全國大學生工程訓練項目

第四屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽物理與工程技術學院2014年9月22日第四屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽全國大學生工程訓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生科技創(chuàng)新實踐競賽活動，是基于國內各高校綜合性工程訓練教學平臺，為深化實驗教學改革，提升大學生工程創(chuàng)新意識、實踐能力和團隊合作精神，促進創(chuàng)新人才培養(yǎng)而開展的一項公益性科技創(chuàng)新實踐活動。參加該比賽，不僅能加強我校學生實踐、創(chuàng)新能力和團隊精神，而且能讓更多的人了解學校，認識興義。一、 競賽時間及地點本屆競賽活動從2014年開始，面向全國本科院校，實行校、省、全國三級競賽制度，全國決賽將在各省選優(yōu)推薦的基礎上開展。貴州賽區(qū)預賽時間定在2014年12月中旬，由貴州理工學院承辦。全國決賽將于2015年5月在合肥工業(yè)大學舉行，由合肥工業(yè)大學承辦。二、 競賽主題本屆競賽主題為“無碳小車越礙競賽”要求各參賽隊伍經(jīng)過一定的前期準備后，在比賽現(xiàn)場完成一臺符合本命題要求的可運行的機械裝置，并進行現(xiàn)場競爭性運行考核。每個參賽作品需要提交相關的設計、工藝、成本分析和工程管理4個文件及長度為3分鐘的關于參賽作品設計及制作過程的匯報視頻。三、 競賽對象競賽活動面向全國各類本科院校四、 參加競賽活動的目的培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新設計意識、綜合工程應用能力與團隊協(xié)作精神，促進學生基礎知識與綜合能力的培養(yǎng)、理論與實踐的有機結合，養(yǎng)成良好的學風，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“以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車”設計一種小車，驅動其行走及轉向的能量是根據(jù)能量轉換原理，由給定重力勢能轉換而得到的。該給定重力勢能由競賽時統(tǒng)一使用質量為1Kg的標準砝碼（C50X65mm，碳鋼制作）來獲得，要求砝碼的可下降高度為400±2mm。標準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作所需的能量均由此給定重力勢能轉換而得，不可以使用任何其他來源的能量。要求小車具有轉向控制機構，且此轉向控制機構具有可調節(jié)功能，以適應放有不同間距障礙物的競賽場地。要求小車為三輪結構。具體設計、材料選用及加工制作均由參賽學生自主完成。六、競賽安排每個參賽隊由3名在校本科大學生、1名指導教師和1名領隊組成，參加校級、省級和全國競賽。1、 本校制作參賽隊按本競賽命題的要求，在各自所在的學校內，自主設計，獨立制作出一臺參賽小車。允許為參賽小車命名，并在參賽小車上制作標識。2、 集中參賽（1） 攜帶在本校制作完成的小車作品參賽。（2） 報到時提交參賽作品的結構設計方案、工程管理方案、加工工藝方案及成本分析方案共4個文件（分別提交紙質版文件一式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），視頻的內容是關于本隊參賽作品賽前設計及制作過程的匯報及說明。（4） 提交PPT文件1份，內容是闡述小車的設計、制作方案說明及體會。3、 方案文件要求（1）結構設計方案文件完整性要求：小車裝配圖1幅、要求標注所有小車零件（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）；傳動機構展開圖1幅（A3紙1頁）；設計說明書1-2頁（A4）。正確性要求：傳動原理與機構設計計算正確，選材和工藝合理。創(chuàng)新性要求：有獨立見解及創(chuàng)新點。規(guī)范性要求：圖紙表達完整，標注規(guī)范；文字描述準確、清晰。（2）工藝設計方案文件按照中批量（500臺/年）的生產(chǎn)綱領，自選作品小車上一個較復雜的零件，完成并提交工藝設計方案報告（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小批量和中批量（500臺/年）生產(chǎn)綱領對作品小車產(chǎn)品做成本分析。內容應包含材料成本、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/年）對作品小車產(chǎn)品做生產(chǎn)工程管理方案設計（A4, 2—3頁）。要求目標明確，文件完整，計劃合理，表達清楚。采用統(tǒng)一的方案文件格式（網(wǎng)上下載）。七、競賽內容經(jīng)現(xiàn)場公開抽簽，在700?1300mm范圍內產(chǎn)生一個“S”型賽道障礙物間距值，在300?500mm范圍內產(chǎn)生一個“8”字型賽道障礙物間距值。1、參賽小車拆裝調試各隊選派2名隊員，對本隊參賽小車上的所有零件進行拆卸，然后，根據(jù)公開抽簽產(chǎn)生的障礙物間距調整并裝配小車。裁判人員根據(jù)爆炸圖進行檢查。拆裝工具自帶，現(xiàn)場將提供鉗工臺。如需使用機床加工，可提出申請，經(jīng)裁判批準，可到車間進行普車、普銑、鉆孔等常規(guī)加工作業(yè)，所需刀具和量具自備。對違反規(guī)定的行為按減分法處理。本項競賽內容應在規(guī)定時間內完成，逾時不能進入后續(xù)比賽。2、3D打印設計及制作在比賽現(xiàn)場以公開抽簽的方式從題庫（不提前發(fā)布）中抽取一個題目，各隊的第三名隊員根據(jù)此題目獨立進行3D設計及打印制作。本項內容應在規(guī)定時間內完成，違規(guī)減分，逾時不能進入后續(xù)比賽。3、“S”型賽道場地常規(guī)賽競賽小車在前行時能夠自動繞過賽道上設置的障礙物，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)量來評定成績。參加“S”型賽道競賽的參賽隊，用在現(xiàn)場調整裝配后的小車，加載由競賽組委會統(tǒng)一提供的標準砝碼，在指定的賽道上進行比賽。賽道寬度為2米，出發(fā)端線距第一個障礙及障礙與障礙之間的間距均相同，具體數(shù)值由競賽項目開始時的抽簽產(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。每隊小車運行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行走示意圖小車有效的繞障方法為：小車從賽道一側越過一個障礙后，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)運行，直至小車停止。小車有效的運行距離為：停止時小車最遠端與出發(fā)線之間的垂直距離。4、“8”字型賽道場地常規(guī)賽小車在半張標準乒乓球臺（長1525mm、寬1370mm）上,繞兩個障礙物按“8”字型軌跡運行。障礙物為直徑20mm、長200mm的2個圓棒，相距一定距離放置在半張標準乒乓球臺的中線上，該距離由競賽項目開始時的抽簽產(chǎn)生，以小車完成8字繞行圈數(shù)的多少來評定成績，見圖3。參加“8”字型賽道競賽的參賽隊，使用在現(xiàn)場調整裝配后的小車及組委會統(tǒng)一提供的標準砝碼參賽。出發(fā)點自定，每隊小車運行2次，取2次成績中最好成績。一個成功的“8”字繞障軌跡為：兩個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變化到另一側。比賽中，小車需連續(xù)運行，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均視為本次比賽結束。5、場地挑戰(zhàn)賽本項比賽為最小障礙物間距挑戰(zhàn)賽，分為“S”型賽道和“8”字型賽道兩項進行?！癝”型賽道，要求完成連續(xù)10個障礙物成功繞行，“8”字型賽道，要求完成連續(xù)10個完整“8”字繞行。每個參賽隊可以報名參加一項挑戰(zhàn)賽，挑戰(zhàn)賽需提前報名，并提交挑戰(zhàn)的最小障礙物間距和按報名最小障礙物間距成功運行的視頻記錄資料。根據(jù)報名成績排序，按“S”賽項和“8”賽項分別選出10個隊進入挑戰(zhàn)賽。挑戰(zhàn)賽可以使用與常規(guī)賽不同的小車，但所用小車應符合本命題要求。完成10個障礙或10個完整“8”字繞行的參賽隊，按障礙物最小間距的數(shù)值，計算成績，數(shù)值相同時，按完成時間的長短，計算成績。間距越小，時間越短，成績越高。八、競賽開展形式在校內開展校級競賽，分別對競賽內容中的1、3、4條競賽項目進行比試，選擇成績優(yōu)秀的隊伍參加省級競賽。1、校級競賽（1） 參與人員指導老師：2?3人；參賽學生：針對物理學院全體學生，人數(shù)控制在20人以內。（2） 時間安排2014年10月上旬完成報名工作；2014年10月下旬完成所有理論設計；2014年11月下旬完成實物制作及校級競賽。（3） 制作地點要求為了順利完成比賽，需要一個固定地點來支撐“無碳小車”的制作。（4） 零部件加工軸承類零件可在淘寶網(wǎng)上進行采購。車軸、車輪、車架和傳動類零件，由參賽者輸出設計圖紙，委托外協(xié)廠家進行進行加工。2、省級競賽（1） 參與人員指導老師：2?3人；參賽學生：選取校內競賽中成績最好的兩只隊伍參與省級競賽。（2） 時間安排2014年12月中旬參加省級競賽；校內競賽結束到省級競賽，兩只參賽隊對自己制作的小車進行最后的調試。（3） 競賽地點貴陽理工學院3、國家級競賽（1） 參與人員指導老師：2?3人；參賽學生：在省級競賽中獲得優(yōu)異成績的參賽隊參與國家級比賽。2）時間安排2015年5月參加國家級競賽。（3）競賽地點合肥工業(yè)大學。八、“無碳小車”方案設計設計一種將重力勢能轉換為機械能，并可用來驅動小車行走及轉向的裝置。無碳小車采用三輪結構。該無碳小車在前行時能夠自動避開賽道上設置的障礙物煤炭是大自然給予人類的一筆寶貴財富，可是由于人們對煤炭的巨大需求，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“無碳”理念的探索與開發(fā)，對未來“無碳”的憧憬。小車構思巧妙，在完成設計的要求下充分考慮了外觀和成本等問題，方便以后的擴展和進一步的開發(fā)。圖4為“無碳小車”實物圖。IiL1厭視窗申厶IiL1厭視窗申厶kCq.peD圖4無碳小車示意圖1、設計理念（1）減輕小車質量，在保證小車運動穩(wěn)定的前提下盡一切力量減小車身質量，在4J前提下理論上可以行駛更遠的距離，同事速度方面也有相應的提高。減輕質量應該至少從兩個方面入手：A、對于不需要的結構盡量不要，例如小車的底盤，不需要一個完整的結構，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，也能減輕車身的質量。（2） 對車身結構的調整，主要是車身長寬量化方面，以保證小車的前進軌跡更加平滑。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） 重心調節(jié)。調節(jié)小車的重心，能使小車運行的更加平穩(wěn)。（4） 設計可調小車，對于不同的場地環(huán)境，有各種變量因素，通過對小車的一些主要參數(shù)采用變量控制，在實際競賽中可以更好的適應場地。2、方案設計通過對競賽項目的分析，小車需要完成重力勢能的轉換、驅動自身行走、自動避開障礙物。根據(jù)小車所需要完成的功能，可以將小車劃分為六個模塊進行進行，分別為：車架、原動機構、轉動機構，轉向機構、行走機構，微調機構。（1） 車架設計車架是承受小車載荷的基礎構件，其功用是支撐連接小車的各個零部件，并使它們保持正確的相對位置。對于“無碳小車”，其車身較輕，精度要求也相對要低，因此可采用木材，或者機械性能較好的工程塑料來制作。（2） 原動機構原動機構的作用是將重塊的重力勢能轉化為小車的驅動力。能實現(xiàn)這一功能的方案有多種，就效率和簡潔性來看，采用繩輪結構最優(yōu)。小車對原動機構還有其他要求：A、驅動力適中，不至于小車拐彎時速度過大側翻，或者重塊搖晃過大而影響行走；B、到達終點前，重塊豎直方向的速度應盡可能的小，避免小車對小車沖擊過大，同時使重塊的動能盡可能的轉化到驅動小車前進上，如果重塊豎直方向的速度較大，重塊本身還有較多的動能未釋放，能量利用率不高；C、由于不同的場地，對輪子的摩擦不一樣，在不同的場地，小車需要的動能也不一樣，因此，原動機構還需要能根據(jù)不同的需要調整期驅動力；D、原動機構還需要具有結構簡單，效率高的特點。（3）傳動機構傳動機構的的功能是將動力和運動傳遞到轉向機構和驅動輪上。要使小車行駛的更遠，并按設計好的軌道精確行駛，傳動機構必需傳遞效率高，傳動穩(wěn)定、結構簡單。以下為3中傳動機構的優(yōu)缺點比較：A、 不使用額外的傳動裝置，直接由動力軸驅動輪子和轉向機構，此種方式效率最高，結構最簡單，在不考慮其他條件時，這是最優(yōu)的選擇；B、 帶輪具有結構簡單，傳動平穩(wěn)，價格低廉、緩沖吸震等特點，但其效率及傳動精度不高；C、 齒輪傳動具有效率高，結構緊湊，工作可靠，傳動比穩(wěn)定等優(yōu)點，但價格較高。（4）轉向機構轉向機構是本小車設計的關鍵部分，直接決定著小車的功能實現(xiàn)。轉向機構需要盡可能的減小摩擦損耗，具有結構簡單，零部件易獲得等基本條件。同時還需要有特殊的運動特性。能夠將旋轉運動轉化為滿足要求的來回擺動，帶動轉向輪左右轉動而實現(xiàn)轉向避障的功能。能實現(xiàn)該功能的結構有：凸輪和搖桿機構、曲柄連桿和搖桿機構、曲柄搖桿機構等。凸輪凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的結構件，它運動時，通過接觸副，可以使從動件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預期往復運動。優(yōu)點：秩序設計適當?shù)耐馆嗇喞?，便可使從動件得到任意的預期運動，結構簡單、緊湊、設計方便。缺點：凸輪輪廓加工困難。曲柄連桿和搖桿優(yōu)點：運動副接觸磨損較小，制造方便。缺點：一般情況下只能近似實現(xiàn)給定的運動規(guī)律或運動軌跡，當給定的運動要求較多或較復雜時，需要的結構件數(shù)和運動副數(shù)往往比較多，使得結構過于復雜。曲柄搖桿結構簡單，但和凸輪一樣有一個滑動的摩擦副，效率低。（5）行走機構行走機構即為3個輪子，