CN103970588A - 一种Mecanum万向轮滚子轮廓补偿和修正建模仿真的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Mecanum万向轮滚子轮廓补偿和修正建模仿真的方法，利用Mecanum设计的万向轮滚子轮廓几何方程计算滚子外廓坐标；根据坐标值，在三维实体软件中建立Mecanum万向轮的主要零部件，并完成装配；将模型导入力学仿真软件中，进行受力分析，得到滚子不同部位的载荷；建立滚子外壳有限元模型，包括材料参数，模型网格节点与几何计算坐标节点一致，将不同部位载荷分别逐段加载到滚子外壳，得到滚子轴截面母线上不同部位的变形；将母线上不同部位的变形值与理论计算的坐标叠加，得到补偿后的轮廓母线；用补偿后的数据设计Mecanum万向轮滚子，再进行仿真计算，验证补偿数值的正确性。本发明对滚子外轮廓廓进行变形补偿，使得外廓设计精确合理、行走过程平稳。

Description

一种Mecanum万向轮滚子轮廓补偿和修正建模仿真的方法

技术领域

本发明属于自由运动或精确定位的设备技术领域，尤其涉及一种Mecanum万向轮滚子轮廓补偿和修正建模仿真的方法。

背景技术

对于需要自由运动或精确定位的设备，如导弹托运装备、机器人、叉车等，精确运动到指定位置很重要。安装Mecanum万向轮，可以通过对四个万向轮旋转方向的控制，实现车辆在2D平面内的任意运动，即纵向、横向与旋转3个自由度的运动。

但由于Mecanum万向轮结构较复杂，如果设计不精确，运行中会发生振动，影响车辆运动平稳性、可靠性。运行中Mecanum万向轮的滚子受载荷作用，会产生变形，从而造成Mecanum轮包络线动态不圆，引起运行震动。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种Mecanum万向轮滚子轮廓补偿和修正建模仿真的方法，旨在解决现有Mecanum万向轮滚子受载荷外廓变形引起运行不平稳的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种Mecanum万向轮滚子轮廓补偿和修正建模仿真的方法，围绕外缘Mecanum万向轮主体的中心车轮骨架，安装若干自由随动滚子，轴线与主体骨架垂直于轴线的中心平面成45°角；该Mecanum万向轮滚子轮廓补偿和修正建模仿真的方法包括以下步骤：

步骤一，利用Mecanum万向轮滚子轮廓几何方程计算滚子外廓坐标；Mecanum万向轮滚子母线轮廓为螺旋线，方程为：

$\frac{1}{2}{x}^2+{(y-R+r)}^2-R^2=0,0\≤y\≤r$

$2R\frac{\sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{n}}{\sin \mathrm{\&gamma;}}\&le;x<\sqrt{{2R}^2-2{(R-r)}^2}$

式中，x，y——滚子自身坐标系中滚子母线坐标值；

R——Mecanum轮半径；

r——滚子母线最大半径；

γ——滚子轴与Mecanum轮轴螺旋角；

n——组成Mecanum万向轮的滚子个数；

给定R、r和γ值，能够计算出无数组满足条件的(x，y)，给定x初值和取值间隔，得到一系列满足精度要求的坐标值；由一系列坐标值绘制的曲线为滚子母线，通过母线绕轴旋转可生成滚子模型；

步骤二，根据计算出的坐标值向量，在三维实体软件中建立Mecanum万向轮的主要零部件，并完成装配；

步骤三，将模型导入力学仿真软件中，进行受力分析，得到滚子不同部位的载荷；将模型存为有限元软件能够导入的格式，建立有限元几何实体模型，根据实际情况赋材料和单元参数；滚子工作的一个周期中，不同部位受载，受载方向不同；将一个滚子工作周期分成若干阶段，各阶段给定适当的边界条件，分别进行受力分析，在各仿真计算结果中，选取典型部位，取得不同典型位置的载荷值，供下一步分析输入；

步骤四，建立滚子外壳有限元模型，模型网格节点与几何计算坐标节点一致，将不同部位载荷分别逐段加载到滚子外壳，得到滚子轴截面母线上不同部位的变形；具体方法为：按照实际几何形状和参数建立滚子外壳实体模型，如步骤三导入有限元分析软件，选择单元和材料参数；

步骤五，拾取与理论计算值横坐标相同点的变形量，存为补偿坐标向量，纵坐标取反值作为补偿量，与理论计算的坐标值向量叠加，即得到补偿后的轮廓母线一系列坐标值，补偿后的滚子轮廓在前视基准面的投影为不规则的圆形，得到补偿后的轮廓母线；

步骤六，用补偿后的数据设计Mecanum万向轮滚子，再次按照步骤三进行仿真计算，验证补偿数值的正确性。

进一步，在步骤四中，为使网格节点与理论计算坐标点一致，划分网格时给定网格长度值和段数，赋给滚子模型母线，在必要的节点上建立关键点，可保证节点网格划分与建模坐标点一致，以便仿真结果能够拾取节点变形，和理论值对应叠加。

进一步，在步骤六中，如果补偿轮廓后的滚子运行工况下，受载荷下仿真结果在前视基准面投影接近圆形，即接近方程 $\frac{1}{2}{x}^2+{(y-R+r)}^2-R^2=0,0\&le;y\&le;r$ 所示的曲线，说明补偿轮廓效果好，Mecanum车轮在受载运行时接近圆，行走会更平稳。

进一步，Mecanum万向轮的布置方式在前视基准面的投影为所有均布载荷的外轮廓组成的圆，运行中每个滚子工作方式为由一端接触地面，逐步到中间再到另一端，周围均布的滚子依次接触地面，进入受载工作状态。

本发明提供的Mecanum万向轮滚子轮廓补偿和修正建模仿真的方法，首先推导了滚子理论外廓的曲线方程，计算出理论轮廓母线坐标；然后对Mecanum轮进行受力分析、建模，仿真计算滚子外壳在运行中的变形；根据滚子变形位置、变形量及重合度，对滚子外轮廓进行补偿，设计更合理的滚子外轮廓，解决万向轮运行不平稳问题，对滚子外轮廓廓进行变形补偿，使外廓设计更精确合理，行走过程更平稳。本发明方法简单，操作方便，较好的解决了Mecanum万向轮滚子受载荷外廓变形引起运行不平稳的问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的Mecanum万向轮滚子轮廓补偿和修正建模仿真的方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的Mecanum万向轮滚子轮廓补偿和修正建模仿真的方法包括以下步骤：

S101：利用Mecanum万向轮滚子轮廓几何方程计算滚子外廓坐标；

S102：根据坐标值，在三维实体软件中建立Mecanum万向轮的主要零部件，并完成装配；

S103：将模型导入力学仿真软件中，进行受力分析，得到滚子不同部位的载荷；

S104：建立滚子外壳有限元模型，包括材料参数，其模型网格节点与几何计算坐标节点一致，将不同部位载荷分别逐段加载到滚子外壳，得到滚子轴截面母线上不同部位的变形；

S105：将母线上不同部位的变形值与理论计算的坐标叠加，得到补偿后的轮廓母线；

S106：用补偿后的数据设计Mecanum万向轮滚子，再进行仿真计算，验证补偿数值的正确性。

本发明的具体步骤为：

本发明Mecanum万向轮主体部分为主动旋转的中心车轮骨架，围绕外缘均布安装若干自由随动滚子，轴线与主体骨架垂直于轴线的中心平面成45°角。为保证运行时平稳，Mecanum万向轮的布置方式在前视基准面的投影为所有均布载荷的外轮廓组成的圆。运行中每个滚子工作方式为由一端接触地面，逐步到中间再到另一端。周围均布的滚子依次接触地面，进入受载工作状态，受载后会有变形。因此，Mecanum万向轮的结构和受载状况决定了其在运行中有周期性的波动，不够平稳。而且每时刻滚子与地面接触面积不等，所受的压强不同；同时，由于滚子还自转，会受到旋转方向的摩擦力，使得变形量和变形位置复杂。本发明通过仿真方法对滚子外廓变形进行补偿，使其在运行过程中受载后保持在前视图投影为圆形，减小运行时的振动。补偿量的大小和位置是关键，须通过仿真计算得出。结构的不规则和受载荷大小不等、方向不同使得仿真模型较复杂。本发明仿真将受载过程分步，提取各步接近真实情况的边界条件，逐步分析计算变形量，再综合结果，作为轮廓补偿量。

本发明的该Mecanum万向轮滚子轮廓补偿和修正建模仿真的方法，具体包括以下步骤：

第一步，利用Mecanum万向轮滚子轮廓几何方程计算滚子外廓坐标；Mecanum万向轮滚子母线轮廓为螺旋线，方程为：

$\frac{1}{2}{x}^2+{(y-R+r)}^2-R^2=0,0\&le;y\&le;r---\left(1\right)$

$2R\frac{\sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{n}}{\sin \mathrm{\&gamma;}}\&le;x<\sqrt{{2R}^2-2{(R-r)}^2}---\left(2\right)$

式中，x，y——滚子自身坐标系中滚子母线坐标值；

R——Mecanum轮半径；

r——滚子母线最大半径；

γ——滚子轴与Mecanum轮轴螺旋角；

n——组成Mecanum万向轮的滚子个数；

给定R、r和γ值，能够计算出无数组满足条件的(x，y)，给定x初值和取值间隔，得到一系列满足精度要求的坐标值；

由一系列坐标值绘制的曲线为滚子母线，通过母线绕轴旋转可生成滚子模型；中心骨架的设计和装配不包括在本发明内；

第二步，根据计算出的坐标值向量，在三维实体软件中建立Mecanum万向轮的主要零部件，并完成装配；

第三步，将模型导入力学仿真软件中，进行受力分析，得到滚子不同部位的载荷；将模型存为有限元软件能够导入的格式，建立有限元几何实体模型，根据实际情况赋材料和单元参数；滚子工作的一个周期中，不同部位受载，受载方向不同；将一个滚子工作周期分成若干阶段，各阶段给定适当的边界条件，分别进行受力分析，在各仿真计算结果中，选取典型部位，取得不同典型位置的载荷值，供下一步分析输入；

第四步，建立滚子外壳有限元模型，模型网格节点与几何计算坐标节点一致，将不同部位载荷分别逐段加载到滚子外壳，得到滚子轴截面母线上不同部位的变形；具体方法为按照实际几何形状和参数建立滚子外壳实体模型，如上述方法导入有限元分析软件，选择适当的单元和材料参数，为使其网格节点与理论计算坐标点一致，划分网格时给定合适的网格长度值和段数，赋给滚子模型母线，在必要的节点上建立关键点，可保证节点网格划分与建模坐标点一致。以便仿真结果能够拾取节点变形，和理论值对应叠加；

第五步，将母线上不同部位的变形值与理论计算的坐标叠加，得到补偿后的轮廓母线；方法为拾取与理论计算值横坐标相同点的变形量，存为补偿坐标向量，纵坐标取反值作为补偿量，与理论计算的坐标值向量叠加，即得到补偿后的轮廓母线一系列坐标值，补偿后的滚子轮廓在前视基准面的投影为不规则的圆形；

第六步，用补偿后的数据设计Mecanum万向轮滚子，再次进行仿真计算，验证补偿数值的正确性。仿真方法和第三步相同，如果补偿轮廓后的滚子运行工况下，受载荷下仿真结果在前视基准面投影接近圆形，即接近方程(1)所示曲线，说明补偿轮廓效果好，Mecanum车轮在受载运行时接近圆，行走会更平稳。

本发明应用本模型和仿真方法进行轮廓曲面计算设计，使得Mecanum万向轮滚子外形轮廓更合理，万向轮运行更平稳流畅，减小振动动和噪声。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种Mecanum万向轮滚子轮廓补偿和修正建模仿真的方法，其特征在于，围绕外缘Mecanum万向轮主体的中心车轮骨架，安装若干自由随动滚子，轴线与主体骨架垂直于轴线的中心平面成45°角；该Mecanum万向轮滚子轮廓补偿和修正建模仿真的方法包括以下步骤：

步骤一，利用Mecanum万向轮滚子轮廓几何方程计算滚子外廓坐标；Mecanum万向轮滚子母线轮廓为螺旋线，方程为：

$\frac{1}{2}{x}^2+{(y-R+r)}^2-R^2=0,0\&le;y\&le;r$

$2R\frac{\sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{n}}{\sin \mathrm{\&gamma;}}\&le;x<\sqrt{{2R}^2-2{(R-r)}^2}$

式中，x，y——滚子自身坐标系中滚子母线坐标值；

R——Mecanum轮半径；

r——滚子母线最大半径；

γ——滚子轴与Mecanum轮轴螺旋角；

n——组成Mecanum万向轮的滚子个数；

给定R、r和γ值，能够计算出无数组满足条件的(x，y)，给定x初值和取值间隔，得到一系列满足精度要求的坐标值；由一系列坐标值绘制的曲线为滚子母线，通过母线绕轴旋转可生成滚子模型；

步骤二，根据计算出的坐标值向量，在三维实体软件中建立Mecanum万向轮的主要零部件，并完成装配；

步骤三，将模型导入力学仿真软件中，进行受力分析，得到滚子不同部位的载荷；将模型存为有限元软件能够导入的格式，建立有限元几何实体模型，根据实际情况赋材料和单元参数；滚子工作的一个周期中，不同部位受载，受载方向不同；将一个滚子工作周期分成若干阶段，各阶段给定适当的边界条件，分别进行受力分析，在各仿真计算结果中，选取典型部位，取得不同典型位置的载荷值，供下一步分析输入；

步骤四，建立滚子外壳有限元模型，模型网格节点与几何计算坐标节点一致，将不同部位载荷分别逐段加载到滚子外壳，得到滚子轴截面母线上不同部位的变形；具体方法为：按照实际几何形状和参数建立滚子外壳实体模型，如步骤三导入有限元分析软件，选择单元和材料参数；

步骤五，拾取与理论计算值横坐标相同点的变形量，存为补偿坐标向量，纵坐标取反值作为补偿量，与理论计算的坐标值向量叠加，即得到补偿后的轮廓母线一系列坐标值，补偿后的滚子轮廓在前视基准面的投影为不规则的圆形，得到补偿后的轮廓母线；

步骤六，用补偿后的数据设计Mecanum万向轮滚子，再次按照步骤三进行仿真计算，验证补偿数值的正确性。

2.如权利要求1所述的Mecanum万向轮滚子轮廓补偿和修正建模仿真的方法，其特征在于，在步骤四中，为使网格节点与理论计算坐标点一致，划分网格时给定网格长度值和段数，赋给滚子模型母线，在必要的节点上建立关键点，可保证节点网格划分与建模坐标点一致，以便仿真结果能够拾取节点变形，和理论值对应叠加。

3.如权利要求1所述的Mecanum万向轮滚子轮廓补偿和修正建模仿真的方法，其特征在于，在步骤六中，如果补偿轮廓后的滚子运行工况下，受载荷下仿真结果在前视基准面投影接近圆形，即接近方程 $\frac{1}{2}{x}^2+{(y-R+r)}^2-R^2=0,0\&le;y\&le;r$ 所示的曲线，说明补偿轮廓效果好，Mecanum车轮在受载运行时接近圆，行走会更平稳。

4.如权利要求1所述的Mecanum万向轮滚子轮廓补偿和修正建模仿真的方法，其特征在于，Mecanum万向轮的布置方式在前视基准面的投影为所有均布载荷的外轮廓组成的圆，运行中每个滚子工作方式为由一端接触地面，逐步到中间再到另一端，周围均布的滚子依次接触地面，进入受载工作状态。