全国大学生工程训练项目

第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛物理与工程技术学院2014年9月22日第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛全国大学生工程训练综合能力竞赛是教育部高等教育司发文举办的全国性大学生科技创新实践竞赛活动，是基于国内各高校综合性工程训练教学平台，为深化实验教学改革，提升大学生工程创新意识、实践能力和团队合作精神，促进创新人才培养而开展的一项公益性科技创新实践活动。参加该比赛，不仅能加强我校学生实践、创新能力和团队精神，而且能让更多的人了解学校，认识兴义。一、 竞赛时间及地点本届竞赛活动从2014年开始，面向全国本科院校，实行校、省、全国三级竞赛制度，全国决赛将在各省选优推荐的基础上开展。贵州赛区预赛时间定在2014年12月中旬，由贵州理工学院承办。全国决赛将于2015年5月在合肥工业大学举行，由合肥工业大学承办。二、 竞赛主题本届竞赛主题为“无碳小车越碍竞赛”要求各参赛队伍经过一定的前期准备后，在比赛现场完成一台符合本命题要求的可运行的机械装置，并进行现场竞争性运行考核。每个参赛作品需要提交相关的设计、工艺、成本分析和工程管理4个文件及长度为3分钟的关于参赛作品设计及制作过程的汇报视频。三、 竞赛对象竞赛活动面向全国各类本科院校四、 参加竞赛活动的目的培养大学生的创新设计意识、综合工程应用能力与团队协作精神，促进学生基础知识与综合能力的培养、理论与实践的有机结合，养成良好的学风，为优秀人才脱颖而出创造条件。五、 竞赛命题本届竞赛命题为“以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车”设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换而得到的。该给定重力势能由竞赛时统一使用质量为1Kg的标准砝码（C50X65mm，碳钢制作）来获得，要求砝码的可下降高度为400±2mm。标准砝码始终由小车承载，不允许从小车上掉落。图1为小车示意图。图1无碳小车示意图要求小车在行走过程中完成所有动作所需的能量均由此给定重力势能转换而得，不可以使用任何其他来源的能量。要求小车具有转向控制机构，且此转向控制机构具有可调节功能，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地。要求小车为三轮结构。具体设计、材料选用及加工制作均由参赛学生自主完成。六、竞赛安排每个参赛队由3名在校本科大学生、1名指导教师和1名领队组成，参加校级、省级和全国竞赛。1、 本校制作参赛队按本竞赛命题的要求，在各自所在的学校内，自主设计，独立制作出一台参赛小车。允许为参赛小车命名，并在参赛小车上制作标识。2、 集中参赛（1） 携带在本校制作完成的小车作品参赛。（2） 报到时提交参赛作品的结构设计方案、工程管理方案、加工工艺方案及成本分析方案共4个文件（分别提交纸质版文件一式2份、电子版文件1份），文件按本竞赛秘书处发布的统一格式编写。（3） 提交1份3分钟的视频，（格式要求：MPEG文件，DVD-PAL4:3,24位，720X576,25fps，音频数据速率448kbps杜比数码音频48KHz），视频的内容是关于本队参赛作品赛前设计及制作过程的汇报及说明。（4） 提交PPT文件1份，内容是阐述小车的设计、制作方案说明及体会。3、 方案文件要求（1）结构设计方案文件完整性要求：小车装配图1幅、要求标注所有小车零件（A3纸1页）；装配爆炸图1幅（所用三维软件自行选用，A3纸1页）；传动机构展开图1幅（A3纸1页）；设计说明书1-2页（A4）。正确性要求：传动原理与机构设计计算正确，选材和工艺合理。创新性要求：有独立见解及创新点。规范性要求：图纸表达完整，标注规范；文字描述准确、清晰。（2）工艺设计方案文件按照中批量（500台/年）的生产纲领，自选作品小车上一个较复杂的零件，完成并提交工艺设计方案报告（A4,2—3页）。要求采用统一的方案文件格式（网上下载）。（3）成本分析方案文件分别按照单台小批量和中批量（500台/年）生产纲领对作品小车产品做成本分析。内容应包含材料成本、加工制造成本两方面（A4,2—3页）。要求采用统一的方案文件格式（网上下载）。（4）工程管理方案文件按照中批量（500台/年）对作品小车产品做生产工程管理方案设计（A4, 2—3页）。要求目标明确，文件完整，计划合理，表达清楚。采用统一的方案文件格式（网上下载）。七、竞赛内容经现场公开抽签，在700〜1300mm范围内产生一个“S”型赛道障碍物间距值，在300〜500mm范围内产生一个“8”字型赛道障碍物间距值。1、参赛小车拆装调试各队选派2名队员，对本队参赛小车上的所有零件进行拆卸，然后，根据公开抽签产生的障碍物间距调整并装配小车。裁判人员根据爆炸图进行检查。拆装工具自带，现场将提供钳工台。如需使用机床加工，可提出申请，经裁判批准，可到车间进行普车、普铣、钻孔等常规加工作业，所需刀具和量具自备。对违反规定的行为按减分法处理。本项竞赛内容应在规定时间内完成，逾时不能进入后续比赛。2、3D打印设计及制作在比赛现场以公开抽签的方式从题库（不提前发布）中抽取一个题目，各队的第三名队员根据此题目独立进行3D设计及打印制作。本项内容应在规定时间内完成，违规减分，逾时不能进入后续比赛。3、“S”型赛道场地常规赛竞赛小车在前行时能够自动绕过赛道上设置的障碍物，如图2。障碍物为直径20mm、高200mm的圆棒，沿赛道中线等距离摆放。以小车前行的距离和成功绕障数量来评定成绩。参加“S”型赛道竞赛的参赛队，用在现场调整装配后的小车，加载由竞赛组委会统一提供的标准砝码，在指定的赛道上进行比赛。赛道宽度为2米，出发端线距第一个障碍及障碍与障碍之间的间距均相同，具体数值由竞赛项目开始时的抽签产生。小车出发位置自定，但不得超过出发端线和赛道边界线。每队小车运行2次，取2次成绩中的最好成绩。I图2无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图小车有效的绕障方法为：小车从赛道一侧越过一个障碍后，整体越过赛道中线且障碍物不被撞倒或推出障碍物定位圆；连续运行，直至小车停止。小车有效的运行距离为：停止时小车最远端与出发线之间的垂直距离。4、“8”字型赛道场地常规赛小车在半张标准乒乓球台（长1525mm、宽1370mm）上,绕两个障碍物按“8”字型轨迹运行。障碍物为直径20mm、长200mm的2个圆棒，相距一定距离放置在半张标准乒乓球台的中线上，该距离由竞赛项目开始时的抽签产生，以小车完成8字绕行圈数的多少来评定成绩，见图3。参加“8”字型赛道竞赛的参赛队，使用在现场调整装配后的小车及组委会统一提供的标准砝码参赛。出发点自定，每队小车运行2次，取2次成绩中最好成绩。一个成功的“8”字绕障轨迹为：两个封闭图形轨迹和轨迹的两次变向交替出现，变向指的是：轨迹的曲率中心从轨迹的一侧变化到另一侧。比赛中，小车需连续运行，直至停止。小车没有绕过障碍、碰倒障碍、将障碍物推出定位圆区域、砝码脱离小车、小车停止或小车掉下球台均视为本次比赛结束。5、场地挑战赛本项比赛为最小障碍物间距挑战赛，分为“S”型赛道和“8”字型赛道两项进行。“S”型赛道，要求完成连续10个障碍物成功绕行，“8”字型赛道，要求完成连续10个完整“8”字绕行。每个参赛队可以报名参加一项挑战赛，挑战赛需提前报名，并提交挑战的最小障碍物间距和按报名最小障碍物间距成功运行的视频记录资料。根据报名成绩排序，按“S”赛项和“8”赛项分别选出10个队进入挑战赛。挑战赛可以使用与常规赛不同的小车，但所用小车应符合本命题要求。完成10个障碍或10个完整“8”字绕行的参赛队，按障碍物最小间距的数值，计算成绩，数值相同时，按完成时间的长短，计算成绩。间距越小，时间越短，成绩越高。八、竞赛开展形式在校内开展校级竞赛，分别对竞赛内容中的1、3、4条竞赛项目进行比试，选择成绩优秀的队伍参加省级竞赛。1、校级竞赛（1） 参与人员指导老师：2〜3人；参赛学生：针对物理学院全体学生，人数控制在20人以内。（2） 时间安排2014年10月上旬完成报名工作；2014年10月下旬完成所有理论设计；2014年11月下旬完成实物制作及校级竞赛。（3） 制作地点要求为了顺利完成比赛，需要一个固定地点来支撑“无碳小车”的制作。（4） 零部件加工轴承类零件可在淘宝网上进行采购。车轴、车轮、车架和传动类零件，由参赛者输出设计图纸，委托外协厂家进行进行加工。2、省级竞赛（1） 参与人员指导老师：2〜3人；参赛学生：选取校内竞赛中成绩最好的两只队伍参与省级竞赛。（2） 时间安排2014年12月中旬参加省级竞赛；校内竞赛结束到省级竞赛，两只参赛队对自己制作的小车进行最后的调试。（3） 竞赛地点贵阳理工学院3、国家级竞赛（1） 参与人员指导老师：2〜3人；参赛学生：在省级竞赛中获得优异成绩的参赛队参与国家级比赛。2）时间安排2015年5月参加国家级竞赛。（3）竞赛地点合肥工业大学。八、“无碳小车”方案设计设计一种将重力势能转换为机械能，并可用来驱动小车行走及转向的装置。无碳小车采用三轮结构。该无碳小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物煤炭是大自然给予人类的一笔宝贵财富，可是由于人们对煤炭的巨大需求，煤炭资源日趋减少近于枯竭。随着人们节能环保意识的提升，无碳的理念也越来越被人们提上研究的课题。更洁净、更环保、更节能、更高效的理念也深入人心。本小车是对“无碳”理念的探索与开发，对未来“无碳”的憧憬。小车构思巧妙，在完成设计的要求下充分考虑了外观和成本等问题，方便以后的扩展和进一步的开发。图4为“无碳小车”实物图。IiL1厌视窗申厶IiL1厌视窗申厶kCq.peD图4无碳小车示意图1、设计理念（1）减轻小车质量，在保证小车运动稳定的前提下尽一切力量减小车身质量，在4J前提下理论上可以行驶更远的距离，同事速度方面也有相应的提高。减轻质量应该至少从两个方面入手：A、对于不需要的结构尽量不要，例如小车的底盘，不需要一个完整的结构，可以只用几根梁组合而成；B、选材上，在满足刚度的前提下，选择密度更小的材料来之多，也能减轻车身的质量。（2） 对车身结构的调整，主要是车身长宽量化方面，以保证小车的前进轨迹更加平滑。从图2中可以看出，如果小车行驶路径越平缓，通过相同障碍数所行驶的路程就越短，小车的有效位移也就越大。（3） 重心调节。调节小车的重心，能使小车运行的更加平稳。（4） 设计可调小车，对于不同的场地环境，有各种变量因素，通过对小车的一些主要参数采用变量控制，在实际竞赛中可以更好的适应场地。2、方案设计通过对竞赛项目的分析，小车需要完成重力势能的转换、驱动自身行走、自动避开障碍物。根据小车所需要完成的功能，可以将小车划分为六个模块进行进行，分别为：车架、原动机构、转动机构，转向机构、行走机构，微调机构。（1） 车架设计车架是承受小车载荷的基础构件，其功用是支撑连接小车的各个零部件，并使它们保持正确的相对位置。对于“无碳小车”，其车身较轻，精度要求也相对要低，因此可采用木材，或者机械性能较好的工程塑料来制作。（2） 原动机构原动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力。能实现这一功能的方案有多种，就效率和简洁性来看，采用绳轮结构最优。小车对原动机构还有其他要求：A、驱动力适中，不至于小车拐弯时速度过大侧翻，或者重块摇晃过大而影响行走；B、到达终点前，重块竖直方向的速度应尽可能的小，避免小车对小车冲击过大，同时使重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进上，如果重块竖直方向的速度较大，重块本身还有较多的动能未释放，能量利用率不高；C、由于不同的场地，对轮子的摩擦不一样，在不同的场地，小车需要的动能也不一样，因此，原动机构还需要能根据不同的需要调整期驱动力；D、原动机构还需要具有结构简单，效率高的特点。（3）传动机构传动机构的的功能是将动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。要使小车行驶的更远，并按设计好的轨道精确行驶，传动机构必需传递效率高，传动稳定、结构简单。以下为3中传动机构的优缺点比较：A、 不使用额外的传动装置，直接由动力轴驱动轮子和转向机构，此种方式效率最高，结构最简单，在不考虑其他条件时，这是最优的选择；B、 带轮具有结构简单，传动平稳，价格低廉、缓冲吸震等特点，但其效率及传动精度不高；C、 齿轮传动具有效率高，结构紧凑，工作可靠，传动比稳定等优点，但价格较高。（4）转向机构转向机构是本小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能实现。转向机构需要尽可能的减小摩擦损耗，具有结构简单，零部件易获得等基本条件。同时还需要有特殊的运动特性。能够将旋转运动转化为满足要求的来回摆动，带动转向轮左右转动而实现转向避障的功能。能实现该功能的结构有：凸轮和摇杆机构、曲柄连杆和摇杆机构、曲柄摇杆机构等。凸轮凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的结构件，它运动时，通过接触副，可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。优点：秩序设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，结构简单、紧凑、设计方便。缺点：凸轮轮廓加工困难。曲柄连杆和摇杆优点：运动副接触磨损较小，制造方便。缺点：一般情况下只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，当给定的运动要求较多或较复杂时，需要的结构件数和运动副数往往比较多，使得结构过于复杂。曲柄摇杆结构简单，但和凸轮一样有一个滑动的摩擦副，效率低。（5）行走机构行走机构即为3个轮子，