陳冠峰， 吳瀚堃

(廈門大學嘉庚學院機電工程學院，福建 漳州 363105)

全國大學生工程訓練綜合能力競賽由教育部高教司主辦、教育部高等學校工程訓練教學指導委員會舉辦的學科競賽，已成為高校工程類競賽中最具影響力之一的賽事。文章根據(jù)全國大學生工程訓練綜合能力競賽的工程基礎類項目的一個命題要求，設計一種以質量為1 kg的砝碼，下降400±2 mm高度產生的重力勢能作為驅動具有自動控制方向的自行小車，小車具有可調節(jié)裝置的轉向控制機構，可以適應不同間距障礙物的競賽場地；設計小車要求為三輪結構，其中兩輪為行進輪，一輪為轉向輪，允許兩行進輪中的一個輪為從動輪，以實現(xiàn)小車的轉向和前進[1]。競賽場地要求小車在半張標準的乒乓球臺(1 525 mm×1 370 mm)上，有3個障礙樁(直徑20 mm、長200 mm的圓棒)沿中線放置，兩端的障礙樁至中心障礙樁的距離為350±50 mm，具體數(shù)值抽簽決定。小車需繞三個障礙樁按雙8字型的軌跡循環(huán)行走，并保證每個樁在8字形的封閉圈內，以小車成功完成雙8字繞行圈數(shù)的數(shù)量來評定成績?，F(xiàn)有研究中很多學者提出了用空間四桿機構[2-3]、不完全齒輪機構[4]和凸輪機構[5]等設計方法進行研究，并驗證了方法的可行性。

使用槽輪機構完成小車行走的可行性研究的學者極少，本文提出槽輪機構+曲柄滑塊雙8軌跡越障小車，重新對小車的運行軌跡進行設計。借助SolidWorks軟件進行了小車的實體建模和運動狀態(tài)仿真，模擬了小車行走軌跡和轉向偏擺角度分析，進而得出小車具體尺寸參數(shù)和運動規(guī)律。用加工中心、數(shù)控車床等設備加工制作小車，在設計參數(shù)的基礎上驗證小車的運動規(guī)律，通過調節(jié)轉向機構和微調機構改變實物小車的模塊參數(shù)，同時確定依照競賽軌跡行駛小車的最優(yōu)參數(shù)。

1 結構設計

根據(jù)比賽的賽道軌跡和命題要求把小車分為驅動機構、齒輪傳動機構、槽輪機構作為轉向機構、曲柄滑塊作為轉向控制機構、微調機構五個模塊，進行模塊化設計。在SolidWorks軟件上建立三維模型，確定小車整體的設計方案，小車如圖1所示。

圖1 雙8軌跡自動行進小車

1.1 驅動結構設計

1 kg標準砝碼通過釣魚繩纏繞在驅動軸的驅動繩輪上，驅動軸與傳動軸通過齒輪嚙合傳動改變轉速，同時傳遞能量，把重力勢能轉化為小車行進的動能。釋放砝碼后，釣魚繩通過定滑輪拉動驅動繩輪帶動傳動，小車開始行進。同時驅動軸傳動也帶動撥叉槽輪軸以及曲柄輪軸，小車行走的同時通過槽輪機構和曲柄滑塊控制方向而呈周期性變化，最終實現(xiàn)雙8字軌跡，小車驅動原理圖如圖2所示。

圖2 小車驅動原理簡圖

1.2 傳動機構設計

傳動機構主要的功能是將運動從源動機構傳遞到執(zhí)行機構，并且改變運動的力矩、速度和方向。常用的傳動方式有液壓傳動、機械傳動、氣壓傳動和電氣傳動，機械傳動有帶輪傳動、絲杠螺母副傳動、齒輪傳動、摩擦輪傳動等。本小車機械傳動部分設計選用齒輪傳動，因為小車所需的驅動力較小，齒輪傳動機構傳動比恒定，機構緊湊，傳動效率高達98%，為了降低能量損失，減輕小車重量和簡少小車零件，本小車采用一級齒輪傳動[6]，齒輪傳動機構見圖如圖3所示。

圖3 齒輪傳動機構簡圖

這一齒輪傳動結構為一級減速傳動，將大齒輪z2同繞繩輪固定安裝在驅動軸上，小齒輪z1固定安裝在車輪軸上，砝碼下落帶動驅動繩輪和大齒輪z2轉動，通過齒輪嚙合減速傳動，使車輪運轉。車輪行駛的圈數(shù)即小車行進的路程，由傳動比i決定：

(1)

式中：z1為小齒輪齒數(shù)；z2為大齒輪齒數(shù)。

1.3 轉向機構

小車的轉向機構中采用槽輪機構，該機構具有間歇運動特點符合本命題的轉向要求，并且槽輪機構易加工，結構簡單，工作可靠能準確控制轉角，機械效率高等優(yōu)點。但槽輪的角速度不是常數(shù)，角速度變化較大，具有柔性沖擊。其轉角不能太小，動程不可調節(jié)，槽輪在起、停時有沖擊，加速度大，并隨著槽輪槽數(shù)的減少或轉速的增加而加劇，故不宜用于高速環(huán)境，多數(shù)用來實現(xiàn)不需經常調節(jié)轉位角度的轉位運動[7]。越障小車轉速低要求其運動過程緩慢平穩(wěn)，轉為角度變化呈周期性，故槽輪機構的缺點不影響小車設計，槽輪機構優(yōu)點符合小車設計要求，故選用撥叉槽輪轉向控制機構，撥叉槽輪轉向機構簡圖如圖4。

圖4 撥叉槽輪轉向機構簡圖

根據(jù)路線轉向變化次數(shù)，槽輪機構由4個圓柱銷的撥盤、外槽輪(4條徑向槽)和機架組成。為了減少摩檫力，圓柱銷由軸承代替，當主動撥盤轉動，轉臂上的軸承進入徑向槽時，撥動槽輪旋轉；當軸承轉出徑向槽后，由于槽輪的內凹鎖止弧被主動撥盤的外凹鎖止弧卡住，槽輪停止轉動。撥盤旋轉一周，槽輪旋轉一周。為了方便加工和撥盤圓柱銷間和鎖止弧圓心角修改，撥盤的轉臂和外凹鎖止弧圓盤為兩個零件后組裝。

根據(jù)命題要求完成一次完整的雙8軌跡需要左右轉切換4次，間歇4次，為了實現(xiàn)周期性，設計小車完成一次完整軌跡曲柄旋轉2圈。當曲柄旋轉一圈小車左右轉動方向轉切換2次。曲柄和槽輪安裝在同一根軸上，所以設計4個徑向槽的槽輪，槽輪旋轉一圈完成一次左右切換。一個撥銷從進入到轉出徑向槽的過程槽輪旋轉90°，為了完成槽輪旋轉1圈由2次間歇過程，所以撥盤設計4個撥銷[8]。

1.4 轉向控制機構

為了使小車完整運行雙8軌跡，除了通過撥叉槽輪機構，還需依靠曲柄滑塊機構控制前輪周期性轉向。曲柄滑塊機構可把往復移動轉換為整周或不整周的回轉運動。本設計采用對心對心曲柄滑塊機構，即曲柄的回轉中心A在滑塊的導路中心線上?；瑝KC作為機構運動的輸出件，當滑塊C運動到兩個極限位置時，原動件曲柄AB在對應位置間的極位夾角θ等于零，因為對心曲柄滑塊機構無急回運動特性[9]，符合小車低速平穩(wěn)行走。曲柄滑塊機構簡圖如圖5所示。

圖5 曲柄滑塊機構簡圖

小車采用撥叉槽輪帶動曲柄旋轉使得導軌滑塊前后擺動，再由滑槽機構帶動轉向前輪擺動來實現(xiàn)轉向的控制。其中最主要的部分為撥叉槽輪運動的軌跡設計。轉向機構簡圖如圖6所示。

圖6 轉向機構簡圖

通過調節(jié)撥叉槽輪夾角的大小以及曲柄的長度a可以調整小車整體軌跡，調整導軌的長度b及導軌離轉向前輪的距離c來微調軌跡抵消裝配誤差使小車的軌跡正確。

小車最大拐彎角度θ可根據(jù)曲柄的長度以及導軌離轉向前輪的距離的計算得到：

(2)

式中：a為曲柄的長度；c為導軌離轉向前輪的距離。

1.5 微調機構

微調機構屬于越障小車的控制部分，是整個小車中最為精密和關鍵的一部分，通過調節(jié)微調機構可以修正小車行走軌跡的偏差[10-12]。根據(jù)設計方案，影響小車軌跡的因素有撥叉槽輪夾角的大小、曲柄的長度a、導軌的長度b及導軌離轉向前輪的距離c。而微調機構調整的正是導軌長度b和導軌離轉向前輪的距離c。由于調整范圍非常微小，所以設計采用微調螺紋副來調節(jié)長度距離。整車微調部分共有兩處，一處位于小車前部，用于控制調節(jié)導軌與轉向前輪中心的距離c，可控制小車行走軌跡的圓弧大??；另一用于調節(jié)曲柄軸與前輪軸的距離b，可調節(jié)左右偏擺方向對稱性。

在小車滑軌滑塊上，設計微調裝置，通過微調螺紋副來調節(jié)中間小滑塊的位置，從而調節(jié)曲柄到轉向前輪的導軌前后方向上的長度b來抵消小車裝配的誤差，保證撥叉槽輪處于直線行駛時，前輪處于居中狀態(tài)，使小車可以走得正，軸距微調機構如圖7所示。

圖7 軸距微調機構

在小車前輪轉向滑槽機構部分，設計微調裝置，通過微調螺紋副來調節(jié)導軌離轉向前輪的距離c，從而調節(jié)前輪轉向角度的大小，前輪微調機構如圖8所示。

圖8 前輪微調機構

兩個微調機構是為了保證小車依照設計軌跡穩(wěn)定行駛，消除零件加工過程中的誤差和裝配過程中所可能產生的間隙，通過軸距微調機構保證小車直線行駛，通過前輪微調機構保證小車轉向角度，并在后期裝配調試中記錄微調數(shù)值，可提高調試速度并降低裝配難度。

2 軌跡設計

一個完整的雙8字軌跡為：3個封閉圓軌跡和軌跡中出現(xiàn)4次變向交替，變向指的是：小車軌跡的曲率中心從軌跡的一側變到另外一側。比賽過程，小車需連續(xù)運行，直至停止。小車碰倒障礙樁、沒有繞過障礙樁、將障礙樁推出直徑20 mm圓區(qū)域、小車停止運行、重物脫離小車或小車掉落乒乓球桌均視為本次比賽結束。根據(jù)工訓賽命題要求，初步設計四種發(fā)車軌跡方案如圖9所示。

圖9 發(fā)車軌跡

根據(jù)發(fā)車位置的不同，采用的軌跡周期也相對不同。

①方案：采用一個“S”加半個圓弧為一個周期的軌跡。在后期動態(tài)仿真及組裝調試中，此發(fā)車點較難尋找前輪短間歇偏擺最大值，無法較快調整發(fā)車位置，該方案否決。

②方案：采用兩個四分之一圓弧加一個整圓為一個周期的軌跡，故采用該方案。

③方案：采用三個半圓弧為一個周期的軌跡。在后期動態(tài)仿真及組裝調試中，此發(fā)車點不易尋找前輪轉角最大值及驅動輪中段行程，該方案否決。

④方案：采用一個“S”加半個圓弧為一個周期的軌跡。在后期動態(tài)仿真及組裝調試中，此發(fā)車點不易擺放、不易調整發(fā)車角度及前輪間歇中段位置，該方案否決。

通過分析四種方案設想，其中②方案：在后期動態(tài)仿真及組裝調試中，發(fā)車位置平行障礙樁中心線，較為容易調整發(fā)車位置角度，并且發(fā)車點處于前輪起始偏擺位置，轉向機構處于短間歇處，較好判斷發(fā)車方向和轉向位置，所以決定試采用該方案進行小車軌跡設計計算。

設計走雙8字軌跡的小車，需要前輪左右轉向變化4次，雙8字軌跡左右轉向切換的機構配合簡圖如圖10所示，圖10中的四段虛線表示轉向變化，其余弧線是小車前輪處于極限偏角時前輪轉向保持不變走出的圓弧路徑。只要設計好前輪偏角(曲柄的長度)以及4次間歇運動的時間間隔(鎖止圓弧圓心角比例)，小車便可以走出符合命題要求的雙8字軌跡路線。

圖10 雙8字軌跡左右轉向切換的機構配合簡圖

針對可調節(jié)導軌的長度b以及導軌離轉向前輪中心距離c，小車雙8字軌跡的形狀都會產生影響，為了設計出符合命題要求軌跡的小車，對上述可變量b和c進行變化，軌跡進行仿真結果如圖11所示。

圖11 b和c進行變化對雙8字軌跡影響

仿真結果說明，所設計的小車當微調機構b=110 mm和c=31 mm時能夠走理想的雙8字軌跡，當b和c有微小變動量時軌跡會有誤差累積，因此微調機構需要有較高的調節(jié)機構，實物采用精度為0.01 mm的微分頭調節(jié)b和c，實際調試需根據(jù)小車的行走路線情況對b或c進行調節(jié)。

3 實驗驗證

為了保證零件精度，多數(shù)零件采用加工中心和數(shù)控車床加工，在保證零件強度的前提，盡量減輕零件重量，多數(shù)零件為6061鋁，其他零件材料為碳纖、FR4和PLA，減輕小車重量，使小車能行走更多圈數(shù)。加工兩側后輪時應保證車輪不受力變彎，對于常規(guī)復雜低精度要求零件或者沒有較高精度要求零件采用了3D打印制造，充分利用現(xiàn)有設備資源，確保零件制造效率并符合設計精度要求，實物小車如圖12所示。

圖12 雙8軌跡越障小車實物

實物小車的實際的運行軌跡如圖13所示。

圖13 越障小車的實際運行軌跡

從上圖13中實際測試中，小車的微調機構b=110 mm和c=31 mm時能夠走出競賽命題要求的雙8字軌跡。按命題的小車發(fā)車要求，重物下落至車地盤時，小車能走出25圈完整的雙8字軌跡，驗證了仿真軌跡變化規(guī)律可行性。

4 結論

(1)本文提出采用槽輪機構+曲柄滑塊作為轉向機構的小車行走雙8字軌跡，通過建模和仿真模擬出微調機構參數(shù)數(shù)值。通過數(shù)控機床等設備加工零件，通過實物小車驗證了本設計的正確性。槽輪機構小車能較穩(wěn)定的走出25圈完整的雙8字軌跡。如果減輕小車重量，降低小車傳動和行進過程的摩檫力，能使小車走更多圈數(shù)的雙8字軌跡。

(2)通過軟件仿真和實物小車驗證發(fā)現(xiàn)，調節(jié)機構的b和c有微小變動量時小車軌跡會有較大變化，無法走出理想軌跡。因此，微調機構需要有較高的調節(jié)機構，建議采用精度為0.01mm的微分頭或者精度更高的螺紋副調節(jié)b和c，微分頭有刻度線方便記錄數(shù)據(jù)和對比。

(3)整車微調部分共有兩處，調節(jié)c會變化滑塊作用點和前輪中心距離，可控制小車行走軌跡的圓弧大小；調節(jié)b會使曲柄軸與前輪軸的距離，可調節(jié)前輪左右偏擺方向對稱性。如果調節(jié)機構零件加工精度較低和裝配精度較差會導致變化量在小車行走過程的不穩(wěn)定性，使不容易走出理想軌跡，故應較少不必要的調節(jié)機構，通過實物驗證c值大小可以通過數(shù)值計算和軟件仿真確定，并c值不設計可調節(jié)機構。只保留調節(jié)b調節(jié)結構，前輪左右偏擺方向對稱性能更容易調節(jié)出理想軌跡。

(4)先數(shù)值計算后設計圖紙，在通過三位軟件建模，然后軟件仿真驗證小車行走軌跡正確后，最后在加工制造，能提高小車成功率和較少不必要零件加工，降低成本。