费强 闫丽静 袁明华 李红兵 王小良

摘要： 本文分析了ADAMS仿真分析实验教学的优势，提出改革机械设计课程实验教学，文中结合实践利用反转法原理设计凸轮的轮廓曲线，采用ADAMS/VIEW提供的利用相对轨迹曲线生成实体的方法来设计凸轮–曲柄连杆机构中的凸轮，开发了一套基于ADAMS的虚拟实验教学系统。通过对机构运动学的仿真分析，实时得到凸轮和下连杆的相对轨迹、下连杆点的X和Y方向的位移曲线、顶杆速度的变化曲线，能够直观反映凸轮机构的运动规律，为凸轮–曲柄连杆机构优化设计提供了参考依据。采用ADAMS软件对课程实验项目进行仿真与性能分析，可以改善实验条件和效果，提高学生的学习兴趣和教学质量，为该课程的实验教学开辟了一条新的途径。

关键词： ADAMS;仿真分析;机械设计;凸轮–曲柄连杆机构;实验教学

引言

机械设计实验教学是学生学习这门课程的重要组成部分[1]，实验教学可以提高学生对机械设计更深入的认识，而ADAMS的仿真分析能够直观的反应实验效果。Adams是全球运用最为广泛的机械系统仿真软件，用户可以利用Adams在计算机上建立和测试虚拟样机，实现事实再现仿真，了解复杂机械系统设计的运动性能[2]。随着机械自动化程度的日益提高，不仅对机械输出杆的运动形式有要求，更对其运动规律和动力性能提出了更高的要求。简单的基本机构如齿轮机构、凸轮机构和连杆机构就难以胜任了。

因此，探索新机构以满足生产对机械提出的多种运动要求和更为理想的动力性能要求显得尤为重要。凸轮–曲柄连杆机构可以精确实现给定的运动轨迹，兼有凸轮、连杆二者的优点，满足某些特定的工艺要求，还可以改善机器的动力性能。

ADAMS软件的特点

ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，其仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。

ADAMS实验教学的优势

ADAMS软件，利用实验平台设计的机械设计课程实验系统具有传统实验系统无法比拟的优势。虚拟实验系统最大的特点是其功能强大，随时可以动态调整，柔性化程度较高[3]。实验过程中，学生可以根据实验项目需要在实验系统的基础上，通过选择不同的试验设计模块ADAMS/Insight来模拟不同的实验，比如曲柄滑块机构的设计，在虚拟实验平台上可以利用ADAMS软件编制对该曲柄滑块机构进行模拟仿真和轨迹数据处理及用曲线的形式来分析结果，而不必额外增添新的硬件实验仪器，整个虚拟实验系统利用率较高。

机械设计实验的经济实用性

ADAMS实验系统投资不大，能够充分利用现有技术资源，实现了实验耗材最低消耗，缓解教学经费不足，实验设备不足的压力，降低实验成本，利于实验设备更新，经济实用性较好。在利用虚拟实验系统的计算机仿真模拟，得到预期结果后，再用各种机械构成实际机构进行实验验证，学生不必担心损坏元器件，进一步降低实验成本。

机械设计实验的灵活性、可靠性

ADAMS虚拟设计实验系统中，设计机构的运动副可以根据实验需要实时调整，各个机构的轨迹路线及速度可以立即从设计界面的波形、多用表显示的数值反映出来，实验转换非常迅速、灵活;可以保证实验结果与理论分析结果的一致性，从而加深学生对抽象理论概念的感性认识，强化理解[4]。另外，在机械设计高速发展的今天，新器件、新方法不断涌现，由于实验室受条件的限制，无法及时满足各种新思路实验的设计要求，ADAMS虚拟实验系统将克服实验室元器件品种、规格与数量不足等问题[5]

ADAMS在机械设计实验中的应用

机构的总体参数

该机构是利用凸轮补偿整个机构前进时的速度，使下连杆相对于大地在一定的时间段内水平速度为零。已知凸轮和曲柄的转速方向相同且均为π/3rad/s，凸轮基圆直径为100mm，整个机构沿x方向前进的速度为0.3m/s，曲柄L=110mm，曲柄连杆长度比λ=1/3。

建立凸轮–曲柄连杆机构的模型

创建曲柄，在主工具箱rotate about view center栏中，单击中间按钮，在操作界面中单击原点，然后完成曲柄的角度调节，完成连杆，顶杆，凸轮，机架的创建。凸轮–曲柄连杆机构模型如下图1所示。

创建旋转副，在操作界面中先点选旋转副连接的两构件，再选择旋转副的放置位置，单击左键完成旋转副的创建。创建滑移副，在操作界面中先点选滑移副连接的两构件，再选择滑移副的放置位置和方向，单击左键完成滑移副的创建。施加旋转驱动，施加平移驱动。

仿真分析

单击主工具箱中的仿真分析按钮interactive simulation controls，在simulation下选择default，在end time下的文本框输入1.2，在step下的文本框中输入300，单击播放按钮，进行仿真分析，机构运动仿真图如图2所示。

从凸轮，下连杆，顶杆的运行曲线中可以看出采用三维仿真软件ADAMS進行了凸轮–曲柄连杆结构的运动学仿真，实时得到凸轮和下连杆的相对轨迹、下连杆点的X和Y方向的位移曲线、顶杆速度的变化曲线，其仿真结果证明其仿真的可行性，为下一步的动力学仿真做好准备。

结论

该机构的整个运动过程平稳，无冲击震荡现象，可以认为该机构的运行曲线与实际情况完全相符。证明反转法原理设计凸轮切实可行。

ADAMS虚拟实验技术为机械设计课程的实验教学提供了先进的实验平台，给学生的探索式学习活动提供了一种新的方式，激发了学生的学习兴趣，提高了学生的工程素质。实践教学证明，在机械设计教学中使用ADAMS软件作为计算机辅助实验教学取得了较好的教学效果，采用ADAMS进行运动学仿真，大大提高了仿真效率，是虚拟样机技术研究中的崭新应用，促进了虚拟仿真的发展，对于教学和实践具有广泛的意义。

参考文献

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