基于CATIA的手動搬運車三維建模及裝配仿真

陳珊

（武漢理工大學汽車工程學院，湖北武漢 430070）

0 引言

信息技術(shù)快速的發(fā)展使得計算機技術(shù)，尤其是計算機輔助設(shè)計軟件在機械行業(yè)中的應(yīng)用迅速廣泛，這也使得工程師開發(fā)產(chǎn)品從傳統(tǒng)的手工制圖向CAD建模方向發(fā)展。筆者將利用三維設(shè)計軟件CATIA進行手動搬運車的三維設(shè)計、裝配以及仿真。

通過CATIA的零部件設(shè)計、裝配設(shè)計、DMU模塊，工程師可以建立三維零部件庫，進行產(chǎn)品的機構(gòu)運動與裝配仿真分析，有效地對產(chǎn)品進行早期分析，從而加快裝配件的設(shè)計進度，減少實際加工中的干涉問題，提高設(shè)計質(zhì)量。

1 手動搬運車介紹

手動搬運車具有小體積液壓裝置，操作簡單，使用方便等優(yōu)點。搬運車主要由舵柄、架體與機身、液壓起升系統(tǒng)、車輪及承載滾輪、連桿結(jié)構(gòu)以及其他零部件等五部分組成。舵柄設(shè)計符合人體工程學原理，具有三大功能:提升、搬運、放下。整體鑄造油缸，外形美觀，堅固耐用，優(yōu)質(zhì)鋼板打造，鍍鉻活塞桿，內(nèi)部溢流閥提供過載保護，有效避免超載使用，降低維修費用［1］。

手動搬運車 （如圖1中編號所示）的運動過程:當舵柄1沿2處的軸轉(zhuǎn)過一定角度，即可拉動整個小車移動;當需要裝載貨物，只需要搖動舵柄1沿軸2上下反復擺動，從而使得2處的液壓缸產(chǎn)生壓力，驅(qū)動3沿其尾端的輪軸向上移動;如卸下貨物只需要拉動1處的扳手，減少液壓即可降低高度［2］。

2 手動搬運車零部件設(shè)計

2.1 CATIA零部件設(shè)計

CATIA可以直接使用其草圖模塊繪制二維圖形。在草圖繪制平臺中，CATIA提供了豐富的繪圖工具，用戶使用這些工具可以繪制直線、中心線、圓、橢圓、圓弧等基本圖形。此外，CATIA還提供了各種編輯工具，可以對圖形進行復制、鏡像、移動、剪切和尺寸標注等操作。繪制二維圖形功能不是CATIA的核心功能，其最主要的功能是設(shè)計三維實體模型［3］。

在CATIA建立二維草圖的基礎(chǔ)上，通過CATIA里面的拉伸、開槽、旋轉(zhuǎn)等功能實現(xiàn)三維零部件的設(shè)計。

2.2 手動搬運車的主要零件設(shè)計

2.2.1 手動搬運車舵柄設(shè)計

2.2.2 手動搬運車彈簧設(shè)計

通過實際測量，測得彈簧的螺距為10 mm，彈簧高度為140 mm，直徑為50 mm。在【形狀】創(chuàng)成式外形設(shè)計中選擇螺旋線設(shè)計，設(shè)計適當?shù)钠鹗键c和中心線，最后返回零部件設(shè)計中，運用肋命令進行彈簧的三維設(shè)計，得到圖形如圖3所示。

2.2.3 手動搬運車車架設(shè)計

手動搬運車的車架主要通過機械設(shè)計中的零部件模塊進行設(shè)計完成，在該模塊中主要注意抽取殼體。得到圖形如圖4所示。

2.2.4 手動搬運車螺栓設(shè)計

根據(jù)手動搬運車實際尺寸，測得搬運車上所用螺栓的尺寸為M10。在CATIA中零部件建模中，建立螺栓的桿體，注意在【內(nèi)螺紋/外螺紋】命令對螺桿進行螺紋設(shè)計，得到螺栓零件圖如圖5所示。

2.2.5 手動搬運車液壓起升系統(tǒng)設(shè)計

在搬運車中，液壓缸的主要作用是通過手柄的拉動或轉(zhuǎn)動產(chǎn)生壓力，進而帶動搬運車架上下運動。由于內(nèi)壓缸內(nèi)部復雜，而且在CATIA內(nèi)部無法利用液壓模擬動態(tài)運動仿真，因此對液壓缸進行簡化畫法。根據(jù)實際尺寸測量，建立液壓缸模型。同時，在液壓缸邊需要建立支撐架，用于支撐搬運車上部分結(jié)構(gòu)，其中支撐架用于固定連接液壓缸和底座，增強剛度，得到液壓缸附件模型如圖6所示。

2.2.6 手動搬運車連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計

在搬運車運動過程中，需要大量的連桿結(jié)構(gòu)的配合，運動通過連接桿進行傳遞。通過圖1可以查看到，連桿機構(gòu)主要布置在搬運車的底部，桿件與桿件之間用孔和軸進行連接，如圖7所示。從圖7中可以看到，建立桿件時需要注意確定不同的平面，在不同的平面上建立模型進行連接。比如圖7的連桿機構(gòu)，首先通過命令拉伸中間的圓柱，然后在圓柱的一端建立桿件模型，通過命令進行鏡像對稱，進而保證建模的準確性。

2.2.7 手動搬運車車輪設(shè)計

2.2.8 手動搬運車其他零件設(shè)計

主要利用CATIA中的機械設(shè)計中的零部件設(shè)計模塊對其他零部件運用凸臺、旋轉(zhuǎn)、切割等命令進行建模，其所有零件如圖9所示 （對部分零件進行編號標注）。

3 手動搬運車裝配

3.1 CATIA裝配

部件裝配 （Assembly Design）是CATIA最基本的，也是最具優(yōu)勢和特色的功能模塊。包括創(chuàng)建裝配體、添加指定的部件或零件到裝配體、創(chuàng)建部件之間的裝配關(guān)系、移動和布置裝配成員、生產(chǎn)產(chǎn)品的爆炸圖、裝配干涉和間隙分析等主要功能［4］。

3.2 手動搬運車零部件的裝配

所有零部件如圖9所示，在進行裝配時也應(yīng)當注意一定的原則。在進行手動搬運車裝配時，應(yīng)當以底架2為基準進行裝配，底架下面的支撐桿件通過相合約束、接觸約束以及角度約束等等進行添加裝配。在裝配完底架部分后，對搬運車的手柄驅(qū)動部分進行裝配。對液壓缸部分5裝配到支架上去，然后依次將輪子6和手柄1等依次添加裝配。在添加相關(guān)零件約束之后，對已裝配零件進行更新，進而安排零部件布局，最終進行總體零件裝配的更新，得到手動搬運車的裝配圖，如圖10所示。

在裝配的時候需要注意不能過多約束。如圖10中所示，手動搬運車的連桿機構(gòu)通過軸與搬運車架相連接。在相合時，連桿結(jié)構(gòu)與車架相合后再運用命令就會出現(xiàn)報警錯誤，此時需要將單個零件隱藏后再進行相合約束。

4 手動搬運車的仿真

4.1 CATIA運動仿真

運動仿真是指通過構(gòu)建運動機構(gòu)模型，分析其運動規(guī)律，進行機構(gòu)的干涉分析，跟蹤零件的運動軌跡，分析機構(gòu)中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等，其分析結(jié)果可以修改零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計或調(diào)整零件材料。

DMU是CATIA中運動分析模塊，它完全集成于CATIA中，可直接調(diào)用建模參數(shù)進行優(yōu)化分析，可以進行較為簡單的運動機構(gòu)仿真分析。

在建立整車裝配模型后，即可建立運動仿真模型。在手動搬運車系統(tǒng)中，有很多運動需要分析，這里僅分析在液壓缸中液壓桿驅(qū)動搬運車上下移動所需要進行的運動分析，主要是在底架部分各個桿件之間運動時是否產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，是否與上面部分產(chǎn)生接觸碰撞，對產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象進行適當?shù)男：?。在開始運動模型建立前，首先對要組裝的機構(gòu)運動作細致的了解，弄清其運動方式、約束條件等［5］。

4.2 搬運車DMU運動仿真

4.2.1 搬運車DMU運動仿真步驟

在設(shè)計DMU仿真時應(yīng)當注意分析動力的驅(qū)動關(guān)系。比如手動搬運車動力源來自驅(qū)動手柄。當手柄1繞其軸轉(zhuǎn)動時，會對其液壓缸產(chǎn)生壓力，壓力推動液壓桿向上運動，進而帶動底架驅(qū)動底座，使得底座繞其前端軸線轉(zhuǎn)動，拉緊手柄的扳手時，釋放液壓，減小壓力，進而降低液壓缸中的液壓桿，實現(xiàn)降低高度。

搬運車仿真步驟:（1）定義運動機構(gòu)模型;（2）創(chuàng)建運動機構(gòu);（3）添加各種對應(yīng)的運動副;（4）添加固定零部件;（5）根據(jù)需要添加輔助模型;（6）運動仿真;（7）定義相應(yīng)的實體模型到對應(yīng)的骨架;（8）進行相關(guān)分析。

4.2.2 搬運車設(shè)置DMU運動仿真

按照上述的搬運車仿真步驟，對搬運車零件添加各種運動副，比如對于液壓缸的驅(qū)動可用圓柱結(jié)合進行，對于沿軸線轉(zhuǎn)動可用旋轉(zhuǎn)結(jié)合進行。由于CATIA中DMU模塊只能對剛體添加運動副和仿真，對于鏈條驅(qū)動不能實現(xiàn)其運動仿真，因此筆者對其進行適當?shù)男薷?，即去除手柄的運動驅(qū)動環(huán)節(jié)，僅用液壓缸的驅(qū)動帶動后面的運動關(guān)系，而將前面未參與運動仿真的零部件進行剛性連接處理，簡化仿真過程。對已定義完的運動副最后添加固定元件，然后進行仿真，檢查是否存在運動干涉。

比如在底部桿件 （如圖11所示）之間添加運動副也應(yīng)當注意驅(qū)動關(guān)系，因為其下面部分相當于四桿運動，對其添加運動副時應(yīng)當注意旋轉(zhuǎn)接觸命令的應(yīng)用，但不需要添加動力源，因為動力源在液壓缸處產(chǎn)生，否則會出現(xiàn)仿真報錯問題。最后，分析手動搬運車在仿真運動中的干涉問題，對出現(xiàn)干涉現(xiàn)象的零部件稍加修改，提高手動搬運車的設(shè)計質(zhì)量。

4.2.3 手動搬運車干涉問題分析

在DMU仿真中出現(xiàn)了液壓缸處以及底部連桿連接結(jié)構(gòu)等處干涉，分析其原因:

（1）在設(shè)計中，零部件的部分尺寸測量、設(shè)計不合理，造成連接處過長或過短，造成運動不協(xié)調(diào);

（2）在裝配中存在人為誤差，對某些零件約束過多，造成零件裝配不合理;

（3）在添加運動副時，添加方式不合理，造成在仿真中有些桿件不運動和有多余自由度，影響仿真效果。

5 結(jié)束語

通過在手動搬運車設(shè)計過程中，應(yīng)用CATIA軟件進行建模、虛擬裝配與運動仿真，完成了零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計和整套機構(gòu)的裝配，完善優(yōu)化了設(shè)計，避免了可能存在的干涉和碰撞，提高了可裝配性和可維護性。CATIA電子樣機解決方案能提供有效的方法保證所有零部件配合良好，解決工程實際問題，對問題進行分析和優(yōu)化，縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期。

【1】蘇恩一.輕小型搬運車現(xiàn)狀及其發(fā)展［J］.物流技術(shù)與應(yīng)用，2003（3）:25－27.

【2】高新翼，高揚，甄亞林.手動液壓搬運車［J］.科協(xié)論壇，2010（8）:26－27.

【3】胡海龍.CATIAV5零件設(shè)計實例教程［M］.北京:清華大學出版社，2007:14－20.

【4】金玲，鄧亞東.基于CATIA的清掃車駐車制動的裝配與仿真［J］.專用汽車，2009（3）:54 －55.

【5】魯君尚，張安鵬，馮登殿，等.無師自通CATIAV5之電子樣機［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2008:94－120.