Adams在機械原理課程教學中的應用研究★

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計制造及其自動化以及機械電子工程兩個本科專業的一門重要專業基礎課程，在整個專業人才培養目標中起著重要作用[1-2]。機械原理課程的主要學習任務是學習常用機械的組成機構結構、運動、動力分析以及設計，學生能夠掌握機構的構成原理及設計，為后階段“機械設計”“機械制造”等專業課程的學習打好工程理論基礎[3]。

在對常用機械機構進行motion分析的傳統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，可這對學生的數學理論基礎要求較高，結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學編制程序中，效果也不佳，并且求解結果不能直觀地呈現出來。隨著當今時代計算機技術的發展，CAD與CAE也迅速發展，其中CAE下的計算機輔助教學（CAJ）技術也正被各高校應用推廣[4]。CAJ技術涉及很多軟件，其中應用廣泛的有Adams、Pro /E、UG、SolidWorks等，本文以 Adams軟件為計算機輔助教學工具，對機床中主要機構牛頭刨床進行三維建模、動態仿真以及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量，使學生更好地掌握機構的組成原理以及機構設計。

1 分析任務：牛頭刨床機構的運動學分析

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。圖1為刨床導桿機構簡圖。各構件的尺寸為：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 刨床導桿機構簡圖

2 解析法求解牛頭刨床機構運動結果

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：

根據這兩矢量方程的投影方程以及各已知參數，應用計算機進行計算，可得出所求機構的位置線圖、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對牛頭刨床機構進行運動仿真及motion分析

3.1 牛頭刨床機構的三維建模及裝配約束

根據所述刨床導桿機構的結構尺寸在Adams軟件中進行三維實體建模并虛擬裝配。機構中各構件之間的運動幅即約束對整個機構的運動起著重要的作用，所以要對刨床導桿機構進行運動仿真，必須對虛擬裝配完的模型進行施加約束。根據刨床導桿機構的運動特征，其中曲柄1繞著機架6作回轉運動，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軟件有強大的內部自行求解運算控制，只需輸入導桿機構的原動件曲柄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，分別如圖6、圖7和圖8所示。計算結果顯示與用解析法求解的結果基本一致，而用計算機輔助會析機構的運動學明顯簡便。

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 結語

改變傳統的教學方法，引入CAJ教學工具將是機械原理這一門重要專業基礎課的一大改革創新方向，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容，也使教師改變其一成不變的教學方法，突破創新，同時結合CAD/CAE模塊，讓學生學會融合慣通各個專業課程知識的應用，建立機械工程師的整合思維模式。