基于虚拟样机技术的机械原理辅助教学研究

孙健

[摘 要]机械原理是高校机械类专业的重要基础课，是一门以机器和机构为主要研究对象的课程。为满足复合型机械应用型人才的培养需要，将虚拟样机技术应用于机械原理教学中，可以在授课过程中对各种机构的运动特性进行直观的演示，使学生们观察到模型的虚拟运动及主要参数的变化规律，就像做实际的物理试验一样，能够很好地改善教学效果，提高学生课堂学习的积极性，加深学生对课程的理解，从而提高了教学效果和质量。

[关键词]机械原理 机构 虚拟样机技术 运动分析

[中图分类号] TH111-4 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2015）03-0125-03

应用型职业人才教育是社会发展与科技进步的产物，也是社会职业岗位分化发展的结果，它以培养高等技术应用型人才为目的。机械原理是高校机械类专业的重要基础课，是一门以机器和机构为主要研究对象的课程。它较理论、材料力学等理论课程更结合工程实际，同时，它又与专业的机械课程不同，其不具体研究某种特定机械，而是研究各种机械中的共性问题，并对常用的机械机构的工作原理进行深入的探讨。对机构进行运动学和动力学分析是贯穿于这门课程的主线，具有知识点多而难的特点，在课堂的教学过程中常涉及到较多的理论分析计算以及机械运动方案的设计实现等问题，由于理论教学占用了大量的时间，往往使学生对课堂教学的兴趣越来越少，导致教学效果较差。为满足复合型工程技术人员培养的需要，需要对传统的以理论教学为主的机械原理课程教学进行有意的改革探索。现有的改革成果更多的把重点放在教学体系和内容的调整上，但该课程与工程实际结合较紧密，具有较强的实践性，而在校学生往往缺乏工程应用背景，这就要求在课堂理论教学过程中将知识点与实际的机构运动相结合，帮助学生理解机械结构原理以及在工程中的应用。这样才能提高机械原理课程的教学效果。为此，本文结合具体案例，借助现代化多媒体教学手段，充分利用机械设计、仿真等软件，直观的实现对机构运动学和动力学分析，以及机械的综合性能分析，充分的提高学生的理解力，调动学生的积极性和主动性。

一、虚拟样机技术在教学中的应用

学生学习水平分为两个层面，初级层面由基本知识，原理和定律组成，这些知识比较抽象；高级层面是指有关知识应用的能力，通过一些案例分析和实际问题解决活动过程，分析各知识之间关系的复杂性，达到灵活应用知识来解决问题。机械原理课程理论性强、内容较抽象，仅凭文字说明、理论公式及大脑的想象，学生很难对机械机构的原理和运动有清晰地认识。传统的教学方法是靠教师的讲解使机构动起来，一些多媒体课件也是停留在预设一些动画的水平上，缺少互动性。而机构是运动着的，在课堂上如何让分析的机构运动起来，是提高学生学习兴趣与掌握相关知识点的关键。虚拟样机技术是随着计算机技术的发展而迅速发展，形成的一项应用广泛地计算机辅助工程技术。虚拟样机通过计算机技术实现对机械模型的数字化建模并进行分析，能够快速方便的实现机械原理教学中对机构的运动学和动力学仿真分析，仿真现实下机械机构的工作特性，并能实现多软件联合仿真分析。例如，可利用PROE强大的造型、变参和装配等功能，帮助学生进行机械结构的参数化设计，并导入到动力学分析软件中进行运动学及动力学分析，再现机构的运动。把理论教学和实际的机构运动展示结合起来，提高学生对本门课程的理解，为后续专业课程的学习打下坚实的基础。

二、虚拟样机技术教学应用案例

本文以牛头刨床为例，在教学过程中灵活运用虚拟样机技术来讲解其运动特征，直观再现牛头刨床的工作过程，同时分析牛头刨床各从动件的运动规律，教学效果较好。

（一）牛头刨床的机构运动分析

牛头刨床是一种靠刀具的往复直线运动及工作台的间歇运动来完成工件的平面切削加工的机床。牛头刨床工作时，由导杆机构2-3-4-5-6带动刨刀和刨头做往复运动，刨头向左时，刨刀进行切削，此行程称作工作行程；刨头右行时，刨刀不切削，称空回行程，且要求工作行程的移动速度低于空行程速度，即刨刀有急回现象，机构简图如图1所示。

根据如图1所示的牛头刨床机构，由于结构较复杂，一般采用解析法对其进行运动分析，为求解各从动件的方位角、角速度和角加速度以及刨头的运动学参数，需要建立封闭矢量方程，并列出其投影方程进行求解。课堂教学过程中，理论推算过程较繁琐，学生较难理解实物的真正运动情况。下面，采用虚拟样机技术，运用PROE_ADAMS联合仿真技术直观的再现机构的运动情况，并能输出各种运动曲线，辅助课堂教学，效果较好。

（二）PROE_ADAMS联合仿真技术

ADAMS软件在机械系统仿真分析中应用广泛，包含功能强大的零件库、约束库和力库，其求解器具有的强有力数值分析功能，并基于多体系统动力学理论的拉格朗日方程，能够自动建立系统的动力学方程，准确、快速的求解机械系统的各种静力学、运动学和动力学问题，并能以图形和曲线等可视化方式显示计算结果。

虽然ADAMS / View有零件库、约束库、力库等功能，能够用于机械系统几何模型的创建，但它所提供的实体建模能力并不是很强，所以目前常用的方法是用专业的CAD软件和专业的动力学仿真分析软件进行联合建模仿真，即先用专业的三维建模软件精确建立机械系统各零件的实体模型和装配模型，然后把装配模型导入到动力学仿真分析软件中，并根据实际工况添加适当的约束、驱动和载荷，最终形成机械系统的动力学仿真模型，再对其进行仿真分析。本文采用MSC公司提供的PRO / E和ADAMS专用接口模块MECH / PRO实现其两者之间的数据传递。

MECH / PRO是美国MSC公司开发的用来联接三维实体建模软件PRO / E与多体动力学仿真分析软件ADAMS的专用接口模块。MECH / PRO允许用户在PRO / E环境下定义机械系统刚体、施加约束和驱动，将装配体按照设计的运动形式定义为机构，并且可以利用ADAMS的求解器进行运动学仿真分析，使PRO / E用户不必退出其应用环境，就能对系统进行动力学仿真，并校验干涉情况、确定运动锁止位置。

（三）机构建模

根据所分析牛头刨床机构的各组成部分建立其三维实体模型并进行虚拟装配。各构件尺寸如下：l1=125mm；l3=600mm；l4=150mm；l6=175mm；lH=575mm。原动件1的方位角θ1=0°～360°，并以等角速度ω1=1rad / s旋转。

（四）施加约束

施加约束就是确定零部件之间的依附关系及相对运动关系，这是进行机构运动学分析重要的一点，约束施加的正确与否直接影响分析的准确性和仿真结果。根据图1所示牛头刨床的结构，在曲柄1和地面、曲柄1和滑块2、连杆3和地面、连杆3和连杆4、以及连杆4和连杆5之间施加旋转副，滑块2和连杆3之间施加移动副，连杆5与固定坐标系间施加移动副，在曲柄1上施加驱动，设置角速度为1rad / s，建立的仿真模型如图2所示。

（五）仿真计算

在软件界面上设置仿真时间和仿真步数，设置完成后点击即可开始仿真。Adams求解器会根据设定自行求解运算，得到牛头刨床各从动件的运动学参数，还能获得计算过程中每一步的信息，并在窗口上动态显示机构的运动过程。图3和图4分别为连杆3和连杆4的的方位角、角速度和角加速度曲线，图5为刨头的位移、速度和加速度曲线。

通过虚拟样机技术，直观模拟了机构的真实运动，让学生真正体会和认识到了理论公式的真正含义，加深了对机构工作原理的掌握。同时，通过仿真，还可得到各从动件的运动曲线，了解各从动件的运动情况，使学生能够在系统的水平上真实预测机械机构的工作性能。

三、结论

为满足复合型机械应用型人才的培养需要，将虚拟样机技术应用于机械原理教学中，可以在授课过程中对各种机构的运动特性进行直观的演示，使学生们观察到模型的虚拟运动及主要参数的变化规律，就像做实际的物理试验一样，能够很好地改善教学效果，提高学生课堂学习的积极性，加深学生对课程的理解，从而提高了教学效果和质量。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 陈文华等.ADAMS2007机构设计与分析范例[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2] 王湘.基于虚拟样机技术的机械原理课程设计教学探索[J].广西大学学报，2007，9：345-347.

[3] 杜岳峰，朱忠祥.毛恩荣等.基于ADAMS的丘陵山地小型玉米收获机仿真[J].农业机械学报，2011，11：1-5.

[4] 武艳慧.ADAMS在机械原理机构课程教学中的应用[J].内蒙古石油化工，2010，15：89-91.

[责任编辑：张 雷]