定轨运行小车凸轮设计中AI凸轮设计软件的优势及应用

摘要：凸轮机构常运用于自动化和半自动化机械以及控制机构中，随着社会往智能化的不断发展推动了凸轮机构等机械制造的技术性变革。“AI设计”和数据计算技术的加入，让一定轨迹运行小车的凸轮设计无论在质量还是效率上都得到了提升。基于此，本文以定轨运行小车凸轮设计的角度出发，阐述了AI凸轮设计技术的概念，分析了AI凸轮设计软件的优势与应用，希望能为未来凸轮制造以及AI运用提供参考。

关键词：凸轮 AI设计 优势 应用

1、设计背景

1.1 小车运行场地及要求

根据2024年中国大学生工程实践与创新能力大赛新型赛道要求：控制场地尺寸为6000mm×6000mm的矩形，运行经过“长征”路上的红色标志，赛道可视为由多段连续曲线形成，方向大致呈现顺时针，在不超出边界的条件下，从长征的起点“瑞金”出发沿一定轨迹到达长征胜利的最终落脚点“延安”，小车行驶开环路线且需打卡播报。根据场地要求凸轮设计出的路线既需保证小车在有限的场地内完成前进和转向且不重复经过，还要考虑时间条件限制。

1.2 小车的凸轮设计要点

凸轮轮廓是闭合曲线，凸轮转角影响前轮摆角，在行进过程中前轮摆角随凸轮转过的角度连续变化。便于仿真，在实际操作中将凸轮的角度空间分为N等分，每个等分角度对应各个凸轮半径，用N个离散点近似表示整个凸轮轮廓，这样只需要计算一小段凸轮半径，而不用对整个轨迹进行复杂运算[1]。再利用贝塞尔曲线公式拟合，调整小车参数、AI训练参数计算调整轨迹路线准确且平滑。

2、AI凸轮设计的概念简介

AI凸轮设计，顾名思义，就是根据设定参数利用AI算法计算出所需凸轮的各项数据进行设计，通过贝塞尔曲线拟合确定主动轮运动轨迹，把前轮、从动后轮、主动后轮之间的几何关系、各轮斜率、凸轮偏距和基圆半径等参数作为依据绘制出凸轮形状，再通过Matlab进行迭代计算[2]。另外AI凸轮设计具有极强的学习功能，在设计好的基础上，可以根据不同情况优化算法来调整凸轮轮廓的参数，不仅替代了手动迭代过程，缩短设计周期，提高了效率，还能满足各种性能，实现运动规律预测。

3、AI凸轮设计软件的应用意义

一方面，无碳小车应用领域，利用AI算法使凸轮设计的水平提升可以实现传统凸轮测绘的更迭。另一方面，AI凸轮设计软件的推行能够体现AI算法在机械设计上的应用，实现了“机”与“电”的结合，在提高凸轮设计中起到了决胜性作用，为AI凸轮设计软件的推广提供了可行性。

3.1 便于动态运用

AI凸轮设计包括了动态建模、按需优化、算法补偿三个主要环节。AI凸轮设计软件在无碳小车上的应用提升了小车的机械性能和凸轮质量，能够使其根据要求适应不同路线，尤其是对特定轨迹的行驶。AI凸轮设计技术不仅可以根据控制点情况自行分析，结合计算调整型线参数，还能通过后期的软件更新优化提高路线精确度，调试AI权重实现微操细化。此外，AI凸轮设计的电子信息性质，可以同时保存多种运行结果进行对比，满足了不同方式对路线的不同要求。

3.2 可以完善运行系统

使用AI凸轮设计前，根据小车机械结构和路线的情形设计出的凸轮在外表面的平滑度上存在着问题，由于绘制图纸的误差等问题导致凸轮表面残次粗糙、参差不平、拐点斜率过大等因素进而影响着小车转向功能。但AI凸轮设计软件能够有效解决这些问题。AI凸轮设计技术基于目标运动轨迹，逆向运动学优化补偿系统误差[3]，同时AI算法根据控制点曲率、曲率变化度、曲率变化加速度等参数，对数据进行单项高次计算处理、批量梯度下降、数值比较等计算，对路径曲线的处理使整个凸轮系统更加完善。

3.3 有利于减少机械损耗

运动中的加速度突变所引起的惯性冲击导致机械部件疲劳，随着使用时间的增加，会逐渐降低传动效率。在使用AI凸轮设计软件之前，所引起的机械损耗难以避免，即使改进也需要消耗时间成本。AI凸轮设计基于强化学习生成连续高阶导数的运动曲线，利用算法优化凸轮轮廓曲线，使应力沿轨迹均值化分布，可以减少冲击、振动等损耗。

3.4 设计可靠性

AI算法助力下的凸轮设计可以多尺度建模仿真，通过数据计算、数据提取、数据分析、数据优化更新凸轮模型。AI算法的加入可以实现微观材料结构与宏观运动参数的关联，预测场地失效情形，对相应部件进行强化可有效增加设备使用时长。

4、AI凸轮设计软件的一些应用

4.1 应用于工业及自动化生产线的AI凸轮设计电子凸轮技术

AI凸轮设计在工业及自动化生产线的应用深刻改变着传统机械传动的模式，其核心在于将人工智能算法与精密机械结构相联系。随着电子控制的普及，现在的数字化工业及自动化生产中传统机械结构的应用有所减少，但在高速生产且低成本的情形下依旧不可替代，所以加深机械控制结合AI算法计算设计技术的理解是进行以机械与电子结合人工智能化为基础的重点。部分领域采用“电子凸轮”实现柔性化控制。电子凸轮无需物理凸轮，通过软件编程和伺服系统模拟凸轮曲线，灵活可调节地控制运动[4]。为适应不同生产需求，可修改凸轮曲线而无需更换硬件，在AI算法助力下，可以高精度支持复杂运动规律，而依赖于高精度高复杂度柔性化等特性，工业自动化升级需要电子凸轮技术推动，赋予生产智能化潜力。

4.2 在智能制造加工的应用

AI凸轮设计通过将机器学习、实时优化与数字孪生技术融入传统凸轮系统，显著提升了加工精度和生产效率。在智能制造产业链中，AI设计的介入推动着产品高端制造面向智能升级[5]。复杂曲面的凸轮在传统数控下加工容易产生误差，而AI凸轮设计软件基于所需目标点的数据，迭代计算生成最优路径，并且可以结合机电结构调整不同参数。

4.3 AI驱动设计模型的推广

在制造领域，AI凸轮设计软件所用到的算法可以赋予变化形成新一代AI模型，AI驱动设计模型正成为产业智能化升级的核心动力，在已有AI凸轮设计软件技术基础下，可通过架构更多数据实现复杂的设计，实现跨模态跨领域。

5、结语

总而言之，随着“数据+算法”驱动概念的进一步理解，人们对产品的要求逐步提高，渴望通过AI设计的应用实现智能设施框架的完善。因此为满足产品需求，必须借助AI凸轮设计软件的技术力量进行优化升级，发挥设计范式与产业生态重构的巨大作用。

参考文献：

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周彦博，罗强，张益维，等.打卡“长征”路线的无碳小车结构及轨迹仿真设计[J].机械传动，2024，48（05）：75-82.

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