基于SolidWorks的無碳小車運動軌跡分析

倪莉, 朱雪明, 謝朝慧, 王子杰, 曹剛, 尹常澤

（江漢大學a.機電與建筑工程學院；b. 工程訓練中心，武漢430000）

0 引 言

無碳小車作為大學生工程訓練綜合能力競賽命題，能有效培養參賽學生運用專業知識進行設計及制作的能力。參賽小車的設計多根據競賽要求，通過解析法來建立小車的尺寸及運動軌跡數學模型，然后借助于軟件進行仿真。此種仿真方法雖對小車制作能夠起到一定作用，但由于數學模型未考慮實際環境因素（如材料特性、摩擦力、機械效率等），則仿真結果有可能同實際運行情況存在誤差[1]。為此，本文提出一種基于SolidWorks 三維建模的仿真方案，通過對運動機構及運行環境的仿真，為小車的設計和制作提供可靠的依據。

1 運動要求分析

根據比賽規則，要求無碳小車按照“雙8 字”軌跡繞樁運行，各樁間距（350±50）mm，軌跡規則圖如圖1 所示。

圖1 “雙8 字”軌跡示意圖

規則要求無碳小車的動力為1 kg 砝碼下落400 mm 產生的重力勢能，且由機械結構完成小車的轉向控制。因此，無碳小車在運行過程中必須高效且穩定才能保證小車運行時間長且軌跡一致[2]。基于此思路，本文探尋了一種基于SolidWorks Motion 的無碳小車虛擬樣機裝配、調試、仿真及最終指導實際制作的設計與制作流程。

2 小車的建模與裝配

使用SolidWorks 建模及裝配完成無碳小車的三維模型，建模完成圖如圖2 所示。無碳小車采用了典型的三輪車布局結構，前部為轉向輪，后輪分為主動輪和從動輪。小車主要由驅動機構（砝碼、定比滑輪）、轉向機構（凸輪、推桿）、傳動機構（齒輪組）及行走機構（主動輪、從動輪）等部分構成[3]。

無碳小車在運行時，砝碼通過細繩和定比滑輪將重力勢能傳導至凸輪軸，凸輪軸通過齒輪組驅動后驅動輪旋轉使小車前進。同時凸輪軸帶動凸輪同步旋轉推動推桿使小車轉向，從而完成小車在向前運行的同時進行轉向的運動需求。

3 運動仿真

3.1 運動仿真方案

考慮到理論計算同實際制作的差別，設計尺寸的不確定性及參數給定錯誤等因素，仿真過程可能會遇到各種情況，例如運行錯誤、軌跡錯誤等。為此考慮設計了一種虛擬仿真設計方案，流程如圖3 所示。

3.2 虛擬樣機模型的建模

圖2 無碳小車結構圖

為了提高仿真運算的效率，需要對小車三維模型進行一定程度的“簡化”，具體來講就是在不改變小車整體幾何尺寸的基礎上盡量減少仿真模型的特征數量及裝配體的零件數量，虛擬樣機建模如圖4 所示。可從以下三方面進行：1）取消小車的砝碼部件，通過設置旋轉馬達實現前進動力；2）取消所有標準件，盡量精簡零件并將多個零件合成一個零件；3）可將齒輪簡化為圓柱體，通過設置齒輪傳動配合實現各齒輪間的傳動關系[4]；4）根據實際情況將零件材料設置為6061 鋁合金。

圖3 運動仿真方案流程圖

3.3 添加裝配約束、驅動馬達及設置仿真環境參數

根據無碳小車的運動原理分析，小車的運動主要由2部分組成，即由凸輪-推桿-前輪的轉向機構和齒輪組-驅動輪-從動輪的前進機構，且兩部分的運行動力皆來源于驅動軸的旋轉運動。

通過對驅動軸設置驅動馬達來模擬驅動軸被砝碼帶動旋轉所產生的動力，SolidWorks Motion 中可設置直線馬達和旋轉馬達，而旋轉馬達又有多種驅動形式[5]。本次仿真中選擇等速旋轉馬達作為驅動方式，如圖5 所示。

凸輪同驅動軸固連且同步旋轉，推桿為從動件，為保證運行正常需設置凸輪同推桿為實體接觸，如圖6（a）所示。除設置小車自身參數外，還需要為小車的運行設置一塊“地面”，且“地面”與小車的三輪間為實體接觸[6]，如圖6（b）所示。

圖5 驅動馬達設置

圖6 約束及仿真參數設置

3.4 SolidWorks Motion運動軌跡分析

根據小車的設計，調節L1的伸長量可改變軌跡重合度，調節L2的伸長量可改變小車的軌跡長度（如圖7）。通過對無碳小車1 個運行周期的模擬，以小車質心在X、Y 平面上的運行坐標值作為數據輸出位移曲線后[7]，即可對本次模擬情況進行比對。

經過多次模擬，得出的數據如表1 所示。

圖7 推桿伸長量L1，凸輪安裝的軸向尺寸L2

表1 運動仿真結果

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

圖8 運動仿真軌跡結果

從圖中結果可分析出，在保證軌跡重合的基礎上，通過改變L1、L2的尺寸可對無碳小車的運行軌跡進行有效調整。小車運行軌跡在能完成“雙8 字”繞圈的同時，確保3 個障礙樁的間距能在（350±50）mm 的尺寸范圍內調整，為后續小車的實物制作與調試提供了理論依據。

4 實際裝調驗證

經過零件的機械加工與多次裝配調整，無碳小車實物如圖9 所示。為了保證尺寸測量的準確，在L1、L2處安裝微分筒進行精確調整，每次運行前記錄數據。經實測，虛擬仿真數據同小車實際運行數據匹配。基于此方案設計并制作的無碳小車參加了“第六屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽”湖北賽區預賽，并取得“雙8字”軌跡單次運行28 圈，總分排名第2 的成績。

圖9 無碳小車實物圖

5 結 語

通過對“雙8 字”繞障要求進行分析，初步規劃理論運動軌跡，并設計了小車結構。使用SolidWorks Motion 對無碳小車運行軌跡進行了仿真分析，此設計方案符合比賽規則。驗證了設計完成后進行運動仿真的必要性，同時此方法對于研究機械機構的運動規律具有一定的參考價值和指導意義。