李 俏， 伍先明， 王鵬程， 黃永程

（廣東理工學(xué)院， 廣東 肇慶 526100）

引言

“機(jī)械原理”是廣東理工學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化以及機(jī)械電子工程兩個(gè)本科專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，在整個(gè)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)中起著重要作用[1-2]。機(jī)械原理課程的主要學(xué)習(xí)任務(wù)是學(xué)習(xí)常用機(jī)械的組成機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動、動力分析以及設(shè)計(jì)，學(xué)生能夠掌握機(jī)構(gòu)的構(gòu)成原理及設(shè)計(jì)，為后階段“機(jī)械設(shè)計(jì)”“機(jī)械制造”等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打好工程理論基礎(chǔ)[3]。

在對常用機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行motion分析的傳統(tǒng)教學(xué)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(jī)構(gòu)某些位置的運(yùn)動特性，可是精度不是很高；解析法借助計(jì)算機(jī)，相對圖解法，其求解精度提高，可這對學(xué)生的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)要求較高，結(jié)合我院校學(xué)生的實(shí)際情況以及運(yùn)用解析法學(xué)生花大量時(shí)間在數(shù)學(xué)編制程序中，效果也不佳，并且求解結(jié)果不能直觀地呈現(xiàn)出來。隨著當(dāng)今時(shí)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CAD與CAE也迅速發(fā)展，其中CAE下的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAJ）技術(shù)也正被各高校應(yīng)用推廣[4]。CAJ技術(shù)涉及很多軟件，其中應(yīng)用廣泛的有Adams、Pro /E、UG、SolidWorks等，本文以 Adams軟件為計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)工具，對機(jī)床中主要機(jī)構(gòu)牛頭刨床進(jìn)行三維建模、動態(tài)仿真以及motion分析，避免了圖解法、解析法的缺點(diǎn)，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課堂效學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生更好地掌握機(jī)構(gòu)的組成原理以及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 分析任務(wù)：牛頭刨床機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析

牛頭刨床是一種用于平面切削加工的機(jī)床，刨床工作時(shí)，由導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)1-2-3-4-5帶動刨頭6和刨刀作往復(fù)運(yùn)動。刨頭右行時(shí)，刨刀進(jìn)行切削，稱工作行程；刨頭左行時(shí)，刨刀不切削，稱空回行程，此時(shí)要求速度較高。因此，刨床采用具有急回特性[5]的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。圖1為刨床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)簡圖。各構(gòu)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(shí)利用解析法求該機(jī)構(gòu)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(diǎn)的位移、速度和加速度的運(yùn)動線圖。

圖1 刨床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)簡圖

2 解析法求解牛頭刨床機(jī)構(gòu)運(yùn)動結(jié)果

如圖1所示，先建立一直角坐標(biāo)系，并標(biāo)出各桿矢量及其方位角。其中共有四個(gè) θ3，θ4，s3及 sE。為求解需建立兩個(gè)封閉矢量方程，為此需利用兩個(gè)封閉圖形 ABCA 及 CDEGC，由此可得：

根據(jù)這兩矢量方程的投影方程以及各已知參數(shù)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，可得出所求機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真及motion分析

3.1 牛頭刨床機(jī)構(gòu)的三維建模及裝配約束

根據(jù)所述刨床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸在Adams軟件中進(jìn)行三維實(shí)體建模并虛擬裝配。機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件之間的運(yùn)動幅即約束對整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動起著重要的作用，所以要對刨床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真，必須對虛擬裝配完的模型進(jìn)行施加約束。根據(jù)刨床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特征，其中曲柄1繞著機(jī)架6作回轉(zhuǎn)運(yùn)動，導(dǎo)桿3繞著機(jī)架6作左右往返擺動以及滑塊2在導(dǎo)桿上滑動。所以曲柄1與機(jī)架6、曲柄1與導(dǎo)桿3、導(dǎo)桿3與機(jī)架6、連桿4與導(dǎo)桿3、連桿4與刨頭5之間施加旋轉(zhuǎn)幅；滑塊2與導(dǎo)桿3、刨頭5與機(jī)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(jìn)行motion分析，設(shè)置分析仿真時(shí)間與計(jì)算控制后開始仿真。Adams軟件有強(qiáng)大的內(nèi)部自行求解運(yùn)算控制，只需輸入導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)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(yùn)動參數(shù)，分別如圖6、圖7和圖8所示。計(jì)算結(jié)果顯示與用解析法求解的結(jié)果基本一致，而用計(jì)算機(jī)輔助會析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)明顯簡便。

圖5 牛頭刨床運(yùn)動仿真模型

圖6 導(dǎo)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(jié)語

改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法，引入CAJ教學(xué)工具將是機(jī)械原理這一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課的一大改革創(chuàng)新方向，這不僅可以使學(xué)生更直觀地學(xué)習(xí)被當(dāng)今學(xué)生認(rèn)為枯燥無味的知識內(nèi)容，也使教師改變其一成不變的教學(xué)方法，突破創(chuàng)新，同時(shí)結(jié)合CAD/CAE模塊，讓學(xué)生學(xué)會融合慣通各個(gè)專業(yè)課程知識的應(yīng)用，建立機(jī)械工程師的整合思維模式。