新型无碳小车凸轮的设计与仿真.pdf

年第 期新型无碳小车凸轮的设计与仿真庄宏军,姜逸渊(长春光华学院,吉林 长春 )摘要:工程训练大赛新型S环型赛道的无碳小车设计,虽然方案有很多种,用控制变量法是最简单直接的方案.此次新型S环型赛道是一次全新的项目,除了考验无碳小车零件制作精度和装配精度外,还要解决按照大赛给出的参数让小车完成规律绕桩的动作.在确定无碳小车的基本结构和运动规律后,借助于软件和相应的参数就能推导出控制变量法最重要的零件凸轮,凸轮也是此方案成功与否的关键.关键词:无碳小车;凸轮设计;轨迹仿真;软件应用;S环型赛道中图分类号:T P 文献标识码:A文章编号:X()D e s i g na n dS i m u l a t i o no faN e wT y p eo fE n g i n e e r i n gT r o l l e yC a mZ h u a n gH o n g j u n,J i a n gY i y u a n(C h a n g c h u nG u a n g h u aU n i v e r s i t y,J i l i nC h a n g c h u n )A b s t r a c t:E n g i n e e r i n gt r o l l e yd e s i g no f an e wt y p eS r i n gr a c e t r a c kf o re n g i n e e r i n gt r a i n i n gc o m p e t i t i o n,a l t h o u g ht h e r ea r em a n ya l t e r n a t i v e s,t h ec o n t r o lv a r i a b l em e t h o di st h es i m p l e s ta n dm o s ts t r a i g h t f o r w a r d T h en e ws r i n gt r a c k i san e wp r o j e c t,i na d d i t i o nt o t e s t i n gt h ee n g i n e e r i n gc a rp a r t sm a n u f a c t u r i n ga c c u r a c ya n da s s e m b l ya c c u r a c y,b u t a l s o i na c c o r d a n c ew i t ht h ep a r a m e t e r sg i v e n i nt h e r a c e t oc o m p l e t e t h ec a r r o u n dt h ep i l em o v e m e n t A f t e rd e t e r m i n i n gt h eb a s i cs t r u c t u r ea n dm o t i o nl a wo f t h ee n g i n e e r i n gt r o l l e y,t h em o s t i m p o r t a n tp a r t c a mo f t h ec o n t r o l v a r i a b l em e t h o dc a nb ed e d u c e dw i t ht h eh e l po f s o f t w a r ea n dc o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r s K e yw o r d s:E n g i n e e r i n gt r o l l e y;C AMd e s i g n;T r a j e c t o r ys i m u l a t i o n;S o f t w a r ea p p l i c a t i o n;S r i n gr a c e t r a c k作者简介:庄宏军(),男,吉林长春人,满族,实验师,本科学历,机械工程及自动化.无碳小车的前进动能是来自标准的 K G重锤的重力势能,重锤从距小车底板 mm高度下落,利用事先绕好的线带动主动轴转动,驱动小车向前运动.转向机构是小车的关键部分,利用凸轮和摇杆机构可以实现结构简单,结构紧凑的转向装置,更换不同参数的凸轮即可得到不同的运动轨迹,不仅传动链短,能耗少,调整也较为方便.设计思路在m a t l a b软件上实现从小车的空间避障运动到前轮转角的转变,进而结合具体结构,推算出凸轮的理论形状同时确定小车行走的理论轨迹.先确定小车的前轮轴到后轮轴的垂直距离,还要确定主动轮偏距.确定了以上两个数据后,再对传动比、齿轮齿数、模数、后轮半径等数据进行参数化,经过参数化设计的方法仿真得到最终理想凸轮的形状.凸轮推程的推导是设计的关键内容,一般先固定好前轮转角.由于双的轨迹是沿中心对称的,所以只需要设计半个双的轨迹就可以设计出理想凸轮.我们先将凸轮按角度均等分成若干份,即凸轮每转过份为(/N),主动轮走过的距离为L T,软件中的精度取 .设置小车起始点坐标为(,)即发车点,主动轮平行于各桩连线向前.若已知前轮转角、主动轮与各桩连线(对称轴)的夹角、主动轮偏距e L、前后轴距离A、节点距离L T等参数,则下一节点的坐标就可以推算出来,通过这种方法,不断地迭代就可以推算得出点O的行走轨迹.计算公式如图所示:图如图的轨迹所示,由于轨迹中心不对称,故凸轮每转过一圈,小车需走出一个环S,前轮转向需经历左转和右转有规律的交替转换过程.考虑到前轮在向左和向右转动时的曲线一定要顺滑并且曲率连续,在设计小车的前轮转角曲线时,用正弦曲线实现小车左转到右转的过渡,且设置小车在右转和左转时前轮转角为圆弧轨迹,达到平内燃机与配件w w w n r j p j c n顺和连续的目的.图我们要实现的主要任务是将小车的起点坐标设置为(m,m),起始方向如图所示,计算出凸轮的理想轨迹,使其转向移动轨迹不但能达到平滑过渡,两个双轨迹能实现完美衔接,行走过程中,保证后轴中点与各个障碍物以及极限位置的距离保持一致,避免或减小与障碍物的接触距离.为调出满足上述要求的曲线,我们需要提前设置前轮转角曲线的几个参数:主正弦曲线的幅值a、b、c、d、e 能调整小车向左或向右转角度的大小;各段曲线节点数(N,N,N,N,N,N,N,N,N )能调整小车左转和右转时走过的距离,节点数越多,越趋近理想的轨迹,但计算量就越大.通过调节以上几个参数,可以得到当设置参数如下所示,小车的轨迹最为理想.节点数N ;N ;N ;N ;N ;N;N ;N ;N ;N ;N(N N N N N N N N N );前轮转角各段曲线幅值a ;b ;c ;d ;e;此时小车的前轮转角曲线图所示:前轮转角确定后,通过设置凸轮偏距,基圆半径R 以及与凸轮接触的轴的直径d a,即可推算出凸轮的推程,进而得到理论凸轮的形状如图所示.要想推导出后轮的直径,只需先设置好传动i.此时图图得到的直径可能为非整数,节点数量直接影响仿真的精度和效率,通过对节点数进行调整和比对,就可以得到自己想要的尺寸数据,一般应选取整数,方便以后的参数化及加工制造.通过调整后获得的前轮传动比为i 时,后轮的直径尺寸为 mm因考虑此传动比较大,不适合直接使用,经过重新二级传动处理后的数据为,传动参数取i,i ,齿轮模数为,齿数z 和z 为 齿,z 为 齿,z 为 齿.值得一提的是,理论凸轮要想直接用到小车上还需要进行进一步的优化,必需要解决凸轮的推程最大点,还有凸轮动力轴和凸轮外轮廓的理想接触点与实际接触点均不在相同位置点的问题,众所周知,利用椭圆轮廓对理论凸轮轮廓进行包络,在其内的线就是实际我们所需的凸轮轮廓.确定参数经m a t l a b仿真或自行设计得 到 的 小 车 参 数 如 图所示:图 年第 期轨迹仿真M a t l a b轨迹仿真所使用的方式为交换替代的方法.将之前设计好的参数输入到软件中,仿真过程为从小车起点位置开始,先将总的路程轨迹平均分成若干份,逐步交换替代出下一节点的坐标,以此类推进而仿真出整个行走轨迹.仿真目标为主动轮、后轴中心、前轮和从动轮的移动轨迹,具体的轨迹仿真步骤如下:经以上分析可知小车的部分确定参数如下:前后轴距离为A、前轮与主动轮的偏距e L、小车移动过程曲率为p、凸轮转动一个周期时的主动轮移动距离为L.小车的车身倾角为,前轮转角为.其中,前轮转角 a r c t a n(小车移动过程曲率前后轴距离).将路程轨迹分为N份后,每两个节点间主动轮前进的距离就等于凸轮转动一个周期时的主动轮移动距离/N,那么,每两节点间后轴中心前进的距离l l y/(pe L),从动轮前进的距离l zl y(pe L)/(pe L),前轮前进的距离为l q l/c o s().确定两个节点间的距离后,便可在软件上开始轨迹的仿真,那么后轴中心的轨迹仿真方法就是,先设置小车后轴中心的初始点为(m,m),此时小车车身水平向下()根据小车结构参数求得主动轮、从动轮和前轮的初始坐标,采用交换替代的方法进行轨迹求解,其方法如下:车身倾角:(i)(i)l(i)p(i)后轴中心横坐标:x(i)x(i)l(i)c o s(i)后轴中心纵坐标:y(i)y(i)l(i)s i n(i)对上述步骤循环若干次后,即可得到凸轮旋转一周的仿真轨迹.小车的前轮行走轨迹,在仿真时还要充分考虑前轮转角对其轨迹的影响,所以在车身倾角后加上前轮转角后再进行轨迹求解就能达到预期目的.求解所得 的 前 轮、主 动 轮、从 动 轮 仿 真 轨 迹 如 图所示:图轨迹仿真程序如下所示:pt a n(s i t a)/A;后轮中心曲率l h o u l/(pe L);每转过 /N,点经过的距离l q/c o s(s i t a);下一步前轮的移动距离l z h o u l (p )/(p e L);下一步左轮的移动距离l yz e r o s(,(N);下一步右轮的移动距离f o r i:(N);l y(i)h o u l;e n d绘制轨迹xz e r o s(,(M);yz e r o s(,(I);后轮中点各节点坐标x();y();x zz e r o s(,N);y z z e r o s(,N);左轮各节点坐标x z();y z();左轮起始出发点x yz e r o s(,N);y yz e r o s(,N);右轮各节点坐标x y();y y();右轮起始出发点x qz e r o s(,N);y qz e r o s(,N);前轮各节点坐标x q();y q();前轮起始出发点p h iz e r o s(,(N);p h i()p i/p i x w u c h a/;后轮中心圆心角仿真代码如图所示:图p l o t(x,y);a x i se q u a l;h o l do n;后轴中点轨迹p l o t(x q,y q);a x i se q u a l;h o l do n;前轮轨迹p l o t(x y,y y);a x i se q u a l;h o l do n;右轮轨迹p l o t(x z,y z);a x i se q u a l;h o l do n;左轮轨迹通过专业软件的设计和仿真,能对我们提出的设想提供有力的理论支撑,模拟运动轨迹和实际运动轨迹基本相符,达到了预期目标,也可以利用该设计思路,根据不同赛道参数要求去推导理想的凸轮轮廓.另外,由于加工和装配精度的影响,为了保证小车的最终理想轨迹,我们后期也可对凸轮进行简单修整校正,使其达到理想效果.参考文献:朱桂成张小奇环“S”型势能无碳小车设计与仿真J现代机械,():姜国振宋敬敬刘钰杰 e t a l 基于重力势能驱动S环形小车 设 计 与 制 作 J南 方 农 机,():彭潇潇欧友良邹权 e ta l 基于MA T L A B的S环形无碳小车的凸轮设计研究 ():