基于Motion分析的无碳小车凸轮逆向设计方法.pdf
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1、1SJul.2023JOURNALOFMACHINEDESIGN2023年月No.7Vol.40机第4 0 卷第7 期设计械基于Motion分析的无碳小车凸轮逆向设计方法刘洋洋1,黄文涛,郑耀辉,安耀慧(1.沈阳航空航天大学工程训练中心,辽宁沈阳110136;2.沈阳航空航天大学机电工程学院,辽宁沈阳110136;3.沈阳航空航天大学航空宇航学院,辽宁沈阳110136)摘要:全国大学生工程训练综合能力竞赛中,无碳小车凸轮的设计是使小车走出理想轨迹的关键。文中根据分析出的理想轨迹,设计了一套基于SolidWorksMotion软件分析的凸轮逆向设计方法。考虑到小车运动轨迹不能出现曲率突变,首先,
2、基于样条曲线设计了理想轨迹,建模并装配小车逆向分析模型,采用Motion逆向分析出凸轮的理论廊线和实际廊线,对完成的凸轮进行Motion仿真检验。结果表明:该设计方法能够设计出符合精度要求的凸轮。这种凸轮逆向设计方法不仅可以应对基础的环S形轨迹,还可以适用更高难度的混合轨迹及变化的赛题。关键词:Motion分析;无碳小车;凸轮廊线;运动仿真;逆向中图分类号:TH122文献标识码:A文章编号:10 0 1-2 354(2 0 2 3)0 7-0 0 33-0 6everse design method of carbon-free car cam based on Motion analysLI
3、U Yangyang,HUANG Wentao,ZHENG Yaohui?,AN Yaohui?(1.College of Electrical Mechanical Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang,Liaoning 110136;2.Engineering Training Center,Shenyang Aerospace University,Shenyang,Liaoning 110136;3.College of Aeronautics and Astronautics,Shenyang Aerospace Uni
4、versity,Shenyang,Liaoning 110136)Abstract:In the National Undergraduate Engineering Training Integration Ability Competition,the design of carbon-free carcam is the key to make the car run an ideal path line.According to the ideal trajectory analyzed,this article presents a carbon-free car cam rever
5、se design method based on SolidWorks Motion analysis.Since the curvature mutation can not appear in the traj-ectory of the car,firstly,the ideal trajectory is designed based on spline,and then the reverse analysis model of the car was es-tablished and assembled.The theoretical profile and actual pro
6、file of CAM are analyzed based on Motion analysis.Through theMotion simulation of the cam,the reverse design method is successful to design the cam meeting the requirements of precision.This reverse CAM design method can not only deal with the basic loop S trajectory,but also can be adopted to the m
7、ixed trajectorywith higherdifficultyand future competition.Key words:Motion analysis;carbon-free car;cam profile;Motion simulation;reverse中国大学生工程实践与创新能力大赛是全国大学生工程训练综合能力竞赛的升级和完善。其中,对工程基础赛道的“S”形轨迹和“8 字形轨迹进行了全面的升级,同时,难度也较上次有了显著的提升,小车转向机构的设计也变得越来越复杂,参赛选手需要花费*收稿日期:2 0 2 2-11-10;修订日期:2 0 2 3-0 1-11基金项目:辽宁
8、省教育厅系列项目基础研究项目(JYT2020073)大量时间在转向机构的设计上。现有的设计方法大多是先通过各种曲线函数构建轨迹方程,再基于轨迹方程计算小车转向机构的复杂数据,最后,通过软件仿真验证轨迹。这些设计方法虽然能得到转向机构的确切参数,但设计过程运用了大量的公式,计算过程复杂繁34机计设械第4 0 卷第7 期琐,且没有考虑机构之间复杂的作用力对小车的影响。例如,孙国鑫等门针对影响小车轨迹的多个参数进行计算并导人MATLAB软件进行凸轮机构的设计,再进行忽略摩擦力影响的受力仿真;李元良等2 通过轨迹逆向计算凸轮的廓线参数并进行求解,代人MATLAB程序进行仿真;张楷等3、梁国栋等4 和徐
9、东镇等5 的设计方法中都大量使用了复杂的公式和方程来计算参数,且仿真过程不考虑力的影响。基于以上问题,文中介绍了一种基于Motion分析的无碳小车凸轮逆向设计方法,从设计理想轨迹出发,运用SolidWorksMotion软件逆向分析计算出传动比和凸轮的理论廓线,采用理论廓线建立凸轮模型,最后,再次采用Motion分析对整个小车进行仿真验证,使小车走出预定轨迹并验证方法的准确性。文中所设计的方法具有很强的适用性,能够应对赛题的变化,并且还能运用在其他机械的凸轮设计上,具有一定的应用前景和价值。1赛题解读与分析文中以四桩环S轨迹为研究对象,如图1所示,赛道中间等距放置4 个障碍桩,赛道两端各放置一
10、个障碍桩,共计10 个桩。比赛开始时,中间两根障碍桩同向变距,变化范围为-30 0 +30 0 mm。3000边界挡板发车线300+300出发方向中间隔板R550发车区赛道中心线21000发车区出发方向垂直中心线5200图1赛道俯视图1.1赛题特点及机构的选择图1中,赛题规划了2 个发车区和相应的出发方向,2 个发车区对轨迹和发车的要求完全一致。以从右上角发车区发车为研究对象,小车有两种发车方式:第1种是车头向上,从第1个桩上方绕过,然后,依次绕过其他桩;第2 种是车头向右发车,从第1个桩下方绕过,然后,依次绕过其他桩(图2)。出发方间发车区发车区出发方向出发方间发车区发车区五发方向图2小车两
11、种发车方式从两种发车方式的轨迹来看,小车运行1圈为1个周期。在1个周期中,小车需要绕过10 个障碍桩,穿过10 次赛道中心线,最少需要变换9次方向。根据这一轨迹特点,可以选择不完全齿轮机构和盘形凸轮机构。但是,由于需要多次变向,不完全齿轮上需要多段正常轮齿和锁止弧,不仅加工难度大,而且存在速度突变和刚性冲击。不完全齿轮机构的正常轮齿段的弧度是有级调节,对于小车的理想轨迹的设计提出了极高的要求。而盘形凸轮机构可以设置多段推程和回程以实现小车复杂的变向,对赛题的适配性极佳1.2运行轨迹的规划对于轨迹的规划,以往的参赛者6-8 大多使用多段圆弧和直线构成理想轨迹。经过连接后的曲线会存在很多的曲率突变
12、处,反映在凸轮上就会出现压力角为90 的台阶。为了实现轨迹的可行性,就需要在连接处增加正弦曲线 或其他已知表达式的曲线10 作为过渡曲线。然而,一方面能够适配理想轨迹的表达式很难找到,且需要大量的计算和验证时间;另一方面,为了使轨迹的曲率变化更平滑,往往需要损失轨迹曲线的安全性,使曲线与障碍桩或赛台边缘挡板之间的距离减小,造成小车在运行过程中更易碰撞障碍桩,且经过几圈的运行后,误差的累积会使小车碰撞中间挡板或边缘挡板而结束比赛样条曲线具有连续光滑且曲率均匀变化的特点,十分适用于小车的轨迹设定。在SolidWorks软件草图环境中,绘制赛台和障碍桩,并在赛台上各个障碍桩之352023年7 月刘洋
13、洋,等:基于Motion分析的无碳小车凸轮逆向设计方法间选取理想轨迹的特征点,使用样条曲线命令,将特征点作为样条曲线的拟合点,依次连接各个特征点建立封闭的样条曲线,保证曲线与障碍桩和挡板之间有一定的安全距离。若曲线中出现曲率较大的区域,需调整拟合点的相切和曲率控标,使整条曲线的曲率变化平滑,避免小车无法转弯或容易发生倾倒。调整后的样条曲线即为小车的理想轨迹,如图3所示。整条理想轨迹无曲率突变和曲率半径很大的区域,适合盘形凸轮的设计,且设计过程无繁琐的计算和大量的曲线方程。图3小车理想轨迹2小车凸轮廓线逆向分析基于SolidWorksMotion软件的逆向分析法从理想轨迹出发,结合赛题对小车的基
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