Adams在機械原理課程教學中的應(yīng)用研究★

李 俏， 伍先明， 王鵬程， 黃永程

（廣東理工學院， 廣東 肇慶 526100）

引言

“機械原理”是廣東理工學院機械設(shè)計制造及其自動化以及機械電子工程兩個本科專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，在整個專業(yè)人才培養(yǎng)目標中起著重要作用[1-2]。機械原理課程的主要學習任務(wù)是學習常用機械的組成機構(gòu)結(jié)構(gòu)、運動、動力分析以及設(shè)計，學生能夠掌握機構(gòu)的構(gòu)成原理及設(shè)計，為后階段“機械設(shè)計”“機械制造”等專業(yè)課程的學習打好工程理論基礎(chǔ)[3]。

在對常用機械機構(gòu)進行motion分析的傳統(tǒng)教學方法就是利用圖解法與解析法，其中圖解法可以簡捷直觀地了解機構(gòu)某些位置的運動特性，可是精度不是很高；解析法借助計算機，相對圖解法，其求解精度提高，可這對學生的數(shù)學理論基礎(chǔ)要求較高，結(jié)合我院校學生的實際情況以及運用解析法學生花大量時間在數(shù)學編制程序中，效果也不佳，并且求解結(jié)果不能直觀地呈現(xiàn)出來。隨著當今時代計算機技術(shù)的發(fā)展，CAD與CAE也迅速發(fā)展，其中CAE下的計算機輔助教學（CAJ）技術(shù)也正被各高校應(yīng)用推廣[4]。CAJ技術(shù)涉及很多軟件，其中應(yīng)用廣泛的有Adams、Pro /E、UG、SolidWorks等，本文以 Adams軟件為計算機輔助教學工具，對機床中主要機構(gòu)牛頭刨床進行三維建模、動態(tài)仿真以及motion分析，避免了圖解法、解析法的缺點，有助于提高學生的學習興趣和課堂效學質(zhì)量，使學生更好地掌握機構(gòu)的組成原理以及機構(gòu)設(shè)計。

1 分析任務(wù)：牛頭刨床機構(gòu)的運動學分析

牛頭刨床是一種用于平面切削加工的機床，刨床工作時，由導桿機構(gòu)1-2-3-4-5帶動刨頭6和刨刀作往復運動。刨頭右行時，刨刀進行切削，稱工作行程；刨頭左行時，刨刀不切削，稱空回行程，此時要求速度較高。因此，刨床采用具有急回特性[5]的導桿機構(gòu)。圖1為刨床導桿機構(gòu)簡圖。各構(gòu)件的尺寸為：l1=125 mm，l3=600 mm，l4=150 mm，原動件1的方位角θ1=0°～360°和等角速度ω1=1 rad/s。此時利用解析法求該機構(gòu)中各從動件連桿3、4的方位角、角速度和角加速度以及E點的位移、速度和加速度的運動線圖。

圖1 刨床導桿機構(gòu)簡圖

2 解析法求解牛頭刨床機構(gòu)運動結(jié)果

如圖1所示，先建立一直角坐標系，并標出各桿矢量及其方位角。其中共有四個 θ3，θ4，s3及 sE。為求解需建立兩個封閉矢量方程，為此需利用兩個封閉圖形 ABCA 及 CDEGC，由此可得：

根據(jù)這兩矢量方程的投影方程以及各已知參數(shù)，應(yīng)用計算機進行計算，可得出所求機構(gòu)的位置線圖、速度線圖和加速度線圖分別如下頁圖2、圖3和圖4所示。

圖2 位置線圖

圖3 速度線圖

圖4 加速度線圖

3 Adams對牛頭刨床機構(gòu)進行運動仿真及motion分析

3.1 牛頭刨床機構(gòu)的三維建模及裝配約束

根據(jù)所述刨床導桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸在Adams軟件中進行三維實體建模并虛擬裝配。機構(gòu)中各構(gòu)件之間的運動幅即約束對整個機構(gòu)的運動起著重要的作用，所以要對刨床導桿機構(gòu)進行運動仿真，必須對虛擬裝配完的模型進行施加約束。根據(jù)刨床導桿機構(gòu)的運動特征，其中曲柄1繞著機架6作回轉(zhuǎn)運動，導桿3繞著機架6作左右往返擺動以及滑塊2在導桿上滑動。所以曲柄1與機架6、曲柄1與導桿3、導桿3與機架6、連桿4與導桿3、連桿4與刨頭5之間施加旋轉(zhuǎn)幅；滑塊2與導桿3、刨頭5與機架6之間施加移動幅。施加約束后建立的仿真模型如圖5所示。

3.2 刨刀的motion分析

在Adams軟件上進行motion分析，設(shè)置分析仿真時間與計算控制后開始仿真。Adams軟件有強大的內(nèi)部自行求解運算控制，只需輸入導桿機構(gòu)的原動件曲柄1的角速度和角位移就可得到牛頭刨床各從動件的運動參數(shù)，分別如圖6、圖7和圖8所示。計算結(jié)果顯示與用解析法求解的結(jié)果基本一致，而用計算機輔助會析機構(gòu)的運動學明顯簡便。

圖5 牛頭刨床運動仿真模型

圖6 導桿3的位置、速度、加速度線圖

圖7 連桿4的位置、速度、加速度線圖

圖8 刨頭5的位置、速度、加速度線圖

4 結(jié)語

改變傳統(tǒng)的教學方法，引入CAJ教學工具將是機械原理這一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課的一大改革創(chuàng)新方向，這不僅可以使學生更直觀地學習被當今學生認為枯燥無味的知識內(nèi)容，也使教師改變其一成不變的教學方法，突破創(chuàng)新，同時結(jié)合CAD/CAE模塊，讓學生學會融合慣通各個專業(yè)課程知識的應(yīng)用，建立機械工程師的整合思維模式。