Application of ADAMS in mechanical design and comprehensive applied curriculum design
Pan Jinkun Nanjing institute of technology, Nanjing, 211167, China
设计变量位置
POINT_Ax POINT_Ay POINT_O4x POINT_O4y POINT_Bx POINT_By 插刀行程H
初始值
-32.5 -56.292 -130.0
0.0 -233.92
60.0 120.0
初始值敏感 度(N•mm/s)
-7784.5 -13484.0 18429.0 -12605.0 -10645.0 12226.0 14856.0
目前机械原理课程设计和机械设计课程设计是各 自独立、自成一体的，这就割裂了二者之间的有机联 系。为了对学生进行系统训练，形成整机设计理念， 我们将这2门课程设计结合起来，统称为机械设计综 合实践课程设计。从产品设计的完整过程出发，编排 课程设计的内容，做到课程设计的完整性、系统性和 综合性。以插床机械设计为例，图1为机械系统示意 图，课程设计分两个阶段进行。第一阶段安排在第四
要求刀具具有急回运动。
刀杆
Y
滑块6 C
连杆
Y
B
O4
导杆4
凸轮
滚子 D O2
从动件
曲柄2
滑块3 A
图3 插床执行机构 在ADAMS中建立插床导杆机构的参数化模型， 并施加约束和驱动，其参数化模型见图4。通过参 数化建模，将参数值设置为可以改变的量，在分析 时，只需要改变有关参数值，就自动得到新的虚拟样 机模型。用户也可预先拟定好一系列可变的参数， ADAMS会自动进行系列仿真，借此观察样机性能随 参数变化的情况。
图5 滑块6的位移、速度、加速度曲线
图6 平衡力矩曲线
3 插床导杆机构优化设计
以电机的功率消耗为测量目标，通过对机构中影
响电机功率消耗的设计变量的优化，使机构在所受工
作阻力不变的情况下，功率消耗的最大值达到最小。
要对电机功率消耗进行优化，必须要对已建立的
导杆机构参数化模型进行参数分析。参数化分析用来
践课程设计的教学效果和学生的学习积极性。基于
此，我们在课程设计中采用ADAMS软件，建立了插 床导杆机构的虚拟样机，通过仿真分析真实地再现机
构运动，分析和比较多种机构设计方案，并对机构进
行优化设计。
2.1 参数化建模 插床机械系统的执行机构由导杆机构和凸轮机构
组成，图3为其机构示意图。电机经过传动装置(减速 器)带动曲柄2转动，再通过导杆机构使装有刀具的滑 块6沿导路Y-Y作往复运动，以实现刀具的切削运动。 刀具向下运动时切削，刀具向上运动时为空回行程，
最优值
-31.5 -55.292 -131.0 1.001 -232.92
59.0 121.0
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图7 优化前、后功率消耗曲线图 通过对图7中两种曲线的分析比较可以看出，优 化后电机功率消耗的峰值有较大降低；而且优化前曲 线的第二个拐点处，经过优化后变成了圆滑过渡，可 以避免因功率骤减给电机带来的冲击，从而延长电机 的使用寿命。
机械原理和机械设计是机械设计制造及其自动化 专业学生必修的两门技术基础课程。这两门课程在教 学过程中均有实践性环节，分别为机械原理课程设计 和机械设计课程设计，课程设计能够培养机械类专业 学生的创新能力，是学生综合运用机械原理和机械设 计课程所学的理论知识解决实际问题，获得工程技术 训练的实践性教学环节。
Abstract: Introduce virtual prototyping technology to mechanical design and comprehensive applied curriculum design, take slotting mechanical system as example, establish guided bar oriented parameter model by virtue of ADAMS software, and carry out motion, dynamic simulation as well as optimization design over the model; it will be accurate, fast, convenient and visible by using ADAMS software to design curriculum, and contribute to reach satisfactory effect. Key words: mechanical design and comprehensive applied curriculum design; ADAMS; motion, dynamic simulation; optimization design
图4 机构参数化模型 2.2 运动、动力学仿真分析 对导杆机构参数化模型进行仿真分析，本例中曲
柄2的转速
n 2

47
r
/
min
，转一周的时间为60/47s，因
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此，取End Time=1.2766，Steps=300 。 图5为滑块6的运动规律曲线，图6为曲柄2上的平
美国MSC公司开发的ADAMS机械系统动力仿真 分析软件，是集成了样机建模、仿真求解可视化后处 理一体的虚拟样机分析平台。随着虚拟样机技术在机 械工程领域的应用和发展，ADAMS已成功应用于航 空航天、汽车工程、铁路车辆、工业机械、工程机 械等领域。ADAMS包括3个最基本模块：ADAMS/ View，ADAMS/Solver，ADAMS/PostProcessor。
4 结束语
将ADAMS虚拟样机软件应用到机械设计综合实 践课程设计中，具有新颖性，改变了学生用图解法或 解析法进行机构运动、动力学分析的传统做法。学生 普遍反映用ADAMS软件进行课程设计精确、快捷、 方便、直观，课程设计能达到满意的效果。为机械类 专业学生后期专业课程如液压设计、动力学分析和优 化设计等的学习，以及完成毕业设计，提供了一种优 秀的辅助分析工具。
执行机构
传动装置
电机
图1 插床机械系统示意图 下面以我校机械设计综合实践课程设计中插床机 械设计为例，介绍ADAMS虚拟样机软件在建立插床 导杆机构参数化模型，进行运动和动力学分析、优化 设计方面的应用。
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ISSN1672-1438 CN11-4994/T
1 ADAMS虚拟样机软件
设计[J].机械工程与自动化，2007，141(2)：35～37 [5] 朱玉.机械原理和设计课程设计教学探索与实践[J].南京工程
学院学报(社会科学版)，2007，7(1)：52～55 [6] 罗洪田.机械原理课程设计指导书[M].北京：高等教育出版
社，1986
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收稿日期：2011-08-01 稿件编号：1108005 作者简介：潘金坤，本科，讲师。 基金项目：南京工程学院高等教育研究课题“机械设计制 造及其自动化专业综合课程设计教学环节改革研究”(编 号：GY201023)。
学期末，历时1周，对插床机械系统进行整体方案设 计，对执行机构(导杆机构、凸轮机构)进行运动和动 力学分析，该阶段为机械原理课程段的内容；第二阶 段安排在第五学期末，历时2周，进行传动装置(减速 器)的设计，选择电机型号，画出装配总图、零件图， 完成整个设计，该阶段为机械设计课程段的内容。第 一阶段为第二阶段提供了整体方案设计，还提供了第 二阶段所必需的运动和动力分析以及相关尺寸参数。
图2 ADAMS/View设计环境
2 插床导杆机构运动、动力学分析
目前机构运动、动力学分析的主要方法有2种， 一是图解法，二是解析法。图解法形象直观，但由于 图纸幅面有限，只能分析机构的1～2个位置，且精确 度不高；解析法精确度高，首先根据机构组成原理， 把机构拆分成基本杆组，编制运动和动力学分析子程 序，然后调用这些子程序进行分析。目前有现成的程 序模块可以调用，但多是用Fortran语言编程的，该语 言目前使用较少，我校机械类学生使用VB语言72-1438 CN11-4994/T
由表1知，设计变量DV_1，DV_2，DV_3， DV_4，DV_5，DV_6和DV_7的敏感度最大，即这7个 设计变量的变化，对电机在相同工作阻力情况下功率 消耗的最大值的影响最大。在ADAMS中对上述7个设 计变量的取值范围进行适当限制，以电机功率消耗的 最大值达到最小为优化目标，利用ADAMS软件进行 优化设计，7个设计变量的最优值见表1。优化前、后 电机功率消耗曲线如图7所示。
参考文献
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社，2010 [3] 胡志刚.牛头刨床六杆机构的多体动力学分析及优化设计[J].
三峡大学学报(自然科学版)，2006，28(3)：226～229 [4] 韩宝菊，徐剑波.基于ADAMS的插床动力学仿真分析及优化
了解各设计变量对样机性能的影响。对这些设计变量
采用不同的参数值进行一系列的仿真，然后根据返回
的分析结果，得出每个设计变量对样机性能(目标值)
的影响大小，即敏感度。具体的方法包括：设计研
究(Design Study)、试验设计(Design of Experiments，
DOE)和优化分析(Optimization)。
ADAMS/PostProcessor是用来处理仿真结果数 据、显示仿真动画等的模块，它可以在ADAMS/View 环境中进行，也可以脱离该环境独立运行。
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