基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)械原理輔助教學(xué)研究

孫健

[摘 要]機(jī)械原理是高校機(jī)械類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課，是一門以機(jī)器和機(jī)構(gòu)為主要研究對象的課程。為滿足復(fù)合型機(jī)械應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需要，將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械原理教學(xué)中，可以在授課過程中對各種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性進(jìn)行直觀的演示，使學(xué)生們觀察到模型的虛擬運(yùn)動及主要參數(shù)的變化規(guī)律，就像做實際的物理試驗一樣，能夠很好地改善教學(xué)效果，提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的積極性，加深學(xué)生對課程的理解，從而提高了教學(xué)效果和質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械原理 機(jī)構(gòu) 虛擬樣機(jī)技術(shù) 運(yùn)動分析

[中圖分類號] TH111-4 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2015）03-0125-03

應(yīng)用型職業(yè)人才教育是社會發(fā)展與科技進(jìn)步的產(chǎn)物，也是社會職業(yè)崗位分化發(fā)展的結(jié)果，它以培養(yǎng)高等技術(shù)應(yīng)用型人才為目的。機(jī)械原理是高校機(jī)械類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課，是一門以機(jī)器和機(jī)構(gòu)為主要研究對象的課程。它較理論、材料力學(xué)等理論課程更結(jié)合工程實際，同時，它又與專業(yè)的機(jī)械課程不同，其不具體研究某種特定機(jī)械，而是研究各種機(jī)械中的共性問題，并對常用的機(jī)械機(jī)構(gòu)的工作原理進(jìn)行深入的探討。對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析是貫穿于這門課程的主線，具有知識點多而難的特點，在課堂的教學(xué)過程中常涉及到較多的理論分析計算以及機(jī)械運(yùn)動方案的設(shè)計實現(xiàn)等問題，由于理論教學(xué)占用了大量的時間，往往使學(xué)生對課堂教學(xué)的興趣越來越少，導(dǎo)致教學(xué)效果較差。為滿足復(fù)合型工程技術(shù)人員培養(yǎng)的需要，需要對傳統(tǒng)的以理論教學(xué)為主的機(jī)械原理課程教學(xué)進(jìn)行有意的改革探索。現(xiàn)有的改革成果更多的把重點放在教學(xué)體系和內(nèi)容的調(diào)整上，但該課程與工程實際結(jié)合較緊密，具有較強(qiáng)的實踐性，而在校學(xué)生往往缺乏工程應(yīng)用背景，這就要求在課堂理論教學(xué)過程中將知識點與實際的機(jī)構(gòu)運(yùn)動相結(jié)合，幫助學(xué)生理解機(jī)械結(jié)構(gòu)原理以及在工程中的應(yīng)用。這樣才能提高機(jī)械原理課程的教學(xué)效果。為此，本文結(jié)合具體案例，借助現(xiàn)代化多媒體教學(xué)手段，充分利用機(jī)械設(shè)計、仿真等軟件，直觀的實現(xiàn)對機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，以及機(jī)械的綜合性能分析，充分的提高學(xué)生的理解力，調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性。

一、虛擬樣機(jī)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

學(xué)生學(xué)習(xí)水平分為兩個層面，初級層面由基本知識，原理和定律組成，這些知識比較抽象；高級層面是指有關(guān)知識應(yīng)用的能力，通過一些案例分析和實際問題解決活動過程，分析各知識之間關(guān)系的復(fù)雜性，達(dá)到靈活應(yīng)用知識來解決問題。機(jī)械原理課程理論性強(qiáng)、內(nèi)容較抽象，僅憑文字說明、理論公式及大腦的想象，學(xué)生很難對機(jī)械機(jī)構(gòu)的原理和運(yùn)動有清晰地認(rèn)識。傳統(tǒng)的教學(xué)方法是靠教師的講解使機(jī)構(gòu)動起來，一些多媒體課件也是停留在預(yù)設(shè)一些動畫的水平上，缺少互動性。而機(jī)構(gòu)是運(yùn)動著的，在課堂上如何讓分析的機(jī)構(gòu)運(yùn)動起來，是提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與掌握相關(guān)知識點的關(guān)鍵。虛擬樣機(jī)技術(shù)是隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展，形成的一項應(yīng)用廣泛地計算機(jī)輔助工程技術(shù)。虛擬樣機(jī)通過計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)對機(jī)械模型的數(shù)字化建模并進(jìn)行分析，能夠快速方便的實現(xiàn)機(jī)械原理教學(xué)中對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真分析，仿真現(xiàn)實下機(jī)械機(jī)構(gòu)的工作特性，并能實現(xiàn)多軟件聯(lián)合仿真分析。例如，可利用PROE強(qiáng)大的造型、變參和裝配等功能，幫助學(xué)生進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計，并導(dǎo)入到動力學(xué)分析軟件中進(jìn)行運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)分析，再現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動。把理論教學(xué)和實際的機(jī)構(gòu)運(yùn)動展示結(jié)合起來，提高學(xué)生對本門課程的理解，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。

二、虛擬樣機(jī)技術(shù)教學(xué)應(yīng)用案例

本文以牛頭刨床為例，在教學(xué)過程中靈活運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)來講解其運(yùn)動特征，直觀再現(xiàn)牛頭刨床的工作過程，同時分析牛頭刨床各從動件的運(yùn)動規(guī)律，教學(xué)效果較好。

（一）牛頭刨床的機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析

牛頭刨床是一種靠刀具的往復(fù)直線運(yùn)動及工作臺的間歇運(yùn)動來完成工件的平面切削加工的機(jī)床。牛頭刨床工作時，由導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)2-3-4-5-6帶動刨刀和刨頭做往復(fù)運(yùn)動，刨頭向左時，刨刀進(jìn)行切削，此行程稱作工作行程；刨頭右行時，刨刀不切削，稱空回行程，且要求工作行程的移動速度低于空行程速度，即刨刀有急回現(xiàn)象，機(jī)構(gòu)簡圖如圖1所示。

根據(jù)如圖1所示的牛頭刨床機(jī)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，一般采用解析法對其進(jìn)行運(yùn)動分析，為求解各從動件的方位角、角速度和角加速度以及刨頭的運(yùn)動學(xué)參數(shù)，需要建立封閉矢量方程，并列出其投影方程進(jìn)行求解。課堂教學(xué)過程中，理論推算過程較繁瑣，學(xué)生較難理解實物的真正運(yùn)動情況。下面，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，運(yùn)用PROE_ADAMS聯(lián)合仿真技術(shù)直觀的再現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動情況，并能輸出各種運(yùn)動曲線，輔助課堂教學(xué)，效果較好。

（二）PROE_ADAMS聯(lián)合仿真技術(shù)

ADAMS軟件在機(jī)械系統(tǒng)仿真分析中應(yīng)用廣泛，包含功能強(qiáng)大的零件庫、約束庫和力庫，其求解器具有的強(qiáng)有力數(shù)值分析功能，并基于多體系統(tǒng)動力學(xué)理論的拉格朗日方程，能夠自動建立系統(tǒng)的動力學(xué)方程，準(zhǔn)確、快速的求解機(jī)械系統(tǒng)的各種靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)問題，并能以圖形和曲線等可視化方式顯示計算結(jié)果。

雖然ADAMS / View有零件庫、約束庫、力庫等功能，能夠用于機(jī)械系統(tǒng)幾何模型的創(chuàng)建，但它所提供的實體建模能力并不是很強(qiáng)，所以目前常用的方法是用專業(yè)的CAD軟件和專業(yè)的動力學(xué)仿真分析軟件進(jìn)行聯(lián)合建模仿真，即先用專業(yè)的三維建模軟件精確建立機(jī)械系統(tǒng)各零件的實體模型和裝配模型，然后把裝配模型導(dǎo)入到動力學(xué)仿真分析軟件中，并根據(jù)實際工況添加適當(dāng)?shù)募s束、驅(qū)動和載荷，最終形成機(jī)械系統(tǒng)的動力學(xué)仿真模型，再對其進(jìn)行仿真分析。本文采用MSC公司提供的PRO / E和ADAMS專用接口模塊MECH / PRO實現(xiàn)其兩者之間的數(shù)據(jù)傳遞。

MECH / PRO是美國MSC公司開發(fā)的用來聯(lián)接三維實體建模軟件PRO / E與多體動力學(xué)仿真分析軟件ADAMS的專用接口模塊。MECH / PRO允許用戶在PRO / E環(huán)境下定義機(jī)械系統(tǒng)剛體、施加約束和驅(qū)動，將裝配體按照設(shè)計的運(yùn)動形式定義為機(jī)構(gòu)，并且可以利用ADAMS的求解器進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析，使PRO / E用戶不必退出其應(yīng)用環(huán)境，就能對系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)仿真，并校驗干涉情況、確定運(yùn)動鎖止位置。

（三）機(jī)構(gòu)建模

根據(jù)所分析牛頭刨床機(jī)構(gòu)的各組成部分建立其三維實體模型并進(jìn)行虛擬裝配。各構(gòu)件尺寸如下：l1=125mm；l3=600mm；l4=150mm；l6=175mm；lH=575mm。原動件1的方位角θ1=0°～360°，并以等角速度ω1=1rad / s旋轉(zhuǎn)。

（四）施加約束

施加約束就是確定零部件之間的依附關(guān)系及相對運(yùn)動關(guān)系，這是進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析重要的一點，約束施加的正確與否直接影響分析的準(zhǔn)確性和仿真結(jié)果。根據(jù)圖1所示牛頭刨床的結(jié)構(gòu)，在曲柄1和地面、曲柄1和滑塊2、連桿3和地面、連桿3和連桿4、以及連桿4和連桿5之間施加旋轉(zhuǎn)副，滑塊2和連桿3之間施加移動副，連桿5與固定坐標(biāo)系間施加移動副，在曲柄1上施加驅(qū)動，設(shè)置角速度為1rad / s，建立的仿真模型如圖2所示。

（五）仿真計算

在軟件界面上設(shè)置仿真時間和仿真步數(shù)，設(shè)置完成后點擊即可開始仿真。Adams求解器會根據(jù)設(shè)定自行求解運(yùn)算，得到牛頭刨床各從動件的運(yùn)動學(xué)參數(shù)，還能獲得計算過程中每一步的信息，并在窗口上動態(tài)顯示機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程。圖3和圖4分別為連桿3和連桿4的的方位角、角速度和角加速度曲線，圖5為刨頭的位移、速度和加速度曲線。

通過虛擬樣機(jī)技術(shù)，直觀模擬了機(jī)構(gòu)的真實運(yùn)動，讓學(xué)生真正體會和認(rèn)識到了理論公式的真正含義，加深了對機(jī)構(gòu)工作原理的掌握。同時，通過仿真，還可得到各從動件的運(yùn)動曲線，了解各從動件的運(yùn)動情況，使學(xué)生能夠在系統(tǒng)的水平上真實預(yù)測機(jī)械機(jī)構(gòu)的工作性能。

三、結(jié)論

為滿足復(fù)合型機(jī)械應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需要，將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械原理教學(xué)中，可以在授課過程中對各種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性進(jìn)行直觀的演示，使學(xué)生們觀察到模型的虛擬運(yùn)動及主要參數(shù)的變化規(guī)律，就像做實際的物理試驗一樣，能夠很好地改善教學(xué)效果，提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的積極性，加深學(xué)生對課程的理解，從而提高了教學(xué)效果和質(zhì)量。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 陳文華等.ADAMS2007機(jī)構(gòu)設(shè)計與分析范例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2] 王湘.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)械原理課程設(shè)計教學(xué)探索[J].廣西大學(xué)學(xué)報，2007，9：345-347.

[3] 杜岳峰，朱忠祥.毛恩榮等.基于ADAMS的丘陵山地小型玉米收獲機(jī)仿真[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2011，11：1-5.

[4] 武艷慧.ADAMS在機(jī)械原理機(jī)構(gòu)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古石油化工，2010，15：89-91.

[責(zé)任編輯：張 雷]