基于虛擬樣機技術的機械原理輔助教學研究

孫健

[摘 要]機械原理是高校機械類專業的重要基礎課，是一門以機器和機構為主要研究對象的課程。為滿足復合型機械應用型人才的培養需要，將虛擬樣機技術應用于機械原理教學中，可以在授課過程中對各種機構的運動特性進行直觀的演示，使學生們觀察到模型的虛擬運動及主要參數的變化規律，就像做實際的物理試驗一樣，能夠很好地改善教學效果，提高學生課堂學習的積極性，加深學生對課程的理解，從而提高了教學效果和質量。

[關鍵詞]機械原理 機構 虛擬樣機技術 運動分析

[中圖分類號] TH111-4 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2015）03-0125-03

應用型職業人才教育是社會發展與科技進步的產物，也是社會職業崗位分化發展的結果，它以培養高等技術應用型人才為目的。機械原理是高校機械類專業的重要基礎課，是一門以機器和機構為主要研究對象的課程。它較理論、材料力學等理論課程更結合工程實際，同時，它又與專業的機械課程不同，其不具體研究某種特定機械，而是研究各種機械中的共性問題，并對常用的機械機構的工作原理進行深入的探討。對機構進行運動學和動力學分析是貫穿于這門課程的主線，具有知識點多而難的特點，在課堂的教學過程中常涉及到較多的理論分析計算以及機械運動方案的設計實現等問題，由于理論教學占用了大量的時間，往往使學生對課堂教學的興趣越來越少，導致教學效果較差。為滿足復合型工程技術人員培養的需要，需要對傳統的以理論教學為主的機械原理課程教學進行有意的改革探索。現有的改革成果更多的把重點放在教學體系和內容的調整上，但該課程與工程實際結合較緊密，具有較強的實踐性，而在校學生往往缺乏工程應用背景，這就要求在課堂理論教學過程中將知識點與實際的機構運動相結合，幫助學生理解機械結構原理以及在工程中的應用。這樣才能提高機械原理課程的教學效果。為此，本文結合具體案例，借助現代化多媒體教學手段，充分利用機械設計、仿真等軟件，直觀的實現對機構運動學和動力學分析，以及機械的綜合性能分析，充分的提高學生的理解力，調動學生的積極性和主動性。

一、虛擬樣機技術在教學中的應用

學生學習水平分為兩個層面，初級層面由基本知識，原理和定律組成，這些知識比較抽象；高級層面是指有關知識應用的能力，通過一些案例分析和實際問題解決活動過程，分析各知識之間關系的復雜性，達到靈活應用知識來解決問題。機械原理課程理論性強、內容較抽象，僅憑文字說明、理論公式及大腦的想象，學生很難對機械機構的原理和運動有清晰地認識。傳統的教學方法是靠教師的講解使機構動起來，一些多媒體課件也是停留在預設一些動畫的水平上，缺少互動性。而機構是運動著的，在課堂上如何讓分析的機構運動起來，是提高學生學習興趣與掌握相關知識點的關鍵。虛擬樣機技術是隨著計算機技術的發展而迅速發展，形成的一項應用廣泛地計算機輔助工程技術。虛擬樣機通過計算機技術實現對機械模型的數字化建模并進行分析，能夠快速方便的實現機械原理教學中對機構的運動學和動力學仿真分析，仿真現實下機械機構的工作特性，并能實現多軟件聯合仿真分析。例如，可利用PROE強大的造型、變參和裝配等功能，幫助學生進行機械結構的參數化設計，并導入到動力學分析軟件中進行運動學及動力學分析，再現機構的運動。把理論教學和實際的機構運動展示結合起來，提高學生對本門課程的理解，為后續專業課程的學習打下堅實的基礎。

二、虛擬樣機技術教學應用案例

本文以牛頭刨床為例，在教學過程中靈活運用虛擬樣機技術來講解其運動特征，直觀再現牛頭刨床的工作過程，同時分析牛頭刨床各從動件的運動規律，教學效果較好。

（一）牛頭刨床的機構運動分析

牛頭刨床是一種靠刀具的往復直線運動及工作臺的間歇運動來完成工件的平面切削加工的機床。牛頭刨床工作時，由導桿機構2-3-4-5-6帶動刨刀和刨頭做往復運動，刨頭向左時，刨刀進行切削，此行程稱作工作行程；刨頭右行時，刨刀不切削，稱空回行程，且要求工作行程的移動速度低于空行程速度，即刨刀有急回現象，機構簡圖如圖1所示。

根據如圖1所示的牛頭刨床機構，由于結構較復雜，一般采用解析法對其進行運動分析，為求解各從動件的方位角、角速度和角加速度以及刨頭的運動學參數，需要建立封閉矢量方程，并列出其投影方程進行求解。課堂教學過程中，理論推算過程較繁瑣，學生較難理解實物的真正運動情況。下面，采用虛擬樣機技術，運用PROE_ADAMS聯合仿真技術直觀的再現機構的運動情況，并能輸出各種運動曲線，輔助課堂教學，效果較好。

（二）PROE_ADAMS聯合仿真技術

ADAMS軟件在機械系統仿真分析中應用廣泛，包含功能強大的零件庫、約束庫和力庫，其求解器具有的強有力數值分析功能，并基于多體系統動力學理論的拉格朗日方程，能夠自動建立系統的動力學方程，準確、快速的求解機械系統的各種靜力學、運動學和動力學問題，并能以圖形和曲線等可視化方式顯示計算結果。

雖然ADAMS / View有零件庫、約束庫、力庫等功能，能夠用于機械系統幾何模型的創建，但它所提供的實體建模能力并不是很強，所以目前常用的方法是用專業的CAD軟件和專業的動力學仿真分析軟件進行聯合建模仿真，即先用專業的三維建模軟件精確建立機械系統各零件的實體模型和裝配模型，然后把裝配模型導入到動力學仿真分析軟件中，并根據實際工況添加適當的約束、驅動和載荷，最終形成機械系統的動力學仿真模型，再對其進行仿真分析。本文采用MSC公司提供的PRO / E和ADAMS專用接口模塊MECH / PRO實現其兩者之間的數據傳遞。

MECH / PRO是美國MSC公司開發的用來聯接三維實體建模軟件PRO / E與多體動力學仿真分析軟件ADAMS的專用接口模塊。MECH / PRO允許用戶在PRO / E環境下定義機械系統剛體、施加約束和驅動，將裝配體按照設計的運動形式定義為機構，并且可以利用ADAMS的求解器進行運動學仿真分析，使PRO / E用戶不必退出其應用環境，就能對系統進行動力學仿真，并校驗干涉情況、確定運動鎖止位置。

（三）機構建模

根據所分析牛頭刨床機構的各組成部分建立其三維實體模型并進行虛擬裝配。各構件尺寸如下：l1=125mm；l3=600mm；l4=150mm；l6=175mm；lH=575mm。原動件1的方位角θ1=0°～360°，并以等角速度ω1=1rad / s旋轉。

（四）施加約束

施加約束就是確定零部件之間的依附關系及相對運動關系，這是進行機構運動學分析重要的一點，約束施加的正確與否直接影響分析的準確性和仿真結果。根據圖1所示牛頭刨床的結構，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之間施加旋轉副，滑塊2和連桿3之間施加移動副，連桿5與固定坐標系間施加移動副，在曲柄1上施加驅動，設置角速度為1rad / s，建立的仿真模型如圖2所示。

（五）仿真計算

在軟件界面上設置仿真時間和仿真步數，設置完成后點擊即可開始仿真。Adams求解器會根據設定自行求解運算，得到牛頭刨床各從動件的運動學參數，還能獲得計算過程中每一步的信息，并在窗口上動態顯示機構的運動過程。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。

通過虛擬樣機技術，直觀模擬了機構的真實運動，讓學生真正體會和認識到了理論公式的真正含義，加深了對機構工作原理的掌握。同時，通過仿真，還可得到各從動件的運動曲線，了解各從動件的運動情況，使學生能夠在系統的水平上真實預測機械機構的工作性能。

三、結論

為滿足復合型機械應用型人才的培養需要，將虛擬樣機技術應用于機械原理教學中，可以在授課過程中對各種機構的運動特性進行直觀的演示，使學生們觀察到模型的虛擬運動及主要參數的變化規律，就像做實際的物理試驗一樣，能夠很好地改善教學效果，提高學生課堂學習的積極性，加深學生對課程的理解，從而提高了教學效果和質量。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 陳文華等.ADAMS2007機構設計與分析范例[M].北京：機械工業出版社，2009.

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[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仿真[J].農業機械學報，2011，11：1-5.

[4] 武艷慧.ADAMS在機械原理機構課程教學中的應用[J].內蒙古石油化工，2010，15：89-91.

[責任編輯：張 雷]