Adams在机械原理课程教学中的应用研究★

李 俏， 伍先明， 王鹏程， 黄永程

（广东理工学院， 广东 肇庆 526100）

引言

“机械原理”是广东理工学院机械设计制造及其自动化以及机械电子工程两个本科专业的一门重要专业基础课程，在整个专业人才培养目标中起着重要作用[1-2]。机械原理课程的主要学习任务是学习常用机械的组成机构结构、运动、动力分析以及设计，学生能够掌握机构的构成原理及设计，为后阶段“机械设计”“机械制造”等专业课程的学习打好工程理论基础[3]。

在对常用机械机构进行motion分析的传统教学方法就是利用图解法与解析法，其中图解法可以简捷直观地了解机构某些位置的运动特性，可是精度不是很高；解析法借助计算机，相对图解法，其求解精度提高，可这对学生的数学理论基础要求较高，结合我院校学生的实际情况以及运用解析法学生花大量时间在数学编制程序中，效果也不佳，并且求解结果不能直观地呈现出来。随着当今时代计算机技术的发展，CAD与CAE也迅速发展，其中CAE下的计算机辅助教学（CAJ）技术也正被各高校应用推广[4]。CAJ技术涉及很多软件，其中应用广泛的有Adams、Pro /E、UG、SolidWorks等，本文以 Adams软件为计算机辅助教学工具，对机床中主要机构牛头刨床进行三维建模、动态仿真以及motion分析，避免了图解法、解析法的缺点，有助于提高学生的学习兴趣和课堂效学质量，使学生更好地掌握机构的组成原理以及机构设计。

1 分析任务：牛头刨床机构的运动学分析

牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床，刨床工作时，由导杆机构1-2-3-4-5带动刨头6和刨刀作往复运动。刨头右行时，刨刀进行切削，称工作行程；刨头左行时，刨刀不切削，称空回行程，此时要求速度较高。因此，刨床采用具有急回特性[5]的导杆机构。图1为刨床导杆机构简图。各构件的尺寸为：l1=125 mm，l3=600 mm，l4=150 mm，原动件1的方位角θ1=0°～360°和等角速度ω1=1 rad/s。此时利用解析法求该机构中各从动件连杆3、4的方位角、角速度和角加速度以及E点的位移、速度和加速度的运动线图。

图1 刨床导杆机构简图

2 解析法求解牛头刨床机构运动结果

如图1所示，先建立一直角坐标系，并标出各杆矢量及其方位角。其中共有四个 θ3，θ4，s3及 sE。为求解需建立两个封闭矢量方程，为此需利用两个封闭图形 ABCA 及 CDEGC，由此可得：

根据这两矢量方程的投影方程以及各已知参数，应用计算机进行计算，可得出所求机构的位置线图、速度线图和加速度线图分别如下页图2、图3和图4所示。

图2 位置线图

图3 速度线图

图4 加速度线图

3 Adams对牛头刨床机构进行运动仿真及motion分析

3.1 牛头刨床机构的三维建模及装配约束

根据所述刨床导杆机构的结构尺寸在Adams软件中进行三维实体建模并虚拟装配。机构中各构件之间的运动幅即约束对整个机构的运动起着重要的作用，所以要对刨床导杆机构进行运动仿真，必须对虚拟装配完的模型进行施加约束。根据刨床导杆机构的运动特征，其中曲柄1绕着机架6作回转运动，导杆3绕着机架6作左右往返摆动以及滑块2在导杆上滑动。所以曲柄1与机架6、曲柄1与导杆3、导杆3与机架6、连杆4与导杆3、连杆4与刨头5之间施加旋转幅；滑块2与导杆3、刨头5与机架6之间施加移动幅。施加约束后建立的仿真模型如图5所示。

3.2 刨刀的motion分析

在Adams软件上进行motion分析，设置分析仿真时间与计算控制后开始仿真。Adams软件有强大的内部自行求解运算控制，只需输入导杆机构的原动件曲柄1的角速度和角位移就可得到牛头刨床各从动件的运动参数，分别如图6、图7和图8所示。计算结果显示与用解析法求解的结果基本一致，而用计算机辅助会析机构的运动学明显简便。

图5 牛头刨床运动仿真模型

图6 导杆3的位置、速度、加速度线图

图7 连杆4的位置、速度、加速度线图

图8 刨头5的位置、速度、加速度线图

4 结语

改变传统的教学方法，引入CAJ教学工具将是机械原理这一门重要专业基础课的一大改革创新方向，这不仅可以使学生更直观地学习被当今学生认为枯燥无味的知识内容，也使教师改变其一成不变的教学方法，突破创新，同时结合CAD/CAE模块，让学生学会融合惯通各个专业课程知识的应用，建立机械工程师的整合思维模式。