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(duì)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(duì)各種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)及主要參數(shù)的變化規(guī)律，就像做實(shí)際的物理試驗(yàn)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(duì)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(dòng)分析

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

應(yīng)用型職業(yè)人才教育是社會(huì)發(fā)展與科技進(jìn)步的產(chǎn)物，也是社會(huì)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(duì)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(shí)際，同時(shí)，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(duì)常用的機(jī)械機(jī)構(gòu)的工作原理進(jìn)行深入的探討。對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析是貫穿于這門課程的主線，具有知識(shí)點(diǎn)多而難的特點(diǎn)，在課堂的教學(xué)過程中常涉及到較多的理論分析計(jì)算以及機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)等問題，由于理論教學(xué)占用了大量的時(shí)間，往往使學(xué)生對(duì)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(duì)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?，F(xiàn)有的改革成果更多的把重點(diǎn)放在教學(xué)體系和內(nèi)容的調(diào)整上，但該課程與工程實(shí)際結(jié)合較緊密，具有較強(qiáng)的實(shí)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(shí)點(diǎn)與實(shí)際的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(jì)、仿真等軟件，直觀的實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)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(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)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(gè)層面，初級(jí)層面由基本知識(shí)，原理和定律組成，這些知識(shí)比較抽象；高級(jí)層面是指有關(guān)知識(shí)應(yīng)用的能力，通過一些案例分析和實(shí)際問題解決活動(dòng)過程，分析各知識(shí)之間關(guān)系的復(fù)雜性，達(dá)到靈活應(yīng)用知識(shí)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(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)的原理和運(yùn)動(dòng)有清晰地認(rèn)識(shí)。傳統(tǒng)的教學(xué)方法是靠教師的講解使機(jī)構(gòu)動(dòng)起來，一些多媒體課件也是停留在預(yù)設(shè)一些動(dòng)畫的水平上，缺少互動(dòng)性。而機(jī)構(gòu)是運(yùn)動(dòng)著的，在課堂上如何讓分析的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)起來，是提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的關(guān)鍵。虛擬樣機(jī)技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展，形成的一項(xiàng)應(yīng)用廣泛地計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)。虛擬樣機(jī)通過計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)機(jī)械原理教學(xué)中對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析，仿真現(xiàn)實(shí)下機(jī)械機(jī)構(gòu)的工作特性，并能實(shí)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(jì)，并導(dǎo)入到動(dòng)力學(xué)分析軟件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析，再現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。把理論教學(xué)和實(shí)際的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)展示結(jié)合起來，提高學(xué)生對(duì)本門課程的理解，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)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(dòng)特征，直觀再現(xiàn)牛頭刨床的工作過程，同時(shí)分析牛頭刨床各從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，教學(xué)效果較好。

（一）牛頭刨床的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

牛頭刨床是一種靠刀具的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)及工作臺(tái)的間歇運(yùn)動(dòng)來完成工件的平面切削加工的機(jī)床。牛頭刨床工作時(shí)，由導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)2-3-4-5-6帶動(dòng)刨刀和刨頭做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，刨頭向左時(shí)，刨刀進(jìn)行切削，此行程稱作工作行程；刨頭右行時(shí)，刨刀不切削，稱空回行程，且要求工作行程的移動(dòng)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(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，為求解各從動(dòng)件的方位角、角速度和角加速度以及刨頭的運(yùn)動(dòng)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(shí)物的真正運(yùn)動(dòng)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(dòng)情況，并能輸出各種運(yùn)動(dòng)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(dòng)力學(xué)理論的拉格朗日方程，能夠自動(dòng)建立系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題，并能以圖形和曲線等可視化方式顯示計(jì)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(shí)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(dòng)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(shí)體模型和裝配模型，然后把裝配模型導(dǎo)入到動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件中，并根據(jù)實(shí)際工況添加適當(dāng)?shù)募s束、驅(qū)動(dòng)和載荷，最終形成機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真模型，再對(duì)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(shí)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(shí)體建模軟件PRO / E與多體動(dòng)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(dòng)，將裝配體按照設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，并校驗(yàn)干涉情況、確定運(yùn)動(dòng)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(shí)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(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，這是進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析重要的一點(diǎn)，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(dòng)副，連桿5與固定坐標(biāo)系間施加移動(dòng)副，在曲柄1上施加驅(qū)動(dòng)，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(jì)算

在軟件界面上設(shè)置仿真時(shí)間和仿真步數(shù)，設(shè)置完成后點(diǎn)擊即可開始仿真。Adams求解器會(huì)根據(jù)設(shè)定自行求解運(yùn)算，得到牛頭刨床各從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，還能獲得計(jì)算過程中每一步的信息，并在窗口上動(dòng)態(tài)顯示機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(shí)運(yùn)動(dòng)，讓學(xué)生真正體會(huì)和認(rèn)識(shí)到了理論公式的真正含義，加深了對(duì)機(jī)構(gòu)工作原理的掌握。同時(shí)，通過仿真，還可得到各從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)曲線，了解各從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)情況，使學(xué)生能夠在系統(tǒng)的水平上真實(shí)預(yù)測(cè)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(duì)各種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)及主要參數(shù)的變化規(guī)律，就像做實(shí)際的物理試驗(yàn)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(duì)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(jì)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(jì)教學(xué)探索[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)，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(bào)，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]