自上而下的叉车整机三维建模方法研究.docx

本文根据合力系列模块化叉车产品的实际三维模型设计过程，提出采用“自上而下”的方法进行叉车整机三维模型的设计，研究了叉车整机三维设计过程的经验和注意事项，并举例说明在叉车设计中如何贯彻“自上 而下”的三维建模方法，对提高叉车设计工作的效率和质量都具有一定的意义。“自上而下”的叉车整机三维建模方法研究安徽合力股份有限公司研发部 姜文东 孙维乙一、引言随着叉式装卸车（简称叉车）在工业、交通等领域的使用更加广泛，用户对于叉车技术进步和更新换代的要求日 益紧迫，各叉车制造商改进和新研发的叉车产品周期逐渐缩 短，采用三维软件进行产品建模设计已经成为各制造商研发 部门设计工作的主流。在应用三维设计软件的实践过程中， 人们发现选择不同的设计方法进行建模时，设计的效率、准 确性和模型的可调整性有着很大的差异，因此，需要找出一 系列更为有效的建模方法提高叉车整机三维建模的水平，这 对于缩短叉车研制周期，提高生产企业的市场竞争力都有着 重要的意义。十二五期间，整个叉车产业将面临着需求数量高速增 长和技术水平快速发展的双重机遇和挑战，要求叉车的研发 工作更加准确和快速。二、“自上而下”的设计方法关于机械产品的设计顺序，无论是传统的还是现代的机械设计都包括两种设计方法：自上而下（up to down）和 自下而上（down to up）。按照叉车整机的组成原理和功能 特点，可以把叉车的各个分系统和子系统作为单独的模块或 模块的集合进行设计，所以更适合采用“自上而下”的方法 进行整机设计。这种“自上而下”的设计方法就是从整机、 分系统、子系统等不同的父子模块按顺序入手，按照实际装 配的工艺过程，综合考虑各个模块之间的约束因素，最后逐 层将详细设计动作分解到每个零件的设计方法。三、三维建模设计SolidWorks是一种基于特征参数化的机械设计软件，它具有良好交互效果的图形用户界面，具有简单易学、快速 方便的特点。在设计过程中，可以运用特征、尺寸及约束功 能，进行准确建模；也可以根据各零件间的相互装配关系， 快速实现零部件的装配，完成总体设计任务，适用于“自上 而下”的叉车整机三维建模设计工作。1.基准的统一所谓基准的统一就是在叉车整机的三维建模过程中， 尽量将设计基准和工艺基准进行统一，即建立一个基准的立 体坐标系，其原点为驱动桥中心水平面、驱动桥中心垂直面 和车体中心垂直面的交点。必要时，可以同时建立一个辅助 的基准立体坐标系，其原点为转向桥中心水平面、转向桥中 心垂直面和车体中心垂直面的交点。将基准进行统一具有以下几点好处：有利于随时调 整整车设计技术参数；有利于后期生产模具的开发和整车 装配的工艺性检查；主要模块建立在设计基准之上有利于 模块自身设计依据的确定，并为干涉等设计问题的检查创造 条件。2.模块设计任务划分根据叉车整机的构成和功能特点，可以将叉车三维设 计任务按照如图1所示进行分解。总的分解原则是：各模 块可以相对单独地进行开发；各模块的子模块之间存在较 大的相关性；设计任务和设计节点的时间平衡；有利于61CAD/CAM与制造业信息化2012年第12期图1 叉车三维设计任务的划分D数字化设计igital Design设计冲突的消解，即容易出现冲突的两模块尽量由一个设计主体建模。车架的设计遵循“自上而下”的设计方法，在建模过程中，首先明确车体中心垂直面、前桥中心水平面和前桥中 心垂直面，形成一个基准的立体直角坐标系；然后进行前桥 支座的设计，该零件在建模的时候以基准坐标系作为设计的 依据；然后进行左右箱体总成的建模和尾架的建模，保证前 桥和后桥之间的水平距离（即整车轴距）；进行倾斜缸支座 的建模，保证起重系统的位置尺寸；进行发动机支脚的设 计，同时注意进排气的位置；进行前板的设计，保证转向系 统等模块的位置；在尾架设计的过程中，同步考虑平衡重的 建模设计；最后，设计其他固定板和卡子等。2.平衡重设计遵循“自上而下”设计方法的平衡重设计，与车架的 设计需要同步的进行，如图3所示，首先在明确后桥水平 面、后桥垂直面和车体中心面的设计基准以后，确定平衡重 的质量、质心位置、后悬距、牵引销高度和平衡重高度等技 术参数；然后，确定平衡重与尾架联接的“V字形”悬挂尺 寸；明确通风口的位置和尺寸（仅内燃叉车）；明确起吊孔 和外轮廓；最后进行细节方面的设计，保证相关覆盖件、水 箱和高排气等地位置和空间尺寸。在设计平衡重的时候，需 要高超的三维建模水平，因为保证平衡重的美观和铸造工艺 性对于整体叉车的质量非常重要。在如图1所示的叉车三维设计任务划分中，设计主体可以是个人，也可以是由某个人领导的技术团队；分系统的设 计主要由外协单位设计主体负责，子系统的设计主要由叉车 制造商自身的研发团队负责；零部件的提供者可以是本单位 生产车间，也可以是外协零部件生产单位或零部件供应商； 上一层次设计主体在设计过程中向下一层次设计主体布置任 务，同时也负责下层设计主体之间的协调关系和咨询分析等 工作。3.设计步骤根据“自上而下”的设计方法，确定设计任务以后， 根据所建立的统一设计基准，便可以开始叉车整机三维模型 的建立，步骤如下。（1）总体设计主体包括确定整车的基本性能参数和主要 尺寸，如车高、车宽、车长、门架高、轴距、轮距、前悬距、 后悬距、最小转弯半径、最小直角通道宽度和车体重心等。（2）根据统一的设计基准，确定各分、子系统模块与 整机的联接方式，及其位置尺寸、空间最大形状和尺寸。（3）进行部件详细设计的过程中，各个设计主体先确 定各分子模块之间的关联尺寸、维修空间等，再进行各零部 件的最详细设计。（4）部件的设计可以由该部件最主要零件的设计开 始，采用“堆积木”的形式完成。该主要零件应具备可完成 该部件与其他模块之间尺寸关联的任务功能。（5）某单个零件如果难以一次性设计时，可以将其先 作为部件来设计并装配，最后在软件中转化成零件的形式。四、设计过程1.车架设计车架是一部叉车的主体，叉车几乎所有的系统都要安 装在车架的相应位置上，车架的建模决定了整体叉车的基 本尺寸和构成形式，如图2所示为某型叉车车架建模实景（部分）。62图3 某型叉车平衡重建模实景图2 某型叉车车架建模实景（部分）本文索引号：117栏目主持：黎艳 投稿信箱：3.排气系统设计在设计内燃叉车排气系统子模块的时候，如图4所示， 首先确定发动机排气口（排气系统进气口）的位置和尺寸， 然后确定消声器筒体的安装位置和尺寸。由于排气系统进气 口与消声器进气口之间的管路受到安装空间、走向、最小曲 率半径等因素的影响，很难一次性设计成功，于是可以把这 段管路看成一个部件，分别设计出组成该管路的几段管道， 再装配在一起，转化为零件的形式，完成管路的设计。4.整车三维装配模型的建立由于车架是叉车的主体，所以实际的叉车整车装配过 程就是把叉车的各个分、子系统装配在车架之上，最终形成 成品叉车的过程。所以，在叉车整车三维装配模型建立的过 程中，应该按照整车实际装配的顺序和要求，将各个分、子 系统的三维模型装配到车架三维模型之上。如图5所示，由 于车架三维模型是根据前桥中心A和后桥中心B这两个基准， 按照“自上而下”的方法建立的，所以在三维装配的过程中 也必须以前桥中心A和后桥中心B为基准进行三维装配。这样 就可以避免由于车架模型的修改而造成整车模型装配错误的 可能性，为后期整车各分、子模型的修改打下良好的基础， 增加了模型的可修改性，提高了整车三维设计的效率。五、结论本文根据“自上而下”的设计方法，采用三维设计软件进行叉车整机及其零部件模型的建立，将“自上而下”的 理念始终贯彻于设计过程之中，并灵活加以应用。