叉車門架系統的Top-Down設計研究*

李何偉，郭芬芬,夏 筆

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

叉車門架系統的Top-Down設計研究*

李何偉1，郭芬芬2,夏 筆1

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

闡述了Top-Down設計的理論、特點和設計流程，對設計過程中所涉及到的相關概念作出了具體的定義。結合叉車門架系統實例建立了門架、門架液壓、貨叉架和擋貨架骨架完整的Top-Down設計流程，簡要說明了相關模塊之間接口問題和如何實現門架起升和門架液壓系統中軟管的參數化控制過程。實踐證明Top-Down設計方法可以大大提高產品的設計效率和速度。

Top-Down；門架；Creo；骨架

1 引 言

隨著研究設計理論的豐富和發展，傳統的設計理念已經難以滿足企業不斷發展和進步的需要，這些企業迫切需要一個新的產品設計模式，而Top-Down設計方法正是在這種大環境下應運而生，傳統的CAD設計主要是依賴于設計人員的經驗，對于設計模型的重復修改量也很大，而Top-Down設計引入了骨架模型，是一種自頂向下的設計思想，從整體到局部，可以更容易和直接的傳遞數據和設計的要求，在不同系統設計過程中，設計師之間可更好的達到協同設計、并行設計的目的，從而大大提高產品的開發效率。

CAD研究的一個熱點問題就是研究和開發基于Top-Down設計方法的設計系統，目前己研究和開發出了一些較完善系統，如Pro/Top-Down、WAYT、Delta、GNOSIS、GONGEN等，其中美國PTC公司提出的Pro/Top-Down設計系統可以通過Pro/Layout模塊在二維環境下定義產品的裝配約束，并將這些約束傳遞到產品三維裝配設計及分析中，并且可以實現整車產品的參數化設計[1]。筆者基于PTC公司最新的Creo軟件平臺來進行產品的Top-Down設計。

2 產品的Top-Down設計

Top-Down設計是一種自頂向下的設計思想，設計的大致流程如圖1所示。

圖1 Top-Down設計流程

叉車整車的設計是一個全面而又復雜的過程，涉及到產品的模塊化設計，前期必須做好充分的基礎工作，需要花費大量的人力物力對企業和市場進行調研，了解并掌握問題所在，繼而總體設計師對產品的結構模塊進行細化，把整車劃分為若干個子系統，如動力系統、液壓系統、門架系統、轉向系統等，分管各系統的設計師門通過總體設計師創建的整機和各模塊布局、整機骨架、各系統模塊的接口信息來開展本系統的模塊化Top-Down設計。各子系統設計師在對產品設計的過程中，將遇到的問題反饋給總體設計師，總體設計師根據這些反饋來完善先前的參數設計和整體的布局信息，這樣就達到了一個不斷相互改進、完善的過程，并最終完成整機的設計。Top-Down設計中部分名詞的基本概念及含義如表1所列[2]。

表1 Top-Down設計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門架設計過程中各參數的傳遞變的更加快速及流暢，為Top-Down設計工作奠定了良好的基礎。

3 叉車門架系統的設計

叉車門架系統屬于叉車中最重要的組成部分之一，是叉車進行裝卸作業的直接工作機構，它包括門架、門架液壓、擋貨架叉架4個模塊，如圖2所示。

圖2 叉車的模塊劃分簡示圖

3.1 門架Top-Down設計

叉車門架根據功能的不同可劃分為不同的模塊，如根據起升高度的不同可分為2 m、3 m、5 m、7 m等模塊，還可分為普通門架和全自由門架。兩節門架是叉車門架的基本型式，它由內門架和外門架組成，內、外門架各有兩根立柱，立柱是門架承載的主要構件，又是貨叉架或內門架作為升降運動的導軌。在左右兩根立柱之間有一聯接著的橫梁，這樣就形成一種封閉形狀的框架。

在對叉車門架進行Top-Down設計時，骨架模型是在產品裝配模型中新建的，在骨架創建過程中，骨架模型必須包含各個部件的接口信息，如門架和貨叉架的安裝坐標系、門架鉸接軸線、左右傾斜油缸的位置信息、內外門架和槽鋼端面等；這些都是門架骨架設計中重要的基準信息。而對于相對獨立(即零件與零件之間沒有參照關系，對其它系統沒有接口關系)的零件在骨架中可以不表示，可單獨建立模型。如擋圈、各種滾輪、限位塊、銷軸、固定夾、標準件等；具體的門架Top-Down設計流程圖如圖3所示。

圖3 門架Top-Down設計流程

明確門架系統的設計思路之后，再對門架的骨架設計建立清晰的流程，叉車門架的骨架模型可以按照以下流程完成：新建門架組件模型→在組件中新建骨架→定義重要基準→關聯布局參數→左右立柱→上橫梁與鉸接的設計→傾斜缸門架鉸接→上橫梁及附屬→中橫梁及附屬→發布相關幾何。門架設計過程中涉及到的輸出信息與輸入信息如圖4所示。

圖4 門架設計過程中的輸入信息與輸出信息接口流程

骨架設計的最后一定要把骨架中與其它系統模塊有相關的接口位置信息發布給相對應的系統，如門架中的外門架左右立柱、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架橫梁、內門架橫梁面組都必須發布給門架液壓系統骨架；門架中的外門架左右立柱面組合傾斜油缸在門架上面的鉸接座面組發布給液壓系統，如圖5所示。當門架液壓系統進行設計時通過門架骨架發布過來的尺寸位置信息來對其進行定位，否則門架液壓系統缺失這些重要的接口信息將無法設計下去，特別注意的是骨架中的一些重要基準軸、點、坐標系也必須發布給相關系統。一旦遺漏發布，對其它部門系統的骨架和組件設計工作會帶來很多麻煩和不便。

圖5 門架系統發布到門架液壓系統和液壓系統的接口信息

門架骨架設計完成之后，要求實現參數控制，起升缸升起高度控制整個門架的姿態，這時需要通過聲明整機的布局文件來把重要的尺寸參數傳遞到骨架當中，再使用菜單欄中的“關系”命令，點擊相應特征后該特征中的尺寸代號都會顯示出來，再點擊該特征的相應尺寸值進入關系式中通過在“局部參數”欄下右鍵“插入到關系”將需要的參數調入到關系建立關聯關系。具體的關系參數如下：水平地方、傾斜缸車架鉸接點寬度、起升缸行程、、傾斜油缸車架銷軸直徑、傾斜缸車架鉸接點距橋心垂直距離、傾斜缸車架鉸接點距橋心水平距離；以上參數的關聯，可使得門架的起升高度得到有效的參數化控制，在對門架進行三維造型時，通過“復制幾何”的命令從骨架中復制所需要的模塊，這樣也達到了門架三維模型的全參數化控制，如圖6所示。

圖6 門架骨架的參數化控制

3.2 門架液壓系統的Top-Down設計

圖7 門架液壓系統的Top-Down設計流程

門架液壓系統主要是由起升油缸和一些軟管、接頭等組成的，是控制門架起升的一個重要部分。它根據門架類型的不同劃分為不同的液壓系統，如二級、三級門架可配二聯閥、三聯閥或四聯閥，門架液壓與其對應則可分由兩個起升油缸構成的的普通門架液壓和在普通門架液壓中多加一根中心缸的門架液壓。門架液壓系統屬于非獨立的骨架，在對其進行設計之前必須借用整機骨架、門架骨架以及貨叉架骨架發布過來的參數位置信息，骨架的大致設計流程為：新建骨架→從整機骨架中復制定位所需的門架安裝坐標系→復制由門架和貨叉架骨架發布到門架液壓系統的幾何→包絡必要的元件→新建必要的基準。具體的門架液壓系統Top-Down設計流程如圖7所示。 門架液壓系統骨架的設計中要求調整門架系統骨架中相關參數，門架液壓系統模型再生之后實現姿態變化，液壓油缸也要實現隨高度變化撓性伸縮。在對其Top-Down設計中，起升油缸的控制一定要參考合理的基準信息，而參數化控制的重點是在管道的設計，繪制管道時在草繪界面中點擊“工具”欄中的“d=關系”，選擇圖8所示尺寸代號并建立關系式，關系式為：“sd1=20+kd6/2”，并在后面輸入相關說明“/*內門架起升時軟管相對下降高度等于起升油缸起升高度的一半”。設置關系式之后軟管圓弧處將會隨內門架上升而相對下降，且軟管總成長度不變，其它部分依次按照要求設計，這樣門架液壓系統的Top-Down設計過程就完成了。

圖8 門架液壓軟管的參數化控制

3.3 貨叉架和擋貨架的Top-Down設計

貨叉架又名滑架，它的作用是安裝貨叉或其它工作屬具，并帶動貨物一起升降。貨叉架屬于獨立設計元件，可以在其它系統設計之前進行設計，具體的貨叉架骨架設計流程如下：新建骨架→定義重要的基準(如貨叉架安裝橫向面、寬度控制點貨叉架和擋貨架安裝坐標系等等)→左右導向板→設計上下橫梁→設計左右立板→設計加強筋→發布相關幾何(貨叉架閥塊安裝搭子的面組以及外框面組)到門架液壓系統。

擋貨架同樣屬于獨立設計元件，它的骨架設計流程如下：新建骨架→定義重要的基準(如擋貨架安裝坐標系、內開檔尺寸、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設計流程如圖9所示。

圖9 貨叉架和擋貨架Top-Down設計流程

4 結 語

通過Top-Down設計方法和思想在叉車門架系統中的應用，建立了清晰的設計流程，更有效的協調各系統結構之間的設計，提升了各系統設計師之間的交流，這種基于Creo上的自頂向下設計方法也真正達到了全三維的參數化設計。同時Top-Down設計增強了整體與局部的全局觀，對整體設計參數的修改和控制也變的更加容易，系統骨架的建立也讓相似部件的設計變的更加迅速和快捷。

綜上所述，門架系統的Top-Down設計實現了產品的全參數化控制，提升了產品的設計效率和成功率，大大縮短了產品的研發周期。Top-Down的設計思想和方法也值得在企業中得到推廣和應用。

[1] 劉計娟.基于Top-Down設計的裝配模型建模方法研究[D].常州:河海大學，2007.

[2] 陳 杰.模塊化Top-Down協同設計在裝載機中的應用[J].工程機械，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：制造業信息化。

TD402

A

1007-4414(2014)01-0067-04