)到初始位置，至此一次轉(zhuǎn)運循環(huán)結(jié)束。在連續(xù)工作狀態(tài)下，能夠?qū)崿F(xiàn)木材轉(zhuǎn)運的連續(xù)性，提高木材轉(zhuǎn)運的效率，替代人工的高強度作業(yè)，同時降低人工轉(zhuǎn)運木材時可能產(chǎn)生的危險。

2 夾持機構(gòu)的三維建模與工作原理

夾持機構(gòu)是實現(xiàn)木材轉(zhuǎn)運的核心機構(gòu)，貫穿于木材轉(zhuǎn)運的全過程[14]，因此本節(jié)將重點對夾持機構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。夾持機構(gòu)承擔(dān)著夾取與釋放木材兩項任務(wù)，需要各個組成構(gòu)件之間的共同配合來完成夾取木材與釋放木材的動作，主要協(xié)同的構(gòu)件有液壓伸縮臂、錨固螺絲、錨固桿、夾片和液壓桿。夾持機構(gòu)的主要組成零件如圖2所示。夾持機構(gòu)的主要參數(shù)見表1。

夾持機構(gòu)夾取與釋放木材動作的實現(xiàn)是通過液壓桿驅(qū)動夾片繞軸轉(zhuǎn)動來完成張合動作的。通過控制液壓桿的伸縮狀態(tài)，最終實現(xiàn)夾持機構(gòu)的夾片收縮與放開，實現(xiàn)對木材的夾取與釋放，從而達(dá)到設(shè)計目的。夾持機構(gòu)在設(shè)計時，液壓伸縮桿的伸縮范圍要滿足夾片的轉(zhuǎn)動范圍，當(dāng)液壓伸縮桿收縮帶動夾片放開到最大時，夾片末端之間的距離必須大于木材的直徑，確保夾持機構(gòu)的液壓伸縮臂下落到合適位置時，夾片能夠?qū)⒛静陌⒛軌驅(qū)⒛静捻樌麏A起。當(dāng)液壓伸縮桿伸長帶動夾片收緊到最小時，兩個夾片末端內(nèi)測的切向夾角不宜過大，否則會產(chǎn)生過多的動作，影響木材轉(zhuǎn)運設(shè)備的轉(zhuǎn)運效率。液壓伸縮桿伸縮過程中不能與其他零件產(chǎn)生干涉，確保夾持機構(gòu)順暢地運行。

夾持機構(gòu)的工作過程如下：①木材轉(zhuǎn)運設(shè)備停穩(wěn)后，通過操縱夾持機構(gòu)的液壓伸縮臂使其下降至合適位置;②通過控制器操縱夾持機構(gòu)的液壓伸縮桿使其伸長，帶動夾片轉(zhuǎn)動直至夾片內(nèi)側(cè)與原木剛剛接觸;③通過操縱夾持機構(gòu)的液壓伸縮臂使其上升至合適位置;④通過控制器操縱龍門架絲杠轉(zhuǎn)動，從而帶動夾持機構(gòu)沿著轉(zhuǎn)運火車方向移動到合適位置;⑤通過操縱夾持機構(gòu)的液壓伸縮臂，使其下降至木材剛好觸碰到轉(zhuǎn)運火車車廂平面或觸碰到其他已經(jīng)堆積的木材⑥通過控制器操縱夾持機構(gòu)的液壓伸縮桿收縮，從而帶動夾片向外側(cè)展開直至木材能夠平穩(wěn)地離開，并放置在火車上。

完成上述過程后，夾持機構(gòu)恢復(fù)到初始位置，然后不間斷再次進(jìn)行木材轉(zhuǎn)運操作，實現(xiàn)木材轉(zhuǎn)運的連續(xù)性，提高了木材轉(zhuǎn)運的效率。在木材轉(zhuǎn)運期間，通過操縱控制器來控制木材轉(zhuǎn)運設(shè)備的移動與夾持木材的動作，無需人工輔助操作，大大地增加了木材轉(zhuǎn)運的安全性。

3 木材轉(zhuǎn)運設(shè)備的虛擬設(shè)計及運動仿真

3.1 虛擬裝配

使用Creo Parametric對木材轉(zhuǎn)運設(shè)備的各個零件進(jìn)行建模設(shè)計，各個零件設(shè)計完成后，對各個零件進(jìn)行裝配。Creo Parametric裝配時提供許多配對方式，例如剛性連接、銷連接和滑塊連接等，根據(jù)各個零件的需要選擇合適的配對方式，消除零件之間的干涉，完成對三維模型各個零件的裝配[15-18]。

利用Creo Parametric中的機構(gòu)功能，根據(jù)三維模型的實際運動動作，將三維模型的各個零件采用不同的連接方式進(jìn)行裝配，并賦予相對應(yīng)的運動方式，將這些零件組成一個運動仿真模型，同時對各個零件添加材料屬性。整個機構(gòu)設(shè)置有4個銷連接，4個滑塊連接， 1個絲杠連接（絲杠與滑臺的連接）。對各個連接添加運動驅(qū)動，共設(shè)置12個伺服電動機，同時添加木材與夾片的3D接觸，并給仿真環(huán)境添加重力，方向為-Y方向。保證三維模型在后續(xù)的仿真過程中與真實情況保持一致。

添加伺服電動機的參數(shù)，根據(jù)木材轉(zhuǎn)運設(shè)備的運動過程，定義伺服電動機的開始時間與終止時間，控制各個零件或裝配體的運動過程，木材轉(zhuǎn)運設(shè)備工作過程中各個伺服電動機的工作時間見表2。

3.2 運動仿真

在建立木材轉(zhuǎn)運設(shè)備的運動仿真模型后，進(jìn)行運動的仿真與分析。設(shè)置仿真開始時間為0 s，結(jié)束時間為109.2 s，共計時長109.2 s，幀數(shù)為10，幀數(shù)和仿真時長的設(shè)置具有一定的比例關(guān)系，用來控制仿真動畫的流暢度。設(shè)置初始條件為初始位置時拍攝的快照，然后進(jìn)行仿真與解算。點擊“測量”按鈕可以對模型選擇觀測點或觀測軸，對模型進(jìn)行觀測，并繪制曲線。木材轉(zhuǎn)運設(shè)備的工作狀態(tài)按照時間順序分為初始狀態(tài)、夾持木材狀態(tài)、夾持機構(gòu)橫向運動狀態(tài)、夾持機構(gòu)放下木材狀態(tài)、最終回到初始狀態(tài)，各個狀態(tài)時的仿真狀態(tài)如圖3所示。

3.3 仿真結(jié)果與討論

根據(jù)伺服電動機與液壓缸的工作速度與各個機構(gòu)間的位置關(guān)系，確定運動仿真過程總計用時109.2 s，夾持機構(gòu)夾片的位移、速度和加速度曲線如圖4所示。

圖4（a）反映了木材轉(zhuǎn)運設(shè)備在X軸方向上沒有任何運動，這與實際情況是一致的。圖4（b）反映了Y軸的位置曲線、速度曲線和加速度曲線。圖4（c）反映了Z軸的位置曲線、速度曲線和加速度曲線。由圖4可以看出，夾持機構(gòu)在9.2 s時到達(dá)木材的抓取位置，在9.2～14.3 s夾持機構(gòu)夾持木材，在14.3～23.5 s夾持機構(gòu)帶動木材上升至合適位置，在23.5～45.8 s夾持機構(gòu)沿著轉(zhuǎn)運木材火車的方向橫向運動，在45.8～63.8 s夾持機構(gòu)下降至合適位置處，在63.8～68.9 s夾持機構(gòu)放下木材，在68.9～86.9 s夾持機構(gòu)上升至初始高度，在86.9～109.2 s夾持機構(gòu)返回到初始位置處。至此，夾持機構(gòu)轉(zhuǎn)運木材的一個完整的運動仿真過程結(jié)束。

本論文基于虛擬樣機技術(shù)研究木材轉(zhuǎn)運設(shè)備，充分發(fā)揮虛擬樣機的優(yōu)勢，節(jié)省了傳統(tǒng)理論模式下大量物理樣機測試與反復(fù)設(shè)計改進(jìn)所需要的時間，不僅提高了研發(fā)效率，而且顯著縮短了研發(fā)周期。通過運動仿真的過程可以看出，相對于人工轉(zhuǎn)運（人工轉(zhuǎn)運通常情況下需要400～600 s的時間），本文所設(shè)計的木材轉(zhuǎn)運設(shè)備可以極大地提高木材轉(zhuǎn)運效率，有效地改變傳統(tǒng)人工木材轉(zhuǎn)運過程中存在的效率低、成本高和安全性差等缺陷。

4 結(jié)束語

通過Creo Parametric建立了木材轉(zhuǎn)運設(shè)備的三維模型，并通過其中的機構(gòu)模塊對模型進(jìn)行了運動仿真分析，有效地解決了各裝配零件之間的裝配類型、驅(qū)動的添加及仿真合理性的問題。通過仿真分析，木材轉(zhuǎn)運設(shè)備進(jìn)行一個全過程周期總計用時109.2 s，并可進(jìn)行連續(xù)不間斷操作。

本論文所設(shè)計的木材轉(zhuǎn)運設(shè)備，充分體現(xiàn)了現(xiàn)在木材轉(zhuǎn)運的發(fā)展趨勢與要求，不僅改變了國外輸入我國木材的轉(zhuǎn)運方式，而且對整個木材轉(zhuǎn)運行業(yè)發(fā)展具有一定的促進(jìn)作用，有效地替代了人工，縮減了勞動力，提高了木材轉(zhuǎn)運的效率，降低了由于人工搬運木材而產(chǎn)生的危險性。

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