参数化软件设计的优化方案

1.Mecanum轮系列化设计辊子参数计算软件

两端支撑和中间支撑形式Mecanum轮的辊子内部的主要设计参数分别如图2-9和图2-10所示。如图2-9所示，两端支撑的辊子主要参数包括辊子轴的直径d1，辊子长度l，辊子壁金属层最小端内径（即轴承外径）D1和外径D2；如图2-10所示，中间支撑的辊子主要参数包括辊子轴安装轴承处的轴径d1、d3，辊子长度l，辊子壁金属层两端部的内径D1、D3和外径D2、D4。

图2-9　两端支撑的辊子主要参数

图2-10　中间支撑的辊子主要参数

软件设计的流程图如图2-11所示。首先根据承载和环境选择支撑方式，因为两端支撑形式轮子的轴承选择滚针轴承和推力球轴承的组合，所以对轴的计算较简单，具体公式将在3.1.1节阐述。在轴承确定后，即可计算得辊子壁的外径。对于中间支撑形式的轮子，由于最小端轴径是由最大剪切力确定的，所以可以先计算出来。而中间支撑处的轴径因为受到轴承轴向力的影响，所以需要选定轴承后计算出轴承轴向力后才能确定，最后确定辊子壁的外径。

图2-11　Mecanum轮系列化设计辊子软件设计流程图

当全方位移动机器人运用于工业现场时，机器人需要承受一定的载荷，此时，机器人需要满足强度要求。随着承载的不同，Mecanum轮的尺寸和结构会有所改变。对于Mecanum轮的受力分析和强度校核将在后面的章节中介绍。在Matlab的环境下开发如图2-12所示的设计软件，只需输入单个Mecanum轮的载重、安全系数、爬坡角度、加速度、许用切应力等参数，软件会自动计算出辊子轴径、辊子壁的外径等参数。这个软件可以避免设计过程中复杂的计算，适用于Mecanum轮的系列化设计，极大地提高了工作效率。

图2-12　Mecanum轮系列化设计辊子设计界面

2.Mecanum轮参数化设计软件(www.xing528.com)

为了使Mecanum轮的设计过程简单化，提高设计效率，我们自主开发了如图2-13所示的软件系统，输入车轮设计宽度、车轮半径、辊子最小端半径、轴承的外径等已知参数，点击“辊子尺寸计算”按钮，即可输出辊轮轴线夹角、辊子长度、辊轮轴线距离等设计参数。点击“结构设计”按钮，弹出如图2-14所示的软件参数及零件三维模型绘制的界面。在此界面中可输出辊子轮廓线各点的坐标，输入预选的辊子数目，计算运动连续性比例系数，该系数应在1.01～1.03之间，查看预选的半径和宽度是否符合连续性要求。点击“建立辊子模型”按钮，软件自动在Solidworks中建立如图2-14所示参数对应的辊子三维模型。

图2-13　软件参数输入界面

图2-14　软件参数及零件三维模型绘制的界面

3.Mecanum轮设计步骤

使用以上软件进行Mecanum轮设计的步骤如下：

（1）根据机器人承载要求及对Mecanum轮支撑形式的要求，在图2-12所示的系列设计软件中输入已知参数，如单个Mecanum轮的载重、安全系数、爬坡角度、加速度、许用切应力等，由软件得到辊子轴径、轴承型号和辊子壁的外径。

（2）根据工作环境确定聚氨酯弹性体的类型、硬度；根据寿命及强度要求确定聚氨酯弹性体的厚度和弹性模量。

（3）由辊子壁的外径和弹性体的厚度可得辊子最小端的半径，即图2-13参数输入栏的辊子轮廓最小高度值。先估计轮子的半径和宽度，输入已知参数轴承内径、外径、宽度、辊子初始角度初选值等，点击“辊子尺寸计算”按钮运行计算。点击“结构设计”按钮，生成辊子的三维模型。在Solidworks中将辊子均布在轮子轴线的周围，查看辊子是否干涉。如何辊子不干涉，将棍子内部结构细化，并建立轮毂的三维模型。

（4）运用ANSYS校核轮毂和辊子轴的强度。

（5）修正辊子弹性体层的外轮廓曲线，减少由于聚氨酯变形后不均匀导致的机器人运行时的震动。

（6）使用ANSYS和蒙特卡罗法相结合的方法分析轮毂和辊子轴的可靠度，根据分析结果优化零件的尺寸。