关于在教学中运用麦克纳姆轮的思考

关于在教学中运用麦克纳姆轮的思考

mc相机由瑞典的mclarm公司开发。这四个马克纳姆军官的组合可以实现车道的全方位运动。从而大大提高叉车作业的灵活性,有效降低叉车对作业区域的要求,显著地提高了叉车的作业效率。因此,装配有麦克纳姆轮的叉车特别适合舰艇、狭窄洞库内的装卸搬运作业。基于此,深入学习和掌握麦克纳姆轮的结构及工作原理是进一步分析和设计全方位叉车的关键。但是,麦克纳姆轮的结构复杂,运动方式千变万化,单单以黑板加投影的传统教学方法很难让学生深入理解和掌握麦克纳姆轮的结构及原理。本文将机械三维CAD软件SolidWorks引入麦克纳姆轮的课堂教学,通过SolidWorks软件对麦克纳姆轮的结构进行三维建模和虚拟装配,并对其运动过程进行了仿真分析,从而让抽象的二维原理图变成了直观的三维动画显示。既有利于加深学生的理解掌握,又有效提高了课堂教学效率,同时也为机械构造课程的课堂教学提供了一种有益的参考方法。一、土地资源的动态特性麦克纳姆轮的轮体圆周斜向分布着许多小滚轮,这些滚轮的外扩线与轮子的理论圆周相重合,并且滚轮能够自由旋转,滚轮的轴线与麦克纳姆轮的轴线通常成45°(如图1所示)。滚轮有3个自由度,在绕自身转动的同时又能绕车轴转动,还能绕滚轮与地面接触点转动。这使得麦克纳姆轮也具备了3个自由度:绕轮轴的转动、沿滚轮轴线垂线方向的平动和绕滚轮与地面接触点的转动。这样,驱动轮在一个方向上具有主动驱动能力的同时,另外一个方向上也具有自由移动的特性。当四个轮独立驱动时,在摩擦力和驱动力的共同作用下,车体可以实现全方位移动。典型的车体运动方向与各轮驱动方向的对应关系如图2所示。其中,Fα为轮子滚动时小滚轮受到的轴向摩擦力;Fγ为小滚轮做从动滚动时受到的滚动摩擦力;ω为各轮转动的角速度。可见,只要能正确控制各轮的转速和转向,就可实现车辆的全方位运动。二、模拟平台和功能结构1.软件介绍与设计SolidWorks软件是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统,是由美国SolidWorks公司开发原创的,在Windows环境下实现的一个三维机械CAD软件。该软件易学易用、建模能力强,且操作简便。另外,SolidWorks软件内部无缝集成了COSMOSMotion运动仿真插件。该插件用于建立运动机构模型,进行机构的干涉分析,跟踪零件的运动轨迹,分析机构中零件的速度、加速度、作用力、反作用力等各种参数,并用动画、图形、表格等多种形式输出仿真结果。图3展现了在麦克纳姆轮的建模和运动仿真分析过程中所采用的软件及其功能应用。2.创建几何特征的技术SolidWorks软件包含了各种用于创建零件特征和基准特征的命令。其中基础实体特征主要有拉伸凸台/基体、旋转凸台/基体等。在基础实体特征上可添加圆角、倒角、筋、抽壳、拔模及异型孔、线性阵列、圆角阵列、镜像等放置特征,这些特征的创建对于实体造型的完整性非常重要。在处理复杂的几何形状时还需要其他高级特征选项,包括扫描、放样凸台/基体及参考几何体中基准轴、基准面这些定位特征等。通过以上特征造型技术便可轻松创建出麦克纳姆轮所需的各个具体零部件的三维实体模型。SolidWorks软件提供了丰富的用于装配体的工具。将创建的零件实体依次添加至SolidWorks装配文件中,并在各个零件之间依次添加正确的位置约束条件关系。装配完成的全方位叉车实体模型如图4所示。创建实体模型的过程可以使学生全面、直观、生动的掌握麦克纳姆轮的各部分结构及各部分之间的装配关系,对于深入掌握麦克纳姆轮的结构原理具有重要作用。三、模拟运动分析1.全方位叉车模型边界条件处理主要是为创建实体模型各零部件之间添加合适的约束和驱动,以实现实体模型和实际结构的相同运动。COSMOSMotion软件提供的约束类型如图5所示。由于本文主要关系麦克纳姆轮的运动特性,因此全方位叉车的车体部分可以作为一个整体零部件出现。在此基础上,主要采用旋转副、固定约束副和3D碰撞对模型进行约束。最终在车架和驱动桥之间生成固定约束3个,小滚轮与轮体之间生成旋转副约束28个,轮体与车桥之间生成3D碰撞约束集合4个(每个集合各包含7个零部件间的3D碰撞约束)。为使仿真分析更接近实际,设置麦克纳姆轮和地面之间的弹性系数为4000N/mm,阻尼为3.1。2.南轮膜基承载力分析通过给四个麦克纳姆轮分别施加不同方向和不同大小的驱动力,可以发现全方位叉车确实能够实现全方位运动,并且运动规律和第一节中介绍的麦克纳姆轮运动原理完全相同。通过运动仿真分析,还可以获得各种运动工况下麦克纳姆轮所承受的载荷分布曲线。文中以全方位叉车在平整路面上向前行驶、麦克纳姆轮转速为12deg/sec为例进行说明。麦克纳姆轮本体的载荷曲线如图6所示。由上图分析可知,麦克纳姆轮承受的载荷为周期性冲击载荷,其中右后轮的最大载荷约为4200N。冲击载荷是由各小滚轮依次与地面接触时产生冲击所引起的。因此,麦克纳姆轮在运动过程中会出现一定的振动,在后续的结构设计中应引起注意。与此同时,还可进一步得到每个小滚轮在运动过程中的载荷分布情况。其中一个小滚轮的受力情况如图7所示。由上图分析可知,小滚轮也承受周期性冲击载荷,即麦克纳姆轮每旋转一圈,小滚轮与地面接触一次,并承受一次地面作用的冲击载荷,冲击载荷的最大值约为5100N。对比图6和图7可以发现,小滚轮受到的冲击载荷明显大于麦克纳姆轮所受到的冲击载荷,因此在运动过程中小滚轮的磨损会比较严重,在实际设计时必须给予高度重视。3.cosmosmolge模型麦克纳姆轮的运动仿真分析过程可以借助COSMOSMotion插件的屏幕录制功能将仿真过程保存成avi或者vrml格式的文件,需要时能够以动画的形式重新播放运动仿真过程。在此基础上,COSMOSMotion插件还可以将运动仿真分析结果输出到文本文件或生成电子数据表,也可以将仿真结果直接输入到FEA分析软件进行有限元分析或者将仿真模型输入到完全的ADAMS模拟产品中,模拟复杂的包括柔韧性物体、控制系统、使用者子程序等。深入细致的运动仿真分析和丰富多彩的结果输出形式不但能够让学生深刻理解麦克纳姆轮的运动规律以及在运动过程中麦克纳姆轮的承载情况,对于夯实麦克纳姆轮的后续设计基础具有重要意义,而且还能大大激发学生的学习兴趣,活跃课堂气氛,明显改善课堂教学效益。四、对新模型的分析验证了麦尔选择一个学生的运动特性,有利于提高课堂教学效益本文将机械三维CAD软件SolidWorks引入了麦克纳姆轮的课堂教学。通过SolidWorks的特征构造技术创建了麦克纳姆轮的三维实体模型,并对麦克纳姆轮的运动特性进行了仿真分析。不但验证了麦克纳姆轮的运动原理,获得了麦克纳姆轮在运动过程中的一些力学参数,为后续的计算分析及结构设计奠定了基础,而且有助