基于MATLAB的“8”字形无碳小车轨迹仿真及其设计方法.pdf
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1、Sep.JOURNALOFMACHINEDESIGN20232023年9 月No.9Vol.40第40 卷第9 期设机计械基于MATLAB的“8”字形无碳小车轨迹仿真及其设计方法*王广胜,王利锋1 2,焦士辉,王观,王波!(1.重庆三峡学院机械工程学院,重庆404020;2.重庆市轻合金材料与加工工程技术研究中心,重庆404020)摘要:根据第七届全国大学生工程训练综合能力竞赛的要求,文中设计并制造了一种将重力势能转化为机械能并能实现“8 字形轨迹行走的小车。运用UGNX12.0设计无碳小车“8”字形优质理论轨迹。为保证行走轨迹的重复性、防止行走过程的卡顿和翻车,将UCNX12.0得到的点集导
2、入MATLAB进行轨迹仿真,修正影响轨迹的参数,从而获得满足设计要求的凸轮轮廊。采用SoildWorks建立无碳小车的三维模型并对其结构进行分析。小车运行结果表明:小车行走轨迹重复性好,能完成2.5次“8”字形轨迹,顺利绕过30 个障碍桩,行走2 9.5m。该无碳小车结构设计合理,在实际比赛中荣获省级一等奖,轨迹仿真及设计方法适用范围广,对此类工程竞赛及其他机构的设计开发具有较大工程指导意义。关键词:无碳小车;“8”字形;轨迹仿真;凸轮设计中图分类号:TH122文献标识码:A文章编号:1 0 0 1-2 354(2 0 2 3)0 9-0 1 1 5-0 7Track simulation a
3、nd design method of 8-shaped carbon-freecars based on MATLABWANG Guangsheng,WANG Lifeng2,JIAO Shihui,WANG Guan,WANG Bo(1.College of Mechanical Engineering,Chongqing Three Gorges University,Chongqing 404020;2.Chongqing Engineering Technology Research Center for Light Alloy Materials and Processing,Ch
4、ongqing 404020)Abstract:According to the requirements of the 7th National College Students Comprehensive Ability Competition in Engi-neering Training,in this article a carbon-free car is designed and produced which converts the gravity energy into the mechanicalenergy and realizes the 8-shaped track
5、.The UG NX12.O software is applied to design the 8-shaped optimal track of the carbon-free car in theory.In order to ensure that the walking track can be repeated and prevent any stuck and rollover during the walkingprocess,the point set obtained from UG NX12.O is imported into MATLAB for track simu
6、lation,and the parameters affecting thetrack are corrected;as a result,the cam profile which meets the design requirements is worked out.Besides,the three-dimen-sional model of the carbon-free car is built with the help of SoildWorks,and its structure is explored.The car-running results showthat the
7、 car with good repeatability can complete 2.5 times of the 8-shaped track,smoothly bypassing 30 obstacle piles and cover-ing a distance of 29.5 meters.The carbon-free car with reasonable structure design won the first prize at the provincial level in thecompetition;the method of track simulation and
8、 design is widely used,which has significance for design and development of suchengineering competitions and other mechanisms.Key words:carbon-free car;8-shaped;track simulation;cam design收稿日期:2 0 2 1-0 7-0 7;修订日期:2 0 2 3-0 3-1 1:基金项目:重庆市教委科学技术研究项目(KJQN202001208,K JQ N2 0 2 2 0 1 2 41);智能光电系统感知及应用四川
9、省高校重点实验室开放课题资助(ZNGD2211)116机计第40 卷第9 期设械无碳小车具有经济、环保、便利等优点,其在传统能源的取代及提高能量利用率方面具有深远意义。国家教育部举办的以“无碳小车”为命题的全国大学生工程训练综合能力竞赛,旨在通过设计、制造、装配、调试和最终比赛等过程,培养学生分析问题、解决问题的能力,增强理论与实践相结合的创新意识,同时,也能提高大学生的综合实践操作能力,对未来其走向工作岗位有着积极影响。本届大赛与往届的势能驱动车项目相比有了很大变动,对于往届的“直S”1-3和“双8 字4-6 小车运行方式,各大高校参赛队及科研工作者已进行了很多研究,其理论体系比较完善7-8
10、 ,而本届大赛在赛制和小车的运行方面都做了极大的改进和创新,因此,文中对大赛新提出的“8”字形无碳小车的设计过程及方法进行研究探索,希望对后来者有一定的参考价值。1竞赛规则解读1.1竞赛特点及机构的选择设计并制作了一种将重力势能转化为机械能且能实现自主转向的无碳小车。重力势能由1 kg10g的重物下落(30 0 2)mm高度获得。小车运行区域限定在52 0 0 mm2200mm的长方形平面区域内,两块长1 0 0 0 mm的中间隔板位于两条直线段赛道之间,且两块中间隔板之间有1 0 0 0 mm的缺口;沿赛道中心线放置5个障碍桩(共1 2 个桩),障碍桩为20mm200mm的圆棒,从出发线开始
11、按平均间距7 50 mm摆放,小车沿逆时针方向运行。赛道及运行轨迹如图1 所示赛道边界发车线出发方向发车区中间隔板发车区出发方向赛道中心线发车线图1赛道及运行轨迹图从运行轨迹图分析可知,将图1 中的封闭轨迹看作一个周期,与以往比赛相比,小车的行走长度大大增加,且小车前轮摆角不像以前的“S轨迹或双“8”字轨迹那样单一,向一侧转角的最大值也在不断变化,曲柄摇杆机构不能满足设计要求凸轮机构结构紧凑不仅能实现小车行走复杂的轨迹路径,还能对其运动轨迹进行灵活规划,而且稳定性较好,因此,选用凸轮机构9-1 0)O1.2运动轨迹规划原则完成绕桩的“8”字形运动轨迹不是唯一的,图1只是给出一种示例,因此,要对
12、小车的运动轨迹进行规划设计。规划的运动轨迹应满足以下要求:(1)保证小车可以顺利绕障碍桩。(2)“8 字形左右两端的轨迹比较突出,会使凸轮轮廓变化较大,增大了压力角,容易出现卡死现象。因此,要对轨迹两端做圆顺性设计,保证运动轨迹的平顺性、合理性。(3)考虑竞赛中的变桩距情况,规划1 条合理的运动轨迹使小车可以顺利通过所有变桩距的情况1.3基于UGNX12.0的运动轨迹规划规划运动轨迹的传统方法是解析法,通过建立数学模型获取轨迹方程-1 。此方法理论推导繁琐复杂,规划的轨迹柔性较差,不易快速更改轨迹路线。为了快速规划出可变性较强的运动轨迹,运用UGNX12.0对运动轨迹进行规划。具体方法如下:(
13、1)按竞赛规则中的障碍桩数及桩距绘制基于UGNX12.0的仿真赛道;(2)如图2 所示,在仿真赛道上,使用曲线指令模拟规划出小车运行的大致轨迹,然后调整轨迹位置保证运动轨迹曲线间能光滑连接;(3)将UGNX12.0得到的点集导人MATLAB中仿真出小车的运行轨迹,同时,计算得到小车运行轨迹的总长度为1 1 46 4 mm。NXNX12V图2UGNX12.0模拟运动轨迹图1172023年9 月王广胜,等:基于MATLAB的“8无碳小车轨迹仿真及其设计方法2凸轮设计与参数修正2.1凸轮轮廓的确定2.1.1小车的结构简图小车的结构简图如图3所示前轮推杆凸轮轴凸轮RL驱动轴主动轮从动轮L一主动轮与从动
14、轮中平面的距离;一前轮转角;R一前轮转角为一时的转弯半径;k一凸轮内侧平面到前轮轴的垂直距离;d一后轮轴到前轮轴的水平距离;rb一凸轮的基准直径图3小车的结构简图2.1.2凸轮轮廓设计原理要设计凸轮的轮廓需要确定两个参数:凸轮半径及对应的角度,文中就这两个方面的参数确定给出求解方法。(1)凸轮半径的确定。该小车的设计采用凸轮表面与推杆接触的斜推式方式,凸轮半径的确定有以下两种情况:前轮左偏推杆与凸轮的接触形成高副,推杆与凸轮外表面边沿轮廓线接触。首先,要计算对应点的曲率p,从而得到曲率半径为:1R=(1)P进而得到凸轮半径为:(k+1.5)d=Tb(2)R前轮右偏图4为推杆与凸轮接触时前轮右偏
15、图推杆前轮凸轮轴凸轮图4推杆与凸轮接触时前轮右偏图此时推杆与凸轮内表面边沿轮廓线接触,其凸轮半径为:(k+1.5)d=T+R(3)(2)对应角度的确定。小车的轨迹规划完成后,确定总路径长度s,通过算出从起始位置到相应位置的路径长s,确定相应位置的凸轮转角后,也就可以获得相应位置的角度:360(4)S2.2参数修正UGNX12.O得到的点集导人MATLAB中仿真可以得到小车的轨迹和凸轮,此时的仿真结果是在参数随机的情况下设定的,因此,需要先对参数修正进行优化。2.2.1影响凸轮形状的参数斜凸轮形状与凸轮的基准直径有关,越大,凸轮的整体尺寸就会越大,凸轮的起伏就越小,对应的压力角就越小。凸轮形状还
16、与前、后轮轴距d和凸轮内侧平面到前轮轴的垂直距离k有关,前、后轮轴距d越大,凸轮的起伏就越小,推程时的压力角就越小。间距越大,凸轮的起伏就越大,推程的压力角就越大,推杆阻力越大。影响凸轮形状的因素还有凸轮厚度和与凸轮接触的曲面半径,凸轮厚度直接确定为3mm,与凸轮接触的曲面半径设定为1.5mm,即推杆直径为3mm,通过MATLAB和UGNX12.0对凸轮参数进行修正1 4-1 52.2.2参数修正与仿真(1)在MATLAB中,设定k=40mm,r=50mm,d=180mm,得到图5a所示凸轮,该凸轮轮廓有明显起伏,压力角较大。尝试减小k值为30 mm,保持r,和前、后轮轴距d不变,得到图5b所
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