關(guān)于在教學(xué)中運(yùn)用麥克納姆輪的思考

關(guān)于在教學(xué)中運(yùn)用麥克納姆輪的思考

mc相機(jī)由瑞典的mclarm公司開(kāi)發(fā)。這四個(gè)馬克納姆軍官的組合可以實(shí)現(xiàn)車道的全方位運(yùn)動(dòng)。從而大大提高叉車作業(yè)的靈活性,有效降低叉車對(duì)作業(yè)區(qū)域的要求,顯著地提高了叉車的作業(yè)效率。因此,裝配有麥克納姆輪的叉車特別適合艦艇、狹窄洞庫(kù)內(nèi)的裝卸搬運(yùn)作業(yè)?；诖?深入學(xué)習(xí)和掌握麥克納姆輪的結(jié)構(gòu)及工作原理是進(jìn)一步分析和設(shè)計(jì)全方位叉車的關(guān)鍵。但是,麥克納姆輪的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,運(yùn)動(dòng)方式千變?nèi)f化,單單以黑板加投影的傳統(tǒng)教學(xué)方法很難讓學(xué)生深入理解和掌握麥克納姆輪的結(jié)構(gòu)及原理。本文將機(jī)械三維CAD軟件SolidWorks引入麥克納姆輪的課堂教學(xué),通過(guò)SolidWorks軟件對(duì)麥克納姆輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模和虛擬裝配,并對(duì)其運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了仿真分析,從而讓抽象的二維原理圖變成了直觀的三維動(dòng)畫(huà)顯示。既有利于加深學(xué)生的理解掌握,又有效提高了課堂教學(xué)效率,同時(shí)也為機(jī)械構(gòu)造課程的課堂教學(xué)提供了一種有益的參考方法。一、土地資源的動(dòng)態(tài)特性麥克納姆輪的輪體圓周斜向分布著許多小滾輪,這些滾輪的外擴(kuò)線與輪子的理論圓周相重合,并且滾輪能夠自由旋轉(zhuǎn),滾輪的軸線與麥克納姆輪的軸線通常成45°(如圖1所示)。滾輪有3個(gè)自由度,在繞自身轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)又能繞車軸轉(zhuǎn)動(dòng),還能繞滾輪與地面接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。這使得麥克納姆輪也具備了3個(gè)自由度:繞輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)、沿滾輪軸線垂線方向的平動(dòng)和繞滾輪與地面接觸點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣,驅(qū)動(dòng)輪在一個(gè)方向上具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)能力的同時(shí),另外一個(gè)方向上也具有自由移動(dòng)的特性。當(dāng)四個(gè)輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)時(shí),在摩擦力和驅(qū)動(dòng)力的共同作用下,車體可以實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)。典型的車體運(yùn)動(dòng)方向與各輪驅(qū)動(dòng)方向的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。其中,Fα為輪子滾動(dòng)時(shí)小滾輪受到的軸向摩擦力;Fγ為小滾輪做從動(dòng)滾動(dòng)時(shí)受到的滾動(dòng)摩擦力;ω為各輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度?？梢?jiàn),只要能正確控制各輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向,就可實(shí)現(xiàn)車輛的全方位運(yùn)動(dòng)。二、模擬平臺(tái)和功能結(jié)構(gòu)1.軟件介紹與設(shè)計(jì)SolidWorks軟件是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系統(tǒng),是由美國(guó)SolidWorks公司開(kāi)發(fā)原創(chuàng)的,在Windows環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的一個(gè)三維機(jī)械CAD軟件。該軟件易學(xué)易用、建模能力強(qiáng),且操作簡(jiǎn)便。另外,SolidWorks軟件內(nèi)部無(wú)縫集成了COSMOSMotion運(yùn)動(dòng)仿真插件。該插件用于建立運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模型,進(jìn)行機(jī)構(gòu)的干涉分析,跟蹤零件的運(yùn)動(dòng)軌跡,分析機(jī)構(gòu)中零件的速度、加速度、作用力、反作用力等各種參數(shù),并用動(dòng)畫(huà)、圖形、表格等多種形式輸出仿真結(jié)果。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(guò)程中所采用的軟件及其功能應(yīng)用。2.創(chuàng)建幾何特征的技術(shù)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、筋、抽殼、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(guò)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。創(chuàng)建實(shí)體模型的過(guò)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、模擬運(yùn)動(dòng)分析1.全方位叉車模型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。由于本文主要關(guān)系麥克納姆輪的運(yùn)動(dòng)特性,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.南輪膜基承載力分析通過(guò)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(guò)運(yùn)動(dòng)仿真分析,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、麥克納姆輪轉(zhuǎn)速為12deg/sec為例進(jìn)行說(shuō)明。麥克納姆輪本體的載荷曲線如圖6所示。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(guò)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。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(guò)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。由上圖分析可知,小滾輪也承受周期性沖擊載荷,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(guò)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.cosmosmolge模型麥克納姆輪的運(yùn)動(dòng)仿真分析過(guò)程可以借助COSMOSMotion插件的屏幕錄制功能將仿真過(guò)程保存成avi或者vrml格式的文件,需要時(shí)能夠以動(dòng)畫(huà)的形式重新播放運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)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(guò)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、對(duì)新模型的分析驗(yàn)證了麥爾選擇一個(gè)學(xué)生的運(yùn)動(dòng)特性,有利于提高課堂教學(xué)效益本文將機(jī)械三維CAD軟件SolidWorks引入了麥克納姆輪的課堂教學(xué)。通過(guò)SolidWorks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(guò)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