潘金坤

南京工程學(xué)院 江蘇南京 211167

ADAMS在機(jī)械設(shè)計(jì)綜合實(shí)踐課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

潘金坤

南京工程學(xué)院 江蘇南京 211167

將虛擬樣機(jī)技術(shù)引入機(jī)械設(shè)計(jì)綜合實(shí)踐課程設(shè)計(jì)中，以插床機(jī)械系統(tǒng)為例，利用ADAMS軟件建立導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型，并對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)；用ADAMS軟件進(jìn)行課程設(shè)計(jì)精確、快捷、方便、直觀，課程設(shè)計(jì)達(dá)到了滿意的效果。

機(jī)械設(shè)計(jì)綜合實(shí)踐課程設(shè)計(jì)；ADAMS；運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)仿真；優(yōu)化設(shè)計(jì)

Abstract: Introduce virtual prototyping technology to mechanical design and comprehensive applied curriculum design, take slotting mechanical system as example, establish guided bar oriented parameter model by virtue of ADAMS software, and carry out motion, dynamic simulation as well as optimization design over the model; it will be accurate, fast, convenient and visible by using ADAMS software to design curriculum, and contribute to reach satisfactory effect.

Key words: mechanical design and comprehensive applied curriculum design; ADAMS; motion, dynamic simulation; optimization design

機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生必修的兩門技術(shù)基礎(chǔ)課程。這兩門課程在教學(xué)過程中均有實(shí)踐性環(huán)節(jié)，分別為機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)，課程設(shè)計(jì)能夠培養(yǎng)機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新能力，是學(xué)生綜合運(yùn)用機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)課程所學(xué)的理論知識(shí)解決實(shí)際問題，獲得工程技術(shù)訓(xùn)練的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。

目前機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)是各自獨(dú)立、自成一體的，這就割裂了二者之間的有機(jī)聯(lián)系。為了對(duì)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)訓(xùn)練，形成整機(jī)設(shè)計(jì)理念，我們將這2門課程設(shè)計(jì)結(jié)合起來，統(tǒng)稱為機(jī)械設(shè)計(jì)綜合實(shí)踐課程設(shè)計(jì)。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的完整過程出發(fā)，編排課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，做到課程設(shè)計(jì)的完整性、系統(tǒng)性和綜合性。以插床機(jī)械設(shè)計(jì)為例，圖1為機(jī)械系統(tǒng)示意圖，課程設(shè)計(jì)分兩個(gè)階段進(jìn)行。第一階段安排在第四學(xué)期末，歷時(shí)1周，對(duì)插床機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行整體方案設(shè)計(jì)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu))進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)分析，該階段為機(jī)械原理課程段的內(nèi)容；第二階段安排在第五學(xué)期末，歷時(shí)2周，進(jìn)行傳動(dòng)裝置(減速器)的設(shè)計(jì)，選擇電機(jī)型號(hào)，畫出裝配總圖、零件圖，完成整個(gè)設(shè)計(jì)，該階段為機(jī)械設(shè)計(jì)課程段的內(nèi)容。第一階段為第二階段提供了整體方案設(shè)計(jì)，還提供了第二階段所必需的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析以及相關(guān)尺寸參數(shù)。

圖1 插床機(jī)械系統(tǒng)示意圖

下面以我校機(jī)械設(shè)計(jì)綜合實(shí)踐課程設(shè)計(jì)中插床機(jī)械設(shè)計(jì)為例，介紹ADAMS虛擬樣機(jī)軟件在建立插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)參數(shù)化模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用。

1 ADAMS虛擬樣機(jī)軟件

美國MSC公司開發(fā)的ADAMS機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力仿真分析軟件，是集成了樣機(jī)建模、仿真求解可視化后處理一體的虛擬樣機(jī)分析平臺(tái)。隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，ADAMS已成功應(yīng)用于航空航天、汽車工程、鐵路車輛、工業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械等領(lǐng)域。ADAMS包括3個(gè)最基本模塊：ADAMS/ View，ADAMS/Solver，ADAMS/PostProcessor。

ADAMS/View采用Windows風(fēng)格的操作界面，提供了和用戶直接交互的操作環(huán)境和樣機(jī)模型的前處理功能，集成了建模工具、自動(dòng)調(diào)用求解器進(jìn)行仿真以及后處理程序的自動(dòng)連接、模型的參數(shù)化及優(yōu)化設(shè)計(jì)等接口。圖2為ADAMS/View設(shè)計(jì)環(huán)境。

ADAMS/Solver是ADAMS的核心模塊，ADAMS/ View自動(dòng)調(diào)用該模塊，求解樣機(jī)模型的靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)等一系列問題。

ADAMS/PostProcessor是用來處理仿真結(jié)果數(shù)據(jù)、顯示仿真動(dòng)畫等的模塊，它可以在ADAMS/View環(huán)境中進(jìn)行，也可以脫離該環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行。

2 插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)分析

目前機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)分析的主要方法有2種，一是圖解法，二是解析法。圖解法形象直觀，但由于圖紙幅面有限，只能分析機(jī)構(gòu)的1～2個(gè)位置，且精確度不高；解析法精確度高，首先根據(jù)機(jī)構(gòu)組成原理，把機(jī)構(gòu)拆分成基本桿組，編制運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)分析子程序，然后調(diào)用這些子程序進(jìn)行分析。目前有現(xiàn)成的程序模塊可以調(diào)用，但多是用Fortran語言編程的，該語言目前使用較少，我校機(jī)械類學(xué)生使用VB語言，因此，這些程序模塊無法使用，學(xué)生自己編程時(shí)間上不允許，難度也很大，更無法對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行方案對(duì)比或變參數(shù)分析。上述情況嚴(yán)重影響到機(jī)械設(shè)計(jì)綜合實(shí)踐課程設(shè)計(jì)的教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性?；诖?，我們?cè)谡n程設(shè)計(jì)中采用ADAMS軟件，建立了插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)，通過仿真分析真實(shí)地再現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，分析和比較多種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 參數(shù)化建模

插床機(jī)械系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)組成，圖3為其機(jī)構(gòu)示意圖。電機(jī)經(jīng)過傳動(dòng)裝置(減速器)帶動(dòng)曲柄2轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)使裝有刀具的滑塊6沿導(dǎo)路Y-Y作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)刀具的切削運(yùn)動(dòng)。刀具向下運(yùn)動(dòng)時(shí)切削，刀具向上運(yùn)動(dòng)時(shí)為空回行程，要求刀具具有急回運(yùn)動(dòng)。

在ADAMS中建立插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型，并施加約束和驅(qū)動(dòng)，其參數(shù)化模型見圖4。通過參數(shù)化建模，將參數(shù)值設(shè)置為可以改變的量，在分析時(shí)，只需要改變有關(guān)參數(shù)值，就自動(dòng)得到新的虛擬樣機(jī)模型。用戶也可預(yù)先擬定好一系列可變的參數(shù)，ADAMS會(huì)自動(dòng)進(jìn)行系列仿真，借此觀察樣機(jī)性能隨參數(shù)變化的情況。

2.2 運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)仿真分析

對(duì)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)參數(shù)化模型進(jìn)行仿真分析，本例中曲柄2的轉(zhuǎn)速 n2= 47r/min ，轉(zhuǎn)一周的時(shí)間為60/47s，因此，取End Time=1.2766，Steps=300 。

圖5為滑塊6的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線，圖6為曲柄2上的平衡力矩曲線。

3 插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

以電機(jī)的功率消耗為測(cè)量目標(biāo)，通過對(duì)機(jī)構(gòu)中影響電機(jī)功率消耗的設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化，使機(jī)構(gòu)在所受工作阻力不變的情況下，功率消耗的最大值達(dá)到最小。

要對(duì)電機(jī)功率消耗進(jìn)行優(yōu)化，必須要對(duì)已建立的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)參數(shù)化模型進(jìn)行參數(shù)分析。參數(shù)化分析用來了解各設(shè)計(jì)變量對(duì)樣機(jī)性能的影響。對(duì)這些設(shè)計(jì)變量采用不同的參數(shù)值進(jìn)行一系列的仿真，然后根據(jù)返回的分析結(jié)果，得出每個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)樣機(jī)性能(目標(biāo)值)的影響大小，即敏感度。具體的方法包括：設(shè)計(jì)研究(Design Study)、試驗(yàn)設(shè)計(jì)(Design of Experiments，DOE)和優(yōu)化分析(Optimization)。

設(shè)計(jì)研究(Design Study)顯示改變一個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)值的影響，可以用來確定設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)值影響的敏感程度。通過設(shè)計(jì)研究，確定出對(duì)電機(jī)功率消耗的最大值敏感度最大的七個(gè)設(shè)計(jì)變量，分析結(jié)果見表1。

表1 設(shè)計(jì)變量敏感度分析表

由表1知，設(shè)計(jì)變量DV_1，DV_2，DV_3，DV_4，DV_5，DV_6和DV_7的敏感度最大，即這7個(gè)設(shè)計(jì)變量的變化，對(duì)電機(jī)在相同工作阻力情況下功率消耗的最大值的影響最大。在ADAMS中對(duì)上述7個(gè)設(shè)計(jì)變量的取值范圍進(jìn)行適當(dāng)限制，以電機(jī)功率消耗的最大值達(dá)到最小為優(yōu)化目標(biāo)，利用ADAMS軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，7個(gè)設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)值見表1。優(yōu)化前、后電機(jī)功率消耗曲線如圖7所示。

通過對(duì)圖7中兩種曲線的分析比較可以看出，優(yōu)化后電機(jī)功率消耗的峰值有較大降低；而且優(yōu)化前曲線的第二個(gè)拐點(diǎn)處，經(jīng)過優(yōu)化后變成了圓滑過渡，可以避免因功率驟減給電機(jī)帶來的沖擊，從而延長電機(jī)的使用壽命。

4 結(jié)束語

將ADAMS虛擬樣機(jī)軟件應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)綜合實(shí)踐課程設(shè)計(jì)中，具有新穎性，改變了學(xué)生用圖解法或解析法進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)分析的傳統(tǒng)做法。學(xué)生普遍反映用ADAMS軟件進(jìn)行課程設(shè)計(jì)精確、快捷、方便、直觀，課程設(shè)計(jì)能達(dá)到滿意的效果。為機(jī)械類專業(yè)學(xué)生后期專業(yè)課程如液壓設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)等的學(xué)習(xí)，以及完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，提供了一種優(yōu)秀的輔助分析工具。

[1] 朱理.機(jī)械原理(第2版)[M].北京：高等教育出版社，2010

[2] 葛正浩.ADAMS 2007虛擬樣機(jī)技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010

[3] 胡志剛.牛頭刨床六桿機(jī)構(gòu)的多體動(dòng)力學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，28(3)：226～229

[4] 韓寶菊，徐劍波.基于ADAMS的插床動(dòng)力學(xué)仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2007，141(2)：35～37

[5] 朱玉.機(jī)械原理和設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)教學(xué)探索與實(shí)踐[J].南京工程學(xué)院學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2007，7(1)：52～55

[6] 羅洪田.機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書[M].北京：高等教育出版社，1986

Application of ADAMS in mechanical design and comprehensive applied curriculum design

Pan Jinkun
Nanjing institute of technology, Nanjing, 211167, China

2011-08-01 稿件編號(hào)：1108005

潘金坤，本科，講師。

南京工程學(xué)院高等教育研究課題“機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)改革研究”(編號(hào)：GY201023)。