費(fèi)強(qiáng) 閆麗靜 袁明華 李紅兵 王小良

摘要： 本文分析了ADAMS仿真分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢，提出改革機(jī)械設(shè)計課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，文中結(jié)合實(shí)踐利用反轉(zhuǎn)法原理設(shè)計凸輪的輪廓曲線，采用ADAMS/VIEW提供的利用相對軌跡曲線生成實(shí)體的方法來設(shè)計凸輪–曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的凸輪，開發(fā)了一套基于ADAMS的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。通過對機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)的仿真分析，實(shí)時得到凸輪和下連桿的相對軌跡、下連桿點(diǎn)的X和Y方向的位移曲線、頂桿速度的變化曲線，能夠直觀反映凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律，為凸輪–曲柄連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了參考依據(jù)。采用ADAMS軟件對課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行仿真與性能分析，可以改善實(shí)驗(yàn)條件和效果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)質(zhì)量，為該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)開辟了一條新的途徑。

關(guān)鍵詞： ADAMS;仿真分析;機(jī)械設(shè)計;凸輪–曲柄連桿機(jī)構(gòu);實(shí)驗(yàn)教學(xué)

引言

機(jī)械設(shè)計實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程的重要組成部分[1]，實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以提高學(xué)生對機(jī)械設(shè)計更深入的認(rèn)識，而ADAMS的仿真分析能夠直觀的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)效果。Adams是全球運(yùn)用最為廣泛的機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件，用戶可以利用Adams在計算機(jī)上建立和測試虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)事實(shí)再現(xiàn)仿真，了解復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計的運(yùn)動性能[2]。隨著機(jī)械自動化程度的日益提高，不僅對機(jī)械輸出桿的運(yùn)動形式有要求，更對其運(yùn)動規(guī)律和動力性能提出了更高的要求。簡單的基本機(jī)構(gòu)如齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)就難以勝任了。

因此，探索新機(jī)構(gòu)以滿足生產(chǎn)對機(jī)械提出的多種運(yùn)動要求和更為理想的動力性能要求顯得尤為重要。凸輪–曲柄連桿機(jī)構(gòu)可以精確實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動軌跡，兼有凸輪、連桿二者的優(yōu)點(diǎn)，滿足某些特定的工藝要求，還可以改善機(jī)器的動力性能。

ADAMS軟件的特點(diǎn)

ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，其仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。ADAMS軟件由基本模塊、擴(kuò)展模塊、接口模塊、專業(yè)領(lǐng)域模塊及工具箱5類模塊組成。用戶不僅可以采用通用模塊對一般的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真，而且可以采用專用模塊針對特定工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的問題進(jìn)行快速有效的建模與仿真分析。

ADAMS實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢

ADAMS軟件，利用實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計的機(jī)械設(shè)計課程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是其功能強(qiáng)大，隨時可以動態(tài)調(diào)整，柔性化程度較高[3]。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過選擇不同的試驗(yàn)設(shè)計模塊ADAMS/Insight來模擬不同的實(shí)驗(yàn)，比如曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計，在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺上可以利用ADAMS軟件編制對該曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真和軌跡數(shù)據(jù)處理及用曲線的形式來分析結(jié)果，而不必額外增添新的硬件實(shí)驗(yàn)儀器，整個虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用率較高。

機(jī)械設(shè)計實(shí)驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性

ADAMS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)投資不大，能夠充分利用現(xiàn)有技術(shù)資源，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)耗材最低消耗，緩解教學(xué)經(jīng)費(fèi)不足，實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的壓力，降低實(shí)驗(yàn)成本，利于實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新，經(jīng)濟(jì)實(shí)用性較好。在利用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的計算機(jī)仿真模擬，得到預(yù)期結(jié)果后，再用各種機(jī)械構(gòu)成實(shí)際機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，學(xué)生不必?fù)?dān)心損壞元器件，進(jìn)一步降低實(shí)驗(yàn)成本。

機(jī)械設(shè)計實(shí)驗(yàn)的靈活性、可靠性

ADAMS虛擬設(shè)計實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，設(shè)計機(jī)構(gòu)的運(yùn)動副可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要實(shí)時調(diào)整，各個機(jī)構(gòu)的軌跡路線及速度可以立即從設(shè)計界面的波形、多用表顯示的數(shù)值反映出來，實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)換非常迅速、靈活;可以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果的一致性，從而加深學(xué)生對抽象理論概念的感性認(rèn)識，強(qiáng)化理解[4]。另外，在機(jī)械設(shè)計高速發(fā)展的今天，新器件、新方法不斷涌現(xiàn)，由于實(shí)驗(yàn)室受條件的限制，無法及時滿足各種新思路實(shí)驗(yàn)的設(shè)計要求，ADAMS虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將克服實(shí)驗(yàn)室元器件品種、規(guī)格與數(shù)量不足等問題[5]

ADAMS在機(jī)械設(shè)計實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

機(jī)構(gòu)的總體參數(shù)

該機(jī)構(gòu)是利用凸輪補(bǔ)償整個機(jī)構(gòu)前進(jìn)時的速度，使下連桿相對于大地在一定的時間段內(nèi)水平速度為零。已知凸輪和曲柄的轉(zhuǎn)速方向相同且均為π/3rad/s，凸輪基圓直徑為100mm，整個機(jī)構(gòu)沿x方向前進(jìn)的速度為0.3m/s，曲柄L=110mm，曲柄連桿長度比λ=1/3。

建立凸輪–曲柄連桿機(jī)構(gòu)的模型

創(chuàng)建曲柄，在主工具箱rotate about view center欄中，單擊中間按鈕，在操作界面中單擊原點(diǎn)，然后完成曲柄的角度調(diào)節(jié)，完成連桿，頂桿，凸輪，機(jī)架的創(chuàng)建。凸輪–曲柄連桿機(jī)構(gòu)模型如下圖1所示。

創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副，在操作界面中先點(diǎn)選旋轉(zhuǎn)副連接的兩構(gòu)件，再選擇旋轉(zhuǎn)副的放置位置，單擊左鍵完成旋轉(zhuǎn)副的創(chuàng)建。創(chuàng)建滑移副，在操作界面中先點(diǎn)選滑移副連接的兩構(gòu)件，再選擇滑移副的放置位置和方向，單擊左鍵完成滑移副的創(chuàng)建。施加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，施加平移驅(qū)動。

仿真分析

單擊主工具箱中的仿真分析按鈕interactive simulation controls，在simulation下選擇default，在end time下的文本框輸入1.2，在step下的文本框中輸入300，單擊播放按鈕，進(jìn)行仿真分析，機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真圖如圖2所示。

從凸輪，下連桿，頂桿的運(yùn)行曲線中可以看出采用三維仿真軟件ADAMS進(jìn)行了凸輪–曲柄連桿結(jié)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)仿真，實(shí)時得到凸輪和下連桿的相對軌跡、下連桿點(diǎn)的X和Y方向的位移曲線、頂桿速度的變化曲線，其仿真結(jié)果證明其仿真的可行性，為下一步的動力學(xué)仿真做好準(zhǔn)備。

結(jié)論

該機(jī)構(gòu)的整個運(yùn)動過程平穩(wěn)，無沖擊震蕩現(xiàn)象，可以認(rèn)為該機(jī)構(gòu)的運(yùn)行曲線與實(shí)際情況完全相符。證明反轉(zhuǎn)法原理設(shè)計凸輪切實(shí)可行。

ADAMS虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)為機(jī)械設(shè)計課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)平臺，給學(xué)生的探索式學(xué)習(xí)活動提供了一種新的方式，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的工程素質(zhì)。實(shí)踐教學(xué)證明，在機(jī)械設(shè)計教學(xué)中使用ADAMS軟件作為計算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)取得了較好的教學(xué)效果，采用ADAMS進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，大大提高了仿真效率，是虛擬樣機(jī)技術(shù)研究中的嶄新應(yīng)用，促進(jìn)了虛擬仿真的發(fā)展，對于教學(xué)和實(shí)踐具有廣泛的意義。

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