基于PRO/E运动骨架翻桶机构自顶向下设计

李军 宋永忠 郭晋斌

LI Jun et al

长治清华机械厂 山西长治 046012

1 前言

后装压缩式垃圾车是一种集装、卸、运于一体的全封闭压缩式垃圾车，主要用于收集城市生活软垃圾，并实现工作过程无二次污染。下面介绍运用运动骨架自顶向下的方法对后装压缩式垃圾车翻桶机构进行设计。

2 基于Pro/E“运动骨架”自顶向下的设计方法

Top-down(自顶向下)设计是一种设计思想，其含义是先确定总体思路、总体布局，然后设计子组件和零件，是一个自上而下、逐步细化的设计过程。Top-down设计符合大部分产品设计的实际设计流程，符合设计人员的设计思维与习惯。

PTC公司在Pro/Engineer Wildfire 3.0中提供了两种类型骨架，即标准骨架和运动骨架。标准骨架应用于静态结构的自顶向下设计，而运动骨架则应用于运动机构的自顶向下设计。应用运动骨架技术进行机构设计的原理是根据待设计机构的简图，将其定义为软件中的“骨架”模型(机构简图中的构件尺寸可不完全确定，动态调整)，并在骨架设计阶段定义各个构件间的“连接”方式，使之成为“运动骨架”。在进行机构的具体结构设计之前，能够进行整个机构的运动仿真，从而分析机构的功能、机构在运动过程中经过的位置等。待“运动骨架”经过动态验证后即可进行各个构件的详细结构设计，最终完成整个机构的设计。只要改变骨架中的运动位置关系，整个组件也将随之改变。

3 翻桶机构原理分析及关键尺寸确定

后装压缩式垃圾车翻桶机构是在垃圾车尾部装填口处加装的一种自动提升和翻转标准垃圾桶的机构，为司机独立完成垃圾的收运工作提供便利，翻桶机构结构如图1所示。

3.1 翻桶机构组成及原理分析

翻桶机构主要是由基座、翻料臂、翻桶架、拉杆、凸轮式压桶装置和油缸等几部分组成。其工作原理为基座、翻料臂、翻桶架和拉杆四部分组成一个双摇杆机构，在油缸的推动下，实现垃圾桶提升翻转及垃圾的倾倒。压桶装置铰接在翻桶架上，翻料臂、凸轮与转轴用螺栓连接，翻料架与转轴相对转动，在翻桶架转动过程中使凸轮推动压桶装置反方向转动，实现垃圾桶夹紧。

3.2 翻桶架起始、终了位置选定

根据垃圾桶的高度尺寸确定翻桶架的起始位置，标准240 L垃圾桶的高度为995 mm，在空载和满载状态下，装料器口部相差约70 mm，此时需要翻料架与垃圾桶之间有足够的倾斜角度，才能确保垃圾桶在任何装载状态下都能够顺利挂接提升。若要保证垃圾倾倒干净无外漏，则要求垃圾桶处于装料器口部的正上方，且垃圾桶与地面的角度不小于45°，从而可确定翻桶架的终了位置。

3.3 四连杆机构关键尺寸选定

按翻桶架的起始、终了位置连接翻桶架旋转中心B1、 B2及拉杆中心C1、 C2， 并分别作出垂直平分线nb、 nc； 在nb上任选一点为固定铰链A，在nc上 任选一点为固定铰链D，则AB1C1D即为机构在初始位置的简图，翻桶机构关键尺寸确定示意如图2所示。

3.4 油缸定位尺寸及工作行程确定

综合考虑结构设计因素，在构件AB1上选定一点为油缸一端的铰链点E1，根据翻桶机构的初始位置(油缸与翻料臂铰链E1)和终了位置(油缸与翻料臂铰链E2)，计算出液压油缸行程，再根据液压油缸的可制造性确定液压缸的初始安装距，分别以E1、 E2为圆心，以初始安装距及初始安装距与油缸行程之和为半径分别画圆，则交点F即为油缸的另一铰链点。

4 翻桶机构的自顶向下设计

4.1 翻桶机构运动骨架创建

整个机构设计模型树反映了机构设计思路与设计信息的传递与反馈，机构设计模型树如图3所示。首先建立翻桶机构组件(*.asm)且为空，即无任何实体构件；再建立翻桶机构的运动骨架子组件(*.asm)，根据方案草图初选的关键参数创建翻桶机构的设计骨架，骨架模型是由基准点、基准轴、基准面、曲线与曲面组成，如图4所示。然后将设计骨架所包含的机构信息传递至主体骨架，AD为基座主体、ABE1为翻料臂主体、B1C1为翻桶架主体、DC1为拉杆主体，并定义各个相连主体间的连接方式：其中A、D、B1、 C1、 E1、F均为铰链连接；油缸活塞杆与缸筒为滑动杆连接。这样即可进行模拟机构的运动情况，并可作动态的编辑修改。

4.2 设计信息的传递

设计信息的传递是自顶向下设计的关键，骨架的信息传递是映射几何特征，它是通过发布几何和复制几何实现的，只有将设计数据贯彻到各个零部件中才可以完成设计自上而下的控制以及多任务的分配。以复制过来的点、曲面和表面作为参照，从而保证建立的零件特征符合已知的约束条件。复制几何只能在装配模式中创建。

4.3 零件的三维设计与装配

在装配模式下创建翻料臂零件，通过复制翻料臂ABE1主体骨架设计信息作为参考基准，在此基础上添加新的几何特征，即可完成翻料臂的三维模型设计。翻料臂三维模型如图5所示。

参照其余主体骨架完成各个零件的三维实体结构设计后，参照主体骨架间的连接方式即可完成翻桶机构的装配设计。翻桶机构的三维模型如图6所示。

4.4 翻桶机构运动仿真分析

在仿真模拟分析时，加载模拟载荷质量，启用重力，并正确定义重力方向，仿真模拟运动定义图如图7所示，可求解出油缸在举升过程中油缸的载荷曲线和翻桶架的加速度曲线，油缸的载荷曲线如图8所示，翻桶架的加速度曲线如图9所示[1]。通过油缸的载荷曲线分析可知，整个翻料过程所需最大推力为40 000 N，在系统压力为16 Mpa情况下，选择50缸即可满足要求，翻桶架的加速度曲线为凸轮机构的精益设计提供了理论依据，也反映出这套机构的合理性，机构的慢提快翻既有利于垃圾桶的有效挂接和垃圾的倾倒干净，同时在下落过程中凸轮压紧装置松开垃圾桶后又不会出现丢桶现象。该机构在可靠性试验时得到了充分验证，完全能够满足使用要求。

5 结语

在运动机构产品设计时，应用运动骨架自顶向下的设计方法优点十分显著。由于整个设计过程是从顶层开始的，设计从开始就控制着机构的整体设计目标和性能状况，在方案设计之初就可进行机构的运动分析，不断调整结构参数，实现设计优化，随着设计层次的逐渐下行，顶层的参数逐步得到验证，结构不断细化，并通过分析结果调整骨架模型，快速完成设计结构的更改，从而保证了设计结构的合理性，大大缩短了产品的设计周期。

引用

[1] 高秀华,李炎亮,邓洪超等.机械三维动态设计仿真技术[M].北京:化学工业出版社,2003.