全國大學(xué)生工程訓(xùn)練項(xiàng)目

第四屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽物理與工程技術(shù)學(xué)院2014年9月22日第四屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽是教育部高等教育司發(fā)文舉辦的全國性大學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)踐競賽活動(dòng)，是基于國內(nèi)各高校綜合性工程訓(xùn)練教學(xué)平臺(tái)，為深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提升大學(xué)生工程創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，促進(jìn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)而開展的一項(xiàng)公益性科技創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)。參加該比賽，不僅能加強(qiáng)我校學(xué)生實(shí)踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神，而且能讓更多的人了解學(xué)校，認(rèn)識(shí)興義。一、 競賽時(shí)間及地點(diǎn)本屆競賽活動(dòng)從2014年開始，面向全國本科院校，實(shí)行校、省、全國三級(jí)競賽制度，全國決賽將在各省選優(yōu)推薦的基礎(chǔ)上開展。貴州賽區(qū)預(yù)賽時(shí)間定在2014年12月中旬，由貴州理工學(xué)院承辦。全國決賽將于2015年5月在合肥工業(yè)大學(xué)舉行，由合肥工業(yè)大學(xué)承辦。二、 競賽主題本屆競賽主題為“無碳小車越礙競賽”要求各參賽隊(duì)伍經(jīng)過一定的前期準(zhǔn)備后，在比賽現(xiàn)場完成一臺(tái)符合本命題要求的可運(yùn)行的機(jī)械裝置，并進(jìn)行現(xiàn)場競爭性運(yùn)行考核。每個(gè)參賽作品需要提交相關(guān)的設(shè)計(jì)、工藝、成本分析和工程管理4個(gè)文件及長度為3分鐘的關(guān)于參賽作品設(shè)計(jì)及制作過程的匯報(bào)視頻。三、 競賽對(duì)象競賽活動(dòng)面向全國各類本科院校四、 參加競賽活動(dòng)的目的培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)意識(shí)、綜合工程應(yīng)用能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，促進(jìn)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)與綜合能力的培養(yǎng)、理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，養(yǎng)成良好的學(xué)風(fēng)，為優(yōu)秀人才脫穎而出創(chuàng)造條件。五、 競賽命題本屆競賽命題為“以重力勢能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車”設(shè)計(jì)一種小車，驅(qū)動(dòng)其行走及轉(zhuǎn)向的能量是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由給定重力勢能轉(zhuǎn)換而得到的。該給定重力勢能由競賽時(shí)統(tǒng)一使用質(zhì)量為1Kg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼（C50X65mm，碳鋼制作）來獲得，要求砝碼的可下降高度為400±2mm。標(biāo)準(zhǔn)砝碼始終由小車承載，不允許從小車上掉落。圖1為小車示意圖。圖1無碳小車示意圖要求小車在行走過程中完成所有動(dòng)作所需的能量均由此給定重力勢能轉(zhuǎn)換而得，不可以使用任何其他來源的能量。要求小車具有轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，且此轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)具有可調(diào)節(jié)功能，以適應(yīng)放有不同間距障礙物的競賽場地。要求小車為三輪結(jié)構(gòu)。具體設(shè)計(jì)、材料選用及加工制作均由參賽學(xué)生自主完成。六、競賽安排每個(gè)參賽隊(duì)由3名在校本科大學(xué)生、1名指導(dǎo)教師和1名領(lǐng)隊(duì)組成，參加校級(jí)、省級(jí)和全國競賽。1、 本校制作參賽隊(duì)按本競賽命題的要求，在各自所在的學(xué)校內(nèi)，自主設(shè)計(jì)，獨(dú)立制作出一臺(tái)參賽小車。允許為參賽小車命名，并在參賽小車上制作標(biāo)識(shí)。2、 集中參賽（1） 攜帶在本校制作完成的小車作品參賽。（2） 報(bào)到時(shí)提交參賽作品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、工程管理方案、加工工藝方案及成本分析方案共4個(gè)文件（分別提交紙質(zhì)版文件一式2份、電子版文件1份），文件按本競賽秘書處發(fā)布的統(tǒng)一格式編寫。（3） 提交1份3分鐘的視頻，（格式要求：MPEG文件，DVD-PAL4:3,24位，720X576,25fps，音頻數(shù)據(jù)速率448kbps杜比數(shù)碼音頻48KHz），視頻的內(nèi)容是關(guān)于本隊(duì)參賽作品賽前設(shè)計(jì)及制作過程的匯報(bào)及說明。（4） 提交PPT文件1份，內(nèi)容是闡述小車的設(shè)計(jì)、制作方案說明及體會(huì)。3、 方案文件要求（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案文件完整性要求：小車裝配圖1幅、要求標(biāo)注所有小車零件（A3紙1頁）；裝配爆炸圖1幅（所用三維軟件自行選用，A3紙1頁）；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)展開圖1幅（A3紙1頁）；設(shè)計(jì)說明書1-2頁（A4）。正確性要求：傳動(dòng)原理與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算正確，選材和工藝合理。創(chuàng)新性要求：有獨(dú)立見解及創(chuàng)新點(diǎn)。規(guī)范性要求：圖紙表達(dá)完整，標(biāo)注規(guī)范；文字描述準(zhǔn)確、清晰。（2）工藝設(shè)計(jì)方案文件按照中批量（500臺(tái)/年）的生產(chǎn)綱領(lǐng)，自選作品小車上一個(gè)較復(fù)雜的零件，完成并提交工藝設(shè)計(jì)方案報(bào)告（A4,2—3頁）。要求采用統(tǒng)一的方案文件格式（網(wǎng)上下載）。（3）成本分析方案文件分別按照單臺(tái)小批量和中批量（500臺(tái)/年）生產(chǎn)綱領(lǐng)對(duì)作品小車產(chǎn)品做成本分析。內(nèi)容應(yīng)包含材料成本、加工制造成本兩方面（A4,2—3頁）。要求采用統(tǒng)一的方案文件格式（網(wǎng)上下載）。（4）工程管理方案文件按照中批量（500臺(tái)/年）對(duì)作品小車產(chǎn)品做生產(chǎn)工程管理方案設(shè)計(jì)（A4, 2—3頁）。要求目標(biāo)明確，文件完整，計(jì)劃合理，表達(dá)清楚。采用統(tǒng)一的方案文件格式（網(wǎng)上下載）。七、競賽內(nèi)容經(jīng)現(xiàn)場公開抽簽，在700?1300mm范圍內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)“S”型賽道障礙物間距值，在300?500mm范圍內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)“8”字型賽道障礙物間距值。1、參賽小車拆裝調(diào)試各隊(duì)選派2名隊(duì)員，對(duì)本隊(duì)參賽小車上的所有零件進(jìn)行拆卸，然后，根據(jù)公開抽簽產(chǎn)生的障礙物間距調(diào)整并裝配小車。裁判人員根據(jù)爆炸圖進(jìn)行檢查。拆裝工具自帶，現(xiàn)場將提供鉗工臺(tái)。如需使用機(jī)床加工，可提出申請(qǐng)，經(jīng)裁判批準(zhǔn)，可到車間進(jìn)行普車、普銑、鉆孔等常規(guī)加工作業(yè)，所需刀具和量具自備。對(duì)違反規(guī)定的行為按減分法處理。本項(xiàng)競賽內(nèi)容應(yīng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，逾時(shí)不能進(jìn)入后續(xù)比賽。2、3D打印設(shè)計(jì)及制作在比賽現(xiàn)場以公開抽簽的方式從題庫（不提前發(fā)布）中抽取一個(gè)題目，各隊(duì)的第三名隊(duì)員根據(jù)此題目獨(dú)立進(jìn)行3D設(shè)計(jì)及打印制作。本項(xiàng)內(nèi)容應(yīng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，違規(guī)減分，逾時(shí)不能進(jìn)入后續(xù)比賽。3、“S”型賽道場地常規(guī)賽競賽小車在前行時(shí)能夠自動(dòng)繞過賽道上設(shè)置的障礙物，如圖2。障礙物為直徑20mm、高200mm的圓棒，沿賽道中線等距離擺放。以小車前行的距離和成功繞障數(shù)量來評(píng)定成績。參加“S”型賽道競賽的參賽隊(duì)，用在現(xiàn)場調(diào)整裝配后的小車，加載由競賽組委會(huì)統(tǒng)一提供的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，在指定的賽道上進(jìn)行比賽。賽道寬度為2米，出發(fā)端線距第一個(gè)障礙及障礙與障礙之間的間距均相同，具體數(shù)值由競賽項(xiàng)目開始時(shí)的抽簽產(chǎn)生。小車出發(fā)位置自定，但不得超過出發(fā)端線和賽道邊界線。每隊(duì)小車運(yùn)行2次，取2次成績中的最好成績。I圖2無碳小車在重力勢能作用下自動(dòng)行走示意圖小車有效的繞障方法為：小車從賽道一側(cè)越過一個(gè)障礙后，整體越過賽道中線且障礙物不被撞倒或推出障礙物定位圓；連續(xù)運(yùn)行，直至小車停止。小車有效的運(yùn)行距離為：停止時(shí)小車最遠(yuǎn)端與出發(fā)線之間的垂直距離。4、“8”字型賽道場地常規(guī)賽小車在半張標(biāo)準(zhǔn)乒乓球臺(tái)（長1525mm、寬1370mm）上,繞兩個(gè)障礙物按“8”字型軌跡運(yùn)行。障礙物為直徑20mm、長200mm的2個(gè)圓棒，相距一定距離放置在半張標(biāo)準(zhǔn)乒乓球臺(tái)的中線上，該距離由競賽項(xiàng)目開始時(shí)的抽簽產(chǎn)生，以小車完成8字繞行圈數(shù)的多少來評(píng)定成績，見圖3。參加“8”字型賽道競賽的參賽隊(duì)，使用在現(xiàn)場調(diào)整裝配后的小車及組委會(huì)統(tǒng)一提供的標(biāo)準(zhǔn)砝碼參賽。出發(fā)點(diǎn)自定，每隊(duì)小車運(yùn)行2次，取2次成績中最好成績。一個(gè)成功的“8”字繞障軌跡為：兩個(gè)封閉圖形軌跡和軌跡的兩次變向交替出現(xiàn)，變向指的是：軌跡的曲率中心從軌跡的一側(cè)變化到另一側(cè)。比賽中，小車需連續(xù)運(yùn)行，直至停止。小車沒有繞過障礙、碰倒障礙、將障礙物推出定位圓區(qū)域、砝碼脫離小車、小車停止或小車掉下球臺(tái)均視為本次比賽結(jié)束。5、場地挑戰(zhàn)賽本項(xiàng)比賽為最小障礙物間距挑戰(zhàn)賽，分為“S”型賽道和“8”字型賽道兩項(xiàng)進(jìn)行?！癝”型賽道，要求完成連續(xù)10個(gè)障礙物成功繞行，“8”字型賽道，要求完成連續(xù)10個(gè)完整“8”字繞行。每個(gè)參賽隊(duì)可以報(bào)名參加一項(xiàng)挑戰(zhàn)賽，挑戰(zhàn)賽需提前報(bào)名，并提交挑戰(zhàn)的最小障礙物間距和按報(bào)名最小障礙物間距成功運(yùn)行的視頻記錄資料。根據(jù)報(bào)名成績排序，按“S”賽項(xiàng)和“8”賽項(xiàng)分別選出10個(gè)隊(duì)進(jìn)入挑戰(zhàn)賽。挑戰(zhàn)賽可以使用與常規(guī)賽不同的小車，但所用小車應(yīng)符合本命題要求。完成10個(gè)障礙或10個(gè)完整“8”字繞行的參賽隊(duì)，按障礙物最小間距的數(shù)值，計(jì)算成績，數(shù)值相同時(shí)，按完成時(shí)間的長短，計(jì)算成績。間距越小，時(shí)間越短，成績?cè)礁?。八、競賽開展形式在校內(nèi)開展校級(jí)競賽，分別對(duì)競賽內(nèi)容中的1、3、4條競賽項(xiàng)目進(jìn)行比試，選擇成績優(yōu)秀的隊(duì)伍參加省級(jí)競賽。1、校級(jí)競賽（1） 參與人員指導(dǎo)老師：2?3人；參賽學(xué)生：針對(duì)物理學(xué)院全體學(xué)生，人數(shù)控制在20人以內(nèi)。（2） 時(shí)間安排2014年10月上旬完成報(bào)名工作；2014年10月下旬完成所有理論設(shè)計(jì)；2014年11月下旬完成實(shí)物制作及校級(jí)競賽。（3） 制作地點(diǎn)要求為了順利完成比賽，需要一個(gè)固定地點(diǎn)來支撐“無碳小車”的制作。（4） 零部件加工軸承類零件可在淘寶網(wǎng)上進(jìn)行采購。車軸、車輪、車架和傳動(dòng)類零件，由參賽者輸出設(shè)計(jì)圖紙，委托外協(xié)廠家進(jìn)行進(jìn)行加工。2、省級(jí)競賽（1） 參與人員指導(dǎo)老師：2?3人；參賽學(xué)生：選取校內(nèi)競賽中成績最好的兩只隊(duì)伍參與省級(jí)競賽。（2） 時(shí)間安排2014年12月中旬參加省級(jí)競賽；校內(nèi)競賽結(jié)束到省級(jí)競賽，兩只參賽隊(duì)對(duì)自己制作的小車進(jìn)行最后的調(diào)試。（3） 競賽地點(diǎn)貴陽理工學(xué)院3、國家級(jí)競賽（1） 參與人員指導(dǎo)老師：2?3人；參賽學(xué)生：在省級(jí)競賽中獲得優(yōu)異成績的參賽隊(duì)參與國家級(jí)比賽。2）時(shí)間安排2015年5月參加國家級(jí)競賽。（3）競賽地點(diǎn)合肥工業(yè)大學(xué)。八、“無碳小車”方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一種將重力勢能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并可用來驅(qū)動(dòng)小車行走及轉(zhuǎn)向的裝置。無碳小車采用三輪結(jié)構(gòu)。該無碳小車在前行時(shí)能夠自動(dòng)避開賽道上設(shè)置的障礙物煤炭是大自然給予人類的一筆寶貴財(cái)富，可是由于人們對(duì)煤炭的巨大需求，煤炭資源日趨減少近于枯竭。隨著人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的提升，無碳的理念也越來越被人們提上研究的課題。更潔凈、更環(huán)保、更節(jié)能、更高效的理念也深入人心。本小車是對(duì)“無碳”理念的探索與開發(fā)，對(duì)未來“無碳”的憧憬。小車構(gòu)思巧妙，在完成設(shè)計(jì)的要求下充分考慮了外觀和成本等問題，方便以后的擴(kuò)展和進(jìn)一步的開發(fā)。圖4為“無碳小車”實(shí)物圖。IiL1厭視窗申厶IiL1厭視窗申厶kCq.peD圖4無碳小車示意圖1、設(shè)計(jì)理念（1）減輕小車質(zhì)量，在保證小車運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定的前提下盡一切力量減小車身質(zhì)量，在4J前提下理論上可以行駛更遠(yuǎn)的距離，同事速度方面也有相應(yīng)的提高。減輕質(zhì)量應(yīng)該至少從兩個(gè)方面入手：A、對(duì)于不需要的結(jié)構(gòu)盡量不要，例如小車的底盤，不需要一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)，可以只用幾根梁組合而成；B、選材上，在滿足剛度的前提下，選擇密度更小的材料來之多，也能減輕車身的質(zhì)量。（2） 對(duì)車身結(jié)構(gòu)的調(diào)整，主要是車身長寬量化方面，以保證小車的前進(jìn)軌跡更加平滑。從圖2中可以看出，如果小車行駛路徑越平緩，通過相同障礙數(shù)所行駛的路程就越短，小車的有效位移也就越大。（3） 重心調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)小車的重心，能使小車運(yùn)行的更加平穩(wěn)。（4） 設(shè)計(jì)可調(diào)小車，對(duì)于不同的場地環(huán)境，有各種變量因素，通過對(duì)小車的一些主要參數(shù)采用變量控制，在實(shí)際競賽中可以更好的適應(yīng)場地。2、方案設(shè)計(jì)通過對(duì)競賽項(xiàng)目的分析，小車需要完成重力勢能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)自身行走、自動(dòng)避開障礙物。根據(jù)小車所需要完成的功能，可以將小車劃分為六個(gè)模塊進(jìn)行進(jìn)行，分別為：車架、原動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)，微調(diào)機(jī)構(gòu)。（1） 車架設(shè)計(jì)車架是承受小車載荷的基礎(chǔ)構(gòu)件，其功用是支撐連接小車的各個(gè)零部件，并使它們保持正確的相對(duì)位置。對(duì)于“無碳小車”，其車身較輕，精度要求也相對(duì)要低，因此可采用木材，或者機(jī)械性能較好的工程塑料來制作。（2） 原動(dòng)機(jī)構(gòu)原動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是將重塊的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動(dòng)力。能實(shí)現(xiàn)這一功能的方案有多種，就效率和簡潔性來看，采用繩輪結(jié)構(gòu)最優(yōu)。小車對(duì)原動(dòng)機(jī)構(gòu)還有其他要求：A、驅(qū)動(dòng)力適中，不至于小車拐彎時(shí)速度過大側(cè)翻，或者重塊搖晃過大而影響行走；B、到達(dá)終點(diǎn)前，重塊豎直方向的速度應(yīng)盡可能的小，避免小車對(duì)小車沖擊過大，同時(shí)使重塊的動(dòng)能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)上，如果重塊豎直方向的速度較大，重塊本身還有較多的動(dòng)能未釋放，能量利用率不高；C、由于不同的場地，對(duì)輪子的摩擦不一樣，在不同的場地，小車需要的動(dòng)能也不一樣，因此，原動(dòng)機(jī)構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整期驅(qū)動(dòng)力；D、原動(dòng)機(jī)構(gòu)還需要具有結(jié)構(gòu)簡單，效率高的特點(diǎn)。（3）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的的功能是將動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪上。要使小車行駛的更遠(yuǎn)，并按設(shè)計(jì)好的軌道精確行駛，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必需傳遞效率高，傳動(dòng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單。以下為3中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)比較：A、 不使用額外的傳動(dòng)裝置，直接由動(dòng)力軸驅(qū)動(dòng)輪子和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，此種方式效率最高，結(jié)構(gòu)最簡單，在不考慮其他條件時(shí)，這是最優(yōu)的選擇；B、 帶輪具有結(jié)構(gòu)簡單，傳動(dòng)平穩(wěn)，價(jià)格低廉、緩沖吸震等特點(diǎn)，但其效率及傳動(dòng)精度不高；C、 齒輪傳動(dòng)具有效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，傳動(dòng)比穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格較高。（4）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本小車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)需要盡可能的減小摩擦損耗，具有結(jié)構(gòu)簡單，零部件易獲得等基本條件。同時(shí)還需要有特殊的運(yùn)動(dòng)特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回?cái)[動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向避障的功能。能實(shí)現(xiàn)該功能的結(jié)構(gòu)有：凸輪和搖桿機(jī)構(gòu)、曲柄連桿和搖桿機(jī)構(gòu)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)等。凸輪凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的結(jié)構(gòu)件，它運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過接觸副，可以使從動(dòng)件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預(yù)期往復(fù)運(yùn)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：秩序設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，便可使從?dòng)件得到任意的預(yù)期運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計(jì)方便。缺點(diǎn)：凸輪輪廓加工困難。曲柄連桿和搖桿優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)副接觸磨損較小，制造方便。缺點(diǎn)：一般情況下只能近似實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或運(yùn)動(dòng)軌跡，當(dāng)給定的運(yùn)動(dòng)要求較多或較復(fù)雜時(shí)，需要的結(jié)構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)副數(shù)往往比較多，使得結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。曲柄搖桿結(jié)構(gòu)簡單，但和凸輪一樣有一個(gè)滑動(dòng)的摩擦副，效率低。（5）行走機(jī)構(gòu)行走機(jī)構(gòu)即為3個(gè)輪子，