SolidWorks在麥克納姆輪課堂教學(xué)中的應(yīng)用

1、2011年第32期 圖3展現(xiàn)了在麥克納姆輪的建模和運(yùn)動(dòng)仿真分析過程中所采用 的軟件及其功能應(yīng)用。 2.創(chuàng)建三維實(shí)體模型 SolidWorks 軟件包含了各種用于創(chuàng)建零件特征和基準(zhǔn)特征的命 令。 其中基礎(chǔ)實(shí)體特征主要有拉伸凸臺(tái)/基體、 旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)/基體等。 在 基礎(chǔ)實(shí)體特征上可添加圓角、 倒角、 抽殼、 筋、 拔模及異型孔、 線性 陣列、 圓角陣列、 鏡像等放置特征， 這些特征的創(chuàng)建對(duì)于實(shí)體造型 的完整性非常重要。 在處理復(fù)雜的幾何形狀時(shí)還需要其他高級(jí)特 征選項(xiàng)， 包括掃描、 放樣凸臺(tái)/基體及參考幾何體中基準(zhǔn)軸、 基準(zhǔn)面 這些定位特征等。 通過以上特征造型技術(shù)便可輕松創(chuàng)建出麥克納 姆輪所需的各個(gè)具

2、體零部件的三維實(shí)體模型。 SolidWorks軟件提供了豐富的用于裝配體的工具。 將創(chuàng)建的零 件實(shí)體依次添加至SolidWorks裝配文件中， 并在各個(gè)零件之間依次 添加正確的位置約束條件關(guān)系。 裝配完成的全方位叉車實(shí)體模型 如圖4所示。 麥克納姆輪轉(zhuǎn)速為12deg/sec為例進(jìn)行說明。 麥克納姆輪本體的載 荷曲線如圖6所示。 圖 6 麥克納姆輪右后輪載荷曲線圖 由上圖分析可知， 麥克納姆輪承受的載荷為周期性沖擊載荷， 其中右后輪的最大載荷約為4200N。 沖擊載荷是由各小滾輪依次與 地面接觸時(shí)產(chǎn)生沖擊所引起的。 因此， 麥克納姆輪在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì) 出現(xiàn)一定的振動(dòng)， 在后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)引起注意

3、。 與此同時(shí)， 還可進(jìn)一步得到每個(gè)小滾輪在運(yùn)動(dòng)過程中的載荷分 布情況。 其中一個(gè)小滾輪的受力情況如圖7所示。 圖 4 整車模型圖 創(chuàng)建實(shí)體模型的過程可以使學(xué)生全面、 直觀、 生動(dòng)的掌握麥克 納姆輪的各部分結(jié)構(gòu)及各部分之間的裝配關(guān)系， 對(duì)于深入掌握麥 克納姆輪的結(jié)構(gòu)原理具有重要作用。 三、 運(yùn)動(dòng)仿真分析 1.邊界條件處理 邊界 條 件 處 理 主 要是為創(chuàng) 建 實(shí)體 模 型各零 部 件之 間添 加 合 適的約束和驅(qū)動(dòng)， 以實(shí)現(xiàn)實(shí)體 模型和實(shí)際 結(jié) 構(gòu)的相同運(yùn)動(dòng)。 COSMOSMotion軟件 提供的約束類型如圖5所示。 4 圖 7 小滾輪載荷曲線圖 由上圖分析可知， 小滾輪也承受周期性沖擊載荷，

4、 即麥克納姆 輪每旋轉(zhuǎn)一圈， 小滾輪與地面接觸一次， 并承受一次地面作用的沖 擊載荷， 沖擊載荷的最大值約為5100N。 對(duì)比圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)， 小 滾輪受到的沖擊載荷明顯大于麥克納姆輪所受到的沖擊載荷， 因此 在運(yùn)動(dòng)過程中小滾輪的磨損會(huì)比較嚴(yán)重， 在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)必須給予高 度重視。 3.運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果的保存 圖 5 COSMOSMotion 約束類型 麥克納姆輪的運(yùn)動(dòng)仿真分析過程可以借助COSMOSMotion插 件的屏幕錄制功能將仿真過程保存成avi或者vrml格式的文件， 需要時(shí)能夠以動(dòng)畫的形式重新播放運(yùn)動(dòng)仿真過程。 在此基礎(chǔ)上， COSMOSMotion插件還可以將運(yùn)動(dòng)仿真分析結(jié)果輸出到

5、文本文件或 生成電子數(shù)據(jù)表， 也可以將仿真結(jié)果直接輸入到FEA分析軟件進(jìn)行 有限元分析或者將仿真模型輸入到完全的ADAMS模擬產(chǎn)品中， 模 擬復(fù)雜的包括柔韌性物體、 控制系統(tǒng)、 使用者子程序等。 深入細(xì)致的運(yùn)動(dòng)仿真分析和豐富多彩的結(jié)果輸出形式不但能 夠讓學(xué)生深刻理解麥克納姆輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及在運(yùn)動(dòng)過程中麥克 納姆輪的承載情況， 對(duì)于夯實(shí)麥克納姆輪的后續(xù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)具有重 要意義， 而且還能大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣， 活躍課堂氣氛， 明顯 改善課堂教學(xué)效益。 四、 結(jié)束語 本文將機(jī)械三維CAD軟件SolidWorks引入了麥克納姆輪的課堂 （下轉(zhuǎn)第 124 頁(yè)） 由于本文主要關(guān)系麥克納姆輪的運(yùn)動(dòng)特性，

6、因此全方位叉車的 車體部分可以作為一個(gè)整體零部件出現(xiàn)。 在此基礎(chǔ)上， 主要采用旋 轉(zhuǎn)副、 固定約束副和3D碰撞對(duì)模型進(jìn)行約束。 最終在車架和驅(qū)動(dòng)橋 之間生成固定約束3個(gè)， 小滾輪與輪體之間生成旋轉(zhuǎn)副約束28個(gè)， 輪體與車橋之間生成3D碰撞約束集合4個(gè)（每個(gè)集合各包含7個(gè)零 部件間的3D碰撞約束） 。 為使仿真分析更接近實(shí)際， 設(shè)置麥克納姆輪和地面之間的彈性 系數(shù)為4000N/mm， 阻尼為3.1。 2.運(yùn)動(dòng)仿真分析 通過給四個(gè)麥克納姆輪分別施加不同方向和不同大小的驅(qū)動(dòng) 力， 可以發(fā)現(xiàn)全方位叉車確實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)， 并且運(yùn)動(dòng)規(guī)律 和第一節(jié)中介紹的麥克納姆輪運(yùn)動(dòng)原理完全相同。 通過運(yùn)動(dòng)仿真分析

7、， 還可以獲得各種運(yùn)動(dòng)工況下麥克納姆輪所 承受的載荷分布曲線。 文中以全方位叉車在平整路面上向前行駛、 122 2011年第32期 演示等方法深入淺出地講解該知識(shí)點(diǎn)所涉及的基礎(chǔ)知識(shí)及相應(yīng)的 工程運(yùn)作。 在講授過程中時(shí)刻關(guān)注學(xué)生的反饋信息， 例如表情反饋信息 等， 選擇合適的時(shí)機(jī)提出一些問題， 引導(dǎo)學(xué)生積極思考， 并回答問 題， 使教師與學(xué)生之間形成良好的互動(dòng)效應(yīng)， 從而極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生 的主動(dòng)性和積極性， 營(yíng)造出寬松、 互動(dòng)、 活躍的課堂氣氛， 激發(fā)學(xué)生 的學(xué)習(xí)興趣。 三、 基于工程項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)式實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的建設(shè)和改革， 實(shí) 現(xiàn)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo) CDIO教育模式要求學(xué)生基于工程項(xiàng)目的全生命

8、周期進(jìn)行學(xué)習(xí) 與實(shí)踐， 最大的特點(diǎn)就是注重對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。 要培養(yǎng)高層 次的技術(shù)人才， 就必須完善學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)體系。 “大氣污染控制工程” 課程教授的內(nèi)容中很大部分是工程中 的實(shí)際問題， 如何將課本知識(shí)轉(zhuǎn)化為解決工程項(xiàng)目的能力是本課程 急需解決的課題。 將工程項(xiàng)目實(shí)踐引入到課程教學(xué)， 在實(shí)施過程中 重點(diǎn)解決設(shè)計(jì)什么、 怎么設(shè)計(jì)、 誰來設(shè)計(jì)， 啟發(fā)學(xué)生自主應(yīng)用課本 知識(shí)尋找課題， 用系統(tǒng)分析的方法分析問題， 用學(xué)過的知識(shí)與技能 解決問題。 通過加強(qiáng)問題的實(shí)踐性、 選題的多樣性、 方法的選擇性 和任務(wù)的完整性來引導(dǎo)學(xué)生自覺地將書本知識(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。 在課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目2過程中， 建立項(xiàng)目小組并由教

9、師結(jié)合課程的 教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)對(duì)象的實(shí)際情況， 提出一些與實(shí)際相關(guān)的工程項(xiàng) 目。 特別是大氣污染控制中遇到較普遍工程項(xiàng)目和實(shí)例， 例如電廠 煙氣脫硫問題、 煙氣除塵問題、 有機(jī)廢氣處理問題等等。 同時(shí)項(xiàng)目 與任務(wù)的提出必須充分考慮到需要學(xué)生掌握哪些知識(shí)點(diǎn)、 哪些操 作技能， 從學(xué)生的實(shí)際出發(fā)， 選擇一些具有趣味性的項(xiàng)目， 以調(diào)動(dòng) 學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。 強(qiáng)調(diào)工程項(xiàng)目的完整性， 即從選題、 方案制定、 流程計(jì)算、 設(shè)備選型到設(shè)計(jì)書撰寫的全過程均由學(xué)生自主完成。 “大氣污染控制工程” 課程實(shí)踐性很強(qiáng)， 每個(gè)知識(shí)單元都需要 設(shè)計(jì)好相應(yīng)的實(shí)踐項(xiàng)目， 要求學(xué)生組成項(xiàng)目小組來完成。 這樣可以 讓讓學(xué)生在團(tuán)隊(duì)環(huán)境

10、下獲得較真實(shí)的工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)， 提高學(xué)生在項(xiàng) 目規(guī)劃、 工作分配、 成員交流等多方面的能力， 培養(yǎng)積極向上的合 作精神。 項(xiàng)目驗(yàn)收的形式采用項(xiàng)目演示結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)答辯的形式， 每組 團(tuán)隊(duì)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)， 評(píng)出最佳團(tuán)隊(duì)和最具創(chuàng)新性的團(tuán)隊(duì)， 培養(yǎng)集體榮譽(yù) 感和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。 四、 建立大氣污染控制工程CDIO 教學(xué)評(píng)價(jià)體系 在CDIO教學(xué)中， 需對(duì)學(xué)生個(gè)體在CDIO教學(xué)方法中獲得的成效 進(jìn)行評(píng)估。 傳統(tǒng)的課堂教學(xué)是由任課教師來考評(píng)學(xué)生， 重在知識(shí)的 獲得； CDIO的評(píng)價(jià)方法則重在能力培養(yǎng)， 將能力本位的教學(xué)觀貫穿 到教學(xué)實(shí)踐的全過程。 因此， 必須確保能力評(píng)價(jià)過程的合理性和有 效性， 采用不同的方法評(píng)價(jià)不同的

11、能力。 在 “大氣污染控制工程” 的考評(píng)中， 將平時(shí)成績(jī)進(jìn)行細(xì)化， 分 為課堂表現(xiàn)、 課余作業(yè)、 課程設(shè)計(jì)、 實(shí)驗(yàn)情況及考試卷面等內(nèi)容， 卷面成 績(jī)只占三到四成， 更注 重考核學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的表現(xiàn)情 況， 特別是在工程項(xiàng)目實(shí)踐環(huán)節(jié)所表現(xiàn)出來的能力給予肯定， 有 利于促進(jìn)學(xué)生積極主動(dòng)學(xué)習(xí)， 培養(yǎng)創(chuàng)新能力。對(duì)平時(shí)成績(jī)的評(píng)判 可采用不同的標(biāo)準(zhǔn)， 但總體應(yīng)該體現(xiàn)個(gè)性化、 創(chuàng)新性、 準(zhǔn)確性相結(jié) 合的原則。 課程工程項(xiàng)目結(jié)束時(shí)， 教師要對(duì)項(xiàng)目的完成情況進(jìn)行考核， CDIO教學(xué)模式的標(biāo)準(zhǔn)之一就是要對(duì)學(xué)生個(gè)體進(jìn)行評(píng)估驗(yàn)收?？?核的形式常采用 “答辯” 的方式， 由學(xué)生演示程序的運(yùn)行結(jié)果， 然 后針對(duì)自己在小組

12、中的分工情況， 詳細(xì)介紹具體項(xiàng)目來源、 解決方 法及他們?cè)诠こ添?xiàng)目中遇到的問題， 最后提交項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告。較 之傳統(tǒng)的考試， 這種考核方式更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生的表達(dá)能力和科技文 章的撰寫能力， 既分享了學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)， 又拓寬了知識(shí)面。 教師在考核 過程中要起到主導(dǎo)作用， 站在企業(yè)、用戶或用人單位的角度來設(shè) 立問題， 將學(xué)生置于一個(gè)大的環(huán)境中， 使學(xué)生具備業(yè)界所需要的 素質(zhì)和能力。 五、 結(jié)語 “大氣污染控制工程” 是門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程， 按照CDIO的標(biāo) 準(zhǔn)與內(nèi)容， 對(duì)教學(xué)課程、 教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式進(jìn)行相應(yīng)的改革， 及 時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)， 優(yōu)化課程的改革方案， 注重培養(yǎng)學(xué)生理論應(yīng)用能 力、 團(tuán)隊(duì)合作能力， 提

13、高工程實(shí)踐能力， 使學(xué)生能夠更好地適應(yīng)社 會(huì)需求。 CDIO教育理念是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程， 該培養(yǎng)模式的評(píng) 價(jià)體系尚未完善， 今后將結(jié)合專業(yè)特色， 針對(duì)國(guó)際上完善的評(píng)價(jià)體 系進(jìn)一步探索教學(xué)改革的策略和方法。 總之， 通過將CDIO教學(xué)模式運(yùn)用于 “大氣污染控制工程” 課 程， “做中學(xué)” 使學(xué)生在掌握基本專業(yè)知識(shí)和技能的同時(shí)， 倡導(dǎo) ， 既 提高了學(xué)習(xí)興趣， 又增強(qiáng)了工程項(xiàng)目實(shí)踐能力， 對(duì)學(xué)生畢業(yè)走上社 會(huì)的可持續(xù)發(fā)展起到積極的作用。 參考文獻(xiàn)： 1 郝吉明 , 馬廣大 . 大氣污染控制工程 M. 第二版 . 北京 : 高等教育出 版社 ,2005. 2 郝曉文 , 田甜 “大氣污染控制工程”

14、課程在熱能專業(yè)中的教學(xué)探討 . J. 中國(guó)電力教育 ,2011,(13:98-99. 3 呂輝雄 , 黃榮 , 蔡全英 “大氣污染控制工程”課程教學(xué)改革與優(yōu)化 . J. 中國(guó)電力教育 ,2010,(30:104-105. 4 王偉冰 , 張東梅 , 李玉菊 , 等 . 基于 CDIO 理念的新機(jī)械制圖教學(xué)模 式研究 J. 長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào) ( 社會(huì)科學(xué)版 ,2010,23(1:171-172. 5 蘇萍 . 基于 CDIO 教育模式的 音視頻制作課程教學(xué)改革研究 J. 浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào) ,2010,9(2:45-46. （責(zé)任編輯 ： 孫晴） （上接第 122 頁(yè)） 教學(xué)。 通過Sol

15、idWorks的特征構(gòu)造技術(shù)創(chuàng)建了麥克納姆輪的三維實(shí) 體模型， 并對(duì)麥克納姆輪的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了仿真分析。 不但驗(yàn)證了 麥克納姆輪的運(yùn)動(dòng)原理， 獲得了麥克納姆輪在運(yùn)動(dòng)過程中的一些力 學(xué)參數(shù)， 為后續(xù)的計(jì)算分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)， 而且有助于學(xué) 生理解掌握麥克納姆輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律， 大大激發(fā)了學(xué)生的 學(xué)習(xí)興趣， 有效提高了課堂教學(xué)效益。 與此同時(shí)， 充分靈活利用SolidWorks及其COSMOSMotion插件對(duì)各 種常見機(jī)械、 機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模、 裝配、 運(yùn)動(dòng)仿真， 對(duì)改善教學(xué)手段、 提高教學(xué)效果是一種有益的嘗試和應(yīng)用， 值得進(jìn)一步推廣和研究。 參考文獻(xiàn)： 1 閆國(guó)榮 , 張海兵 . 一