倪莉, 朱雪明, 謝朝慧, 王子杰, 曹剛, 尹常澤

（江漢大學(xué)a.機(jī)電與建筑工程學(xué)院；b. 工程訓(xùn)練中心，武漢430000）

0 引 言

無(wú)碳小車(chē)作為大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽命題，能有效培養(yǎng)參賽學(xué)生運(yùn)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)及制作的能力。參賽小車(chē)的設(shè)計(jì)多根據(jù)競(jìng)賽要求，通過(guò)解析法來(lái)建立小車(chē)的尺寸及運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)學(xué)模型，然后借助于軟件進(jìn)行仿真。此種仿真方法雖對(duì)小車(chē)制作能夠起到一定作用，但由于數(shù)學(xué)模型未考慮實(shí)際環(huán)境因素（如材料特性、摩擦力、機(jī)械效率等），則仿真結(jié)果有可能同實(shí)際運(yùn)行情況存在誤差[1]。為此，本文提出一種基于SolidWorks 三維建模的仿真方案，通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及運(yùn)行環(huán)境的仿真，為小車(chē)的設(shè)計(jì)和制作提供可靠的依據(jù)。

1 運(yùn)動(dòng)要求分析

根據(jù)比賽規(guī)則，要求無(wú)碳小車(chē)按照“雙8 字”軌跡繞樁運(yùn)行，各樁間距（350±50）mm，軌跡規(guī)則圖如圖1 所示。

圖1 “雙8 字”軌跡示意圖

規(guī)則要求無(wú)碳小車(chē)的動(dòng)力為1 kg 砝碼下落400 mm 產(chǎn)生的重力勢(shì)能，且由機(jī)械結(jié)構(gòu)完成小車(chē)的轉(zhuǎn)向控制。因此，無(wú)碳小車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中必須高效且穩(wěn)定才能保證小車(chē)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)且軌跡一致[2]?；诖怂悸?，本文探尋了一種基于SolidWorks Motion 的無(wú)碳小車(chē)虛擬樣機(jī)裝配、調(diào)試、仿真及最終指導(dǎo)實(shí)際制作的設(shè)計(jì)與制作流程。

2 小車(chē)的建模與裝配

使用SolidWorks 建模及裝配完成無(wú)碳小車(chē)的三維模型，建模完成圖如圖2 所示。無(wú)碳小車(chē)采用了典型的三輪車(chē)布局結(jié)構(gòu)，前部為轉(zhuǎn)向輪，后輪分為主動(dòng)輪和從動(dòng)輪。小車(chē)主要由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（砝碼、定比滑輪）、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)（凸輪、推桿）、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（齒輪組）及行走機(jī)構(gòu)（主動(dòng)輪、從動(dòng)輪）等部分構(gòu)成[3]。

無(wú)碳小車(chē)在運(yùn)行時(shí)，砝碼通過(guò)細(xì)繩和定比滑輪將重力勢(shì)能傳導(dǎo)至凸輪軸，凸輪軸通過(guò)齒輪組驅(qū)動(dòng)后驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)使小車(chē)前進(jìn)。同時(shí)凸輪軸帶動(dòng)凸輪同步旋轉(zhuǎn)推動(dòng)推桿使小車(chē)轉(zhuǎn)向，從而完成小車(chē)在向前運(yùn)行的同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)向的運(yùn)動(dòng)需求。

3 運(yùn)動(dòng)仿真

3.1 運(yùn)動(dòng)仿真方案

考慮到理論計(jì)算同實(shí)際制作的差別，設(shè)計(jì)尺寸的不確定性及參數(shù)給定錯(cuò)誤等因素，仿真過(guò)程可能會(huì)遇到各種情況，例如運(yùn)行錯(cuò)誤、軌跡錯(cuò)誤等。為此考慮設(shè)計(jì)了一種虛擬仿真設(shè)計(jì)方案，流程如圖3 所示。

3.2 虛擬樣機(jī)模型的建模

圖2 無(wú)碳小車(chē)結(jié)構(gòu)圖

為了提高仿真運(yùn)算的效率，需要對(duì)小車(chē)三維模型進(jìn)行一定程度的“簡(jiǎn)化”，具體來(lái)講就是在不改變小車(chē)整體幾何尺寸的基礎(chǔ)上盡量減少仿真模型的特征數(shù)量及裝配體的零件數(shù)量，虛擬樣機(jī)建模如圖4 所示?？蓮囊韵氯矫孢M(jìn)行：1）取消小車(chē)的砝碼部件，通過(guò)設(shè)置旋轉(zhuǎn)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)動(dòng)力；2）取消所有標(biāo)準(zhǔn)件，盡量精簡(jiǎn)零件并將多個(gè)零件合成一個(gè)零件；3）可將齒輪簡(jiǎn)化為圓柱體，通過(guò)設(shè)置齒輪傳動(dòng)配合實(shí)現(xiàn)各齒輪間的傳動(dòng)關(guān)系[4]；4）根據(jù)實(shí)際情況將零件材料設(shè)置為6061 鋁合金。

圖3 運(yùn)動(dòng)仿真方案流程圖

3.3 添加裝配約束、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)及設(shè)置仿真環(huán)境參數(shù)

根據(jù)無(wú)碳小車(chē)的運(yùn)動(dòng)原理分析，小車(chē)的運(yùn)動(dòng)主要由2部分組成，即由凸輪-推桿-前輪的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和齒輪組-驅(qū)動(dòng)輪-從動(dòng)輪的前進(jìn)機(jī)構(gòu)，且兩部分的運(yùn)行動(dòng)力皆來(lái)源于驅(qū)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)軸設(shè)置驅(qū)動(dòng)馬達(dá)來(lái)模擬驅(qū)動(dòng)軸被砝碼帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的動(dòng)力，SolidWorks Motion 中可設(shè)置直線馬達(dá)和旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，而旋轉(zhuǎn)馬達(dá)又有多種驅(qū)動(dòng)形式[5]。本次仿真中選擇等速旋轉(zhuǎn)馬達(dá)作為驅(qū)動(dòng)方式，如圖5 所示。

凸輪同驅(qū)動(dòng)軸固連且同步旋轉(zhuǎn)，推桿為從動(dòng)件，為保證運(yùn)行正常需設(shè)置凸輪同推桿為實(shí)體接觸，如圖6（a）所示。除設(shè)置小車(chē)自身參數(shù)外，還需要為小車(chē)的運(yùn)行設(shè)置一塊“地面”，且“地面”與小車(chē)的三輪間為實(shí)體接觸[6]，如圖6（b）所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)馬達(dá)設(shè)置

圖6 約束及仿真參數(shù)設(shè)置

3.4 SolidWorks Motion運(yùn)動(dòng)軌跡分析

根據(jù)小車(chē)的設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)L1的伸長(zhǎng)量可改變軌跡重合度，調(diào)節(jié)L2的伸長(zhǎng)量可改變小車(chē)的軌跡長(zhǎng)度（如圖7）。通過(guò)對(duì)無(wú)碳小車(chē)1 個(gè)運(yùn)行周期的模擬，以小車(chē)質(zhì)心在X、Y 平面上的運(yùn)行坐標(biāo)值作為數(shù)據(jù)輸出位移曲線后[7]，即可對(duì)本次模擬情況進(jìn)行比對(duì)。

經(jīng)過(guò)多次模擬，得出的數(shù)據(jù)如表1 所示。

圖7 推桿伸長(zhǎng)量L1，凸輪安裝的軸向尺寸L2

表1 運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果

圖8(a)和圖8(b)分別為2 次運(yùn)行軌跡重合的仿真結(jié)果，圖中左上曲線表示以主動(dòng)輪質(zhì)心為參考點(diǎn)輸出的在X、Y 平面上的位移曲線，左下曲線表示以從動(dòng)輪質(zhì)心為參考點(diǎn)輸出的在X、Y 平面上的位移曲線，右上曲線表示以前輪質(zhì)心為參考點(diǎn)輸出的在X、Y 平面上的位移曲線。

圖8 運(yùn)動(dòng)仿真軌跡結(jié)果

從圖中結(jié)果可分析出，在保證軌跡重合的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變L1、L2的尺寸可對(duì)無(wú)碳小車(chē)的運(yùn)行軌跡進(jìn)行有效調(diào)整。小車(chē)運(yùn)行軌跡在能完成“雙8 字”繞圈的同時(shí)，確保3 個(gè)障礙樁的間距能在（350±50）mm 的尺寸范圍內(nèi)調(diào)整，為后續(xù)小車(chē)的實(shí)物制作與調(diào)試提供了理論依據(jù)。

4 實(shí)際裝調(diào)驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)零件的機(jī)械加工與多次裝配調(diào)整，無(wú)碳小車(chē)實(shí)物如圖9 所示。為了保證尺寸測(cè)量的準(zhǔn)確，在L1、L2處安裝微分筒進(jìn)行精確調(diào)整，每次運(yùn)行前記錄數(shù)據(jù)。經(jīng)實(shí)測(cè)，虛擬仿真數(shù)據(jù)同小車(chē)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)匹配?；诖朔桨冈O(shè)計(jì)并制作的無(wú)碳小車(chē)參加了“第六屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽”湖北賽區(qū)預(yù)賽，并取得“雙8字”軌跡單次運(yùn)行28 圈，總分排名第2 的成績(jī)。

圖9 無(wú)碳小車(chē)實(shí)物圖

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)“雙8 字”繞障要求進(jìn)行分析，初步規(guī)劃理論運(yùn)動(dòng)軌跡，并設(shè)計(jì)了小車(chē)結(jié)構(gòu)。使用SolidWorks Motion 對(duì)無(wú)碳小車(chē)運(yùn)行軌跡進(jìn)行了仿真分析，此設(shè)計(jì)方案符合比賽規(guī)則。驗(yàn)證了設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真的必要性，同時(shí)此方法對(duì)于研究機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律具有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。