计算机虚拟仿真技术在创新创业训练计划中的应用与实践

尚腾蛟，马 宏，2，3，张 涵，李超逸*

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.张家口市智能机械技术创新中心, 河北 张家口 075000；3.河北省机械基础教学示范中心，河北 张家口 075000)

0 引言

计算机虚拟仿真技术是随着计算机发展起来的全新技术，具有准确性、真实性等特征。近年来，特别是在工科学生的创新创业训练计划中创新创业训练计划中起到的作用也越来越重要。本文以大学生创新创业训练计划为例，应用计算机虚拟仿真技术设计环保喷洒设备，快速获取最终设计方案。

1 喷洒设备的设计要求

在建筑施工过程中，容易产生大量粉尘。现有技术中常采用雾化喷淋设备对建筑施工周围进行降尘，然而，现有的建筑施工用喷洒装置结构简单，喷头大多不能调节高度，这造成施工现场喷淋降尘后，高层的灰尘下降，需要在同一地点反复喷淋降尘，少数喷洒装置喷头高度可调，但喷洒水管较长，容易堆积缠绕。

该环保喷洒设备主要解决在不同地点、不同高度的喷洒，通过远程控制步进电机使麦克纳姆轮到需要完成任务的地方执行任务。喷洒设备上方蓝色示意图为水雾在定点的固定范围，如图1所示。

图1 喷洒设备喷洒水雾范围

2 应用计算机仿真技术进行设计

2.1 喷洒设备底盘仿真设计

选用SolidWorks作为本次虚拟仿真的软件，设计喷洒设备底板主体结构板尺寸为400毫米×400毫米；选用步进电机与麦克纳姆轮式结构作为驱动单元，同时将水箱、电路托板其他零件安装位置等结构通过计算机仿真技术进行结构仿真并完成虚拟装配，如图2 所示。

图2 喷洒设备底盘虚拟仿真设计

2.2 喷洒设备伸缩杆仿真设计

根据不同的喷洒高度设计伸缩杆和旋转喷头的结构；伸缩杆底部舵机与齿轮通过法兰盘进行连接，齿轮再与齿条啮合，齿条与伸缩杆内杆固定，通过进行虚拟仿真设计，并完成装配，如图3所示。

图3 伸缩杆

由于在喷洒环节需要通过旋转达到全方位覆盖，将齿轮固定在三通中间部位再通过舵机连接的齿轮与三通上的齿轮进行啮合，所以通过虚拟仿真设计，并完成装配，如图 4 所示。

图4 旋转三通

麦克纳姆轮依靠各自机轮的方向和速度，这些力的最终合成在任何要求的方向上产生一个合力矢量，从而保证了这个平台在最终的合力矢量的方向上能自由地移动，而不改变机轮自身的方向。在它的轮缘上斜向分布着许多小滚子，故轮子可以横向滑移。小滚子的母线很特殊，当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个小滚子的包络线为圆柱面，所以该轮能够连续地向前滚动。麦克纳姆轮结构紧凑，运动灵活，是很成功的一种全方位轮。有4个这种新型轮子进行组合，可以更灵活方便地实现全方位移动功能，如图5所示。

图5 麦克纳姆轮

2.3 机器人整机仿真设计

将上述设计完成喷洒设备、伸缩杆和旋转三通进行仿真装配，完成整机装配，如图6所示。

图6 整机装配

产品都是由若干个零件和部件组成的。按照规定的技术要求，将若干个零件接合成部件或将若干个零件和部件接合成产品的劳动过程，称为装配。通过装配之后，在某一位置固定好后在设定的高度进行工作，该白色范围所在区域为在已设定高度的喷洒范围示意图，如图7所示。

图7 喷洒设备喷洒范围示意

仿真设计图完成后进行机构合理性检验和总体尺寸验证，符合设计要求的空间范围。同时，通过计算机运动仿真计算伸缩杆的工作范围以满足各不同高度喷洒的要求。

3 结语

本文以大学生创新创业训练计划为例，将计算机虚拟仿真技术应用到喷洒设备的结构设计过程中，在喷洒设备结构方面进行应用，有效提高了作品的设计效率。通过大量的市场调查，目前在国内市场，对于此类产品需求量大，特别是现在正是绿色建筑的初始阶段，该项目在绿色建筑方面有着极其重要的作用。其涉及的各个领域都有很大的发展空间。针对该机算计仿真的应用验证技术及其未来后续应用发展前景对其进行一定的数据分析进行验证技术研究显然已经是非常重要，具有技术现实的意义，能够为其未来后续应用发展打下基础，其势必将后续发展成为各大生命科学研究领域至关重要的组成部分，拥有举足轻重的技术主导作用。可以凭借这一方面的市场空白来对此类产品进行设计研发并逐步推向市场。在作品设计过程中，应用计算机虚拟仿真技术可以提高设计效率，并降低设计成本。