机电产品的虚拟设计与仿真 四川大学制造科学与工程学院本科课程 《机电产品的虚拟设计与仿真》教学大纲 课程编号： 302062020 课程类型： 选修课 Course Code: B02062020 Course Type: Elective 课程名称： 机电产品的虚拟设计与仿真 授课对象： 本科三年级学生 Course Name Virtual Design and Simulation Audience: unior Electromechanical Products 学时/学分： 322 授课语言： 中文 Credit 32/2 Language of Chinese Mandarin Hours/Credits Instruction 先修课程： 理论力学、材料力学、机械原理和机械设研课院系： 机械工程系 ourse offered by Prerequisite: Theoretical Mechanics,Material Mechanical Eng. Mechanics.Mechanical Principles Mechanical design 适用专业： 机械设计制造及其自动化专业 授课教师： tended for: Mechanical Design,Manufacturing and astructor: Automation 大纲执笔人： 姚进 大纲审核人： 专业负责人 Edited by: YAO JIN Inspected by: Course Leader 一、课程简介 本课程是一门面向本专业机械设计方向开设的产品设计建模与仿真的工程技术课程。本课程 主要讲授机电产品中共性部件的几何建模、材料特征和约束特征建模、驱动和阻力建模、模型集 成、运动学和动力学仿真的基本知识和方法，并通过实践环节使学生掌握仿真实验技术。本课程 其目的在于培养学生具有机电产品进行系统表达、建立仿真模型、运动学动力学仿真与实验、应 用现代仿真软件的能力，为后继专业课程学习和今后从事设计制造工作打下坚实的基础。 二、学习目标 本课程的学习目标是使学生达到以下要求： 了解虚拟样机技术的基本知识、技术发展现状和发展趋势 2、 掌握系统建模方法和仿真软件的基本操作：
机电产品的虚拟设计与仿真 四川大学制造科学与工程学院本科课程 《机电产品的虚拟设计与仿真》教学大纲 课程编号： Course Code: 302062020 302062020 课程类型： Course Type: 选修课 Elective 课程名称： Course Name: 机电产品的虚拟设计与仿真 Virtual Design and Simulation of Electromechanical Products 授课对象： Audience: 本科三年级学生 Junior 学时/学分： Credit Hours/Credits 32/2 32/2 授课语言： Language of Instruction 中文 Chinese Mandarin 先修课程： Prerequisite: 理论力学、材料力学、机械原理和机械设 计 Theoretical Mechanics，Material Mechanics， Mechanical Principles， Mechanical Design 开课院系： Course offered by: 机械工程系 Department of Mechanical Eng. 适用专业： Intended for: 机械设计制造及其自动化专业 Mechanical Design, Manufacturing and Automation 授课教师： Instructor: 大纲执笔人： Edited by: 姚 进 YAO JIN 大纲审核人： Inspected by: 专业负责人 Course Leader 一、课程简介 本课程是一门面向本专业机械设计方向开设的产品设计建模与仿真的工程技术课程。本课程 主要讲授机电产品中共性部件的几何建模、材料特征和约束特征建模、驱动和阻力建模、模型集 成、运动学和动力学仿真的基本知识和方法，并通过实践环节使学生掌握仿真实验技术。本课程 其目的在于培养学生具有机电产品进行系统表达、建立仿真模型、运动学动力学仿真与实验、应 用现代仿真软件的能力，为后继专业课程学习和今后从事设计制造工作打下坚实的基础。 二、学习目标 本课程的学习目标是使学生达到以下要求： 1、 了解虚拟样机技术的基本知识、技术发展现状和发展趋势； 2、 掌握系统建模方法和仿真软件的基本操作； 1
3、能实现机电产品中共性部件的几何建模、材料特征和约束特征建模、驱动和阻力建 模。根据机电产品系统特征，完成结构组成单元建模集成 4、能实现机电产品运动学和动力学仿真，具有进行系统表达、建立仿真模型、分析求 解的能力： 5、 设计和实施机电产品虚拟仿真实验，并能够对实验结果进行分析。 三、学习目标与毕业要求的对应关系 毕业要求 单业要求指标点 学习目标 4.1对于机械工程领域设计、制造、运行中可 (4)能够基于科学原理并牙 的复杂工程问题，能够基于科学原理并采用科学习目标2 用科学方法，针对机械工程领域设 学方法，设计相应的实验： 计、制造、运行等方面的复杂工程 42对于机械工程领域设计、制造、运行中可 问题进行研究，通过设计、实施实 的复杂工程问题，能够制定实验流程并实施实 学习目标 险，获取、分析和解释数据，并通 过信息综合，获得合理有效的结 43能够获取、分析与解释实验数据，并通 学习目标4 过信息综合，得到合理有效的研究结论。 (5)能够选择、使用与开发 恰当的技术、资源、现代工程工具 和信息技术手段和工具，针对机械 51能够洗择话当的技术、资源、现代工程 工程领域设计、制造、运行等方面 工具和信息技术工具，进行机械工程领域设计、学习目标5 的复杂工程问题，进行预测与模 制造、运行中复杂工程问题的预测与模拟： 拟，并能够理解相关技术工具、针 对复杂工程问题预测与模拟结果 的局限性。 (12)了解机械设计制造及其 自动化领域的新理论、新技术及国 12.1能够了解当前机械设计制造及其自动 内外发展动态，具有自主学习和终 学习目标1 化领域的发展状态与发展趋势： 身学习的意识，有不断学习和适月 发展的能力。 四、教学基本内容 第一章绪论（理论2学时） (1)虚拟样机技术的基本概念、组成和发展： (2)虚拟样机技术方法与工程应用： (3)虚拟样机软件ADAMS及机电产品研制周期中作用。 2
3、 能实现机电产品中共性部件的几何建模、材料特征和约束特征建模、驱动和阻力建 模。根据机电产品系统特征，完成结构组成单元建模集成 4、 能实现机电产品运动学和动力学仿真，具有进行系统表达、建立仿真模型、分析求 解的能力； 5、 设计和实施机电产品虚拟仿真实验，并能够对实验结果进行分析。 三、学习目标与毕业要求的对应关系 毕业要求 毕业要求指标点 学习目标 （4）能够基于科学原理并采 用科学方法，针对机械工程领域设 计、制造、运行等方面的复杂工程 问题进行研究，通过设计、实施实 验，获取、分析和解释数据，并通 过信息综合，获得合理有效的结 论。 4.1 对于机械工程领域设计、制造、运行中 的复杂工程问题，能够基于科学原理并采用科 学方法，设计相应的实验； 学习目标 2 4.2 对于机械工程领域设计、制造、运行中 的复杂工程问题，能够制定实验流程并实施实 验； 学习目标 3 4.3 能够获取、分析与解释实验数据，并通 过信息综合，得到合理有效的研究结论。 学习目标 4 （5）能够选择、使用与开发 恰当的技术、资源、现代工程工具 和信息技术手段和工具，针对机械 工程领域设计、制造、运行等方面 的复杂工程问题，进行预测与模 拟，并能够理解相关技术工具、针 对复杂工程问题预测与模拟结果 的局限性。 5.1 能够选择适当的技术、资源、现代工程 工具和信息技术工具，进行机械工程领域设计、 制造、运行中复杂工程问题的预测与模拟； 学习目标 5 （12）了解机械设计制造及其 自动化领域的新理论、新技术及国 内外发展动态，具有自主学习和终 身学习的意识，有不断学习和适应 发展的能力。 12.1 能够了解当前机械设计制造及其自动 化领域的发展状态与发展趋势； 学习目标 1 四、教学基本内容 第一章 绪 论（理论 2 学时） （1） 虚拟样机技术的基本概念、组成和发展； （2） 虚拟样机技术方法与工程应用； （3） 虚拟样机软件 ADAMS 及机电产品研制周期中作用。 2
基本要求：了解虚拟样机技术的概念、组成和发展、工程应用领域，掌握虚拟样机技术在机 电产品研制中的作用和特点。 重点与难点：掌握虚拟样机技术在机电产品研制中的作用和特点。 毕业要求对应关系：本章学习内容对应学习目标1，支撑毕业要求指标点12.1。 第二章机电产品虚拟样机建模方法与应用软件基础（理论3学时，上机3学时） (1)机电产品虚拟样机建模方法与流程： (2)ADAMS软件各个模块功能与的界面、莱单以及工具单元的特性包括外观、视图、零件 库、约束库、力库以及动画仿真等的简单操作： (3)基本的ADAMS设计流程，包括设置工作环境、创建物体(Part):创建约束副(Constraint): 各个零件和约束的创建过程及各自的属性设置：各部件的生成及相互约束关系： (4)模型的创建（前处理）、仿真（求解）及查看结果（后处理）的流程，包括模型修改(Modify) 施加初始条件、进行仿真(Simulation)与播放动画(Animation)、输出测量曲线： (5)案例展示通过具体的工程实例一四杆机构，来具体介绍ADAMS的设计流程及使用方 法。 基本要求：了解机电产品虚拟样机建模流程，掌握系统建模方法和仿真软件的基本操作，掌 握连杆机构建模方法。 重点与难点：掌握系统建模方法和仿真软件的基本操作，掌握连杆机构建模方法， 毕业要求对应关系：本章学习内容对应学习目标3，支撑毕业要求指标点4.1。 第三章机电产品共性机构与部件建模(1)（理论2学时，上机6学时） (1)齿轮传动机构模型：齿轮传动模型的建立：各种零件的创建和属性设置：各种约束副的 创建和属性设置：速度标记点的创建：齿轮副的创建和参数设置：添加约束和验证模型：对模型 进行运动学仿真，输出仿真曲线： (2)平面凸轮机构：使用样条曲线命令建立凸轮：其他构件的创建和属性设置：各种约束副 的创建和属性设置：添加线一线约束以及运动约束：验证模型，确定模型的正确性：建立测量与 运动仿真分析：低副、高副的创建方法： 基本要求：了解机电产品中共性部件建模流程，掌握齿轮传动机构和平面凸轮机构的建模方 法。 重点与难点：掌握齿轮传动机构和平面凸轮机构的建模方法。 毕业要求对应关系：本章学习内容对应学习目标3，支撑毕业要求指标点4.2。 第四章机电产品共性机构与部件建模(2)（理论2学时，上机6学时） (1)弹簧阻尼器模型：模型的创建：弹簧阻尼器参数的设置：静平衡测试弹簧力的大小：计 算模型的固有频率：导入弹簧的刚度系数，将线性弹簧改为非线性弹簧：利用函数编辑器修改力： 3
基本要求：了解虚拟样机技术的概念、组成和发展、工程应用领域，掌握虚拟样机技术在机 电产品研制中的作用和特点。 重点与难点:掌握虚拟样机技术在机电产品研制中的作用和特点。 毕业要求对应关系：本章学习内容对应学习目标 1，支撑毕业要求指标点 12.1。 第二章 机电产品虚拟样机建模方法与应用软件基础（理论 3 学时，上机 3 学时） （1）机电产品虚拟样机建模方法与流程； （2） ADAMS 软件各个模块功能与的界面、菜单以及工具单元的特性包括外观、视图、零件 库、约束库、力库以及动画仿真等的简单操作； （3）基本的 ADAMS 设计流程，包括设置工作环境、创建物体（Part）；创建约束副（Constraint）； 各个零件和约束的创建过程及各自的属性设置；各部件的生成及相互约束关系； （4）模型的创建（前处理）、仿真（求解）及查看结果（后处理）的流程，包括模型修改（Modify）、 施加初始条件、进行仿真（Simulation）与播放动画（Animation）、输出测量曲线； （5）案例展示通过具体的工程实例——四杆机构，来具体介绍 ADAMS 的设计流程及使用方 法。 基本要求：了解机电产品虚拟样机建模流程，掌握系统建模方法和仿真软件的基本操作，掌 握连杆机构建模方法。 重点与难点：掌握系统建模方法和仿真软件的基本操作，掌握连杆机构建模方法。 毕业要求对应关系：本章学习内容对应学习目标 3，支撑毕业要求指标点 4.1。 第三章 机电产品共性机构与部件建模（1）（理论 2 学时，上机 6 学时） （1）齿轮传动机构模型：齿轮传动模型的建立；各种零件的创建和属性设置；各种约束副的 创建和属性设置；速度标记点的创建；齿轮副的创建和参数设置；添加约束和验证模型；对模型 进行运动学仿真，输出仿真曲线； （2）平面凸轮机构：使用样条曲线命令建立凸轮；其他构件的创建和属性设置；各种约束副 的创建和属性设置；添加线—线约束以及运动约束；验证模型，确定模型的正确性；建立测量与 运动仿真分析；低副、高副的创建方法； 基本要求：了解机电产品中共性部件建模流程，掌握齿轮传动机构和平面凸轮机构的建模方 法。 重点与难点:掌握齿轮传动机构和平面凸轮机构的建模方法。 毕业要求对应关系：本章学习内容对应学习目标 3，支撑毕业要求指标点 4.2。 第四章 机电产品共性机构与部件建模（2）（理论 2 学时，上机 6 学时） （1）弹簧阻尼器模型：模型的创建；弹簧阻尼器参数的设置；静平衡测试弹簧力的大小；计 算模型的固有频率；导入弹簧的刚度系数，将线性弹簧改为非线性弹簧；利用函数编辑器修改力； 3
建立力与变形的测量并仿真分析，观察二者的关系：了解求两点间的距离的AKISPL函数： (2)小球与保龄球的碰撞模型：创建模型，所包含的物体包括平台、曲柄、连杆、滑块、小 球和球瓶：添加各种约束；定义小球和滑块、小球与平台、小球与球瓶以及球瓶和平台的碰撞， 创建碰撞力：设置碰撞中的摩擦力：利用函数编辑器修改约束的运动函数：验证模型，进行仿真 分析：掌握制作AI电影的步骤与方法：掌握函数的获取和编辑： (3)电机模型的仿真：选择的电机模型，介绍DDC(并联或串联)，直流无刷、步进和交流 同步驱动使用的分析方法：ADAMS电机模块：外部软件的联合仿真，通过介入MATLAB或Easy 等软件定义电机的驱动力矩：对电机执行精确的位置控制：仿真取得传动系统收到的电机信号。 基本要求：了解机电产品中共性部件建模流程，掌捉弹簧阻尼器、碰撞过程、电机驱动的建 模方法。 重点与难点：掌握弹簧阻尼器、碰撞过程、电机驱动的建模方法。 毕业要求对应关系：本章学习内容对应学习目标3，支撑毕业要求指标点42 第五章机电系统棋型集成与系统仿真案例（理论3学时，上机5学时） (1)机电产品系统模型集成方法与流程 (2)起重机模型：创建模型，包括铲斗、悬臂、轴肩、基座和座架：模型的倒角处理：确定 各物体之间的各种约束副：验证模型的准确性：添加各物体之间的各种驱动，设置运动函数：测 试模型，初步确定模型的运动属性：仿真分析，观察起重机的运动：掌握函数编辑器的使用： (3)弹簧挂锁的优化设计：参数化创建弹簧挂锁模型，它是一个包括运动件、运动副、约 束和作用力等在内的机械系统模型：通过模拟仿真模型在实际操作过程中的动作来测试所建模型： 观察参数化的作用：测试准备：添加一个Inplane虚约束，以及一个拉压弹簧和手柄力九：建立力 和角度的测量：建立一个传感器，检测overcenter_angle什么时候达到负值，这时挂锁也就可靠锁 合：检测到这种情况，传感器会自动停止仿真过程：模型的仿其分析与保存：细化模型，使你的 仿真测试数据符合物理样机试验数据：深化设计，评估系统模型针对不同的设计变量的灵镇度： 优化设计方案，找到能够获得最佳性能的最优化设计组合：介绍复杂模型的典型工作流程和处理 方法： 基本要求：了解机构组成单元模型集成，掌握系统运动学动力学仿真方法和虚拟仿真实验方 法。 重点与难点：掌握系统运动学动力学仿真方法和虚拟仿真实验方法。 毕业要求对应关系：本章学习内容对应学习目标4、5，支撑毕业要求指标点4.3、5.1。 五、建议教学进度（理论教学12学时，上机20实践学时） 章节名称 学时数 第一章绪论 2(理论2学时) 第二章机电产品虚拟样机建模方法与应用软 6(理论3学时，上机3学时)
建立力与变形的测量并仿真分析，观察二者的关系；了解求两点间的距离的 AKISPL 函数； （2）小球与保龄球的碰撞模型：创建模型，所包含的物体包括平台、曲柄、连杆、滑块、小 球和球瓶；添加各种约束；定义小球和滑块、小球与平台、小球与球瓶以及球瓶和平台的碰撞， 创建碰撞力；设置碰撞中的摩擦力；利用函数编辑器修改约束的运动函数；验证模型，进行仿真 分析；掌握制作 AVI 电影的步骤与方法；掌握函数的获取和编辑； （3）电机模型的仿真：选择的电机模型，介绍 DDC（并联或串联），直流无刷、步进和交流 同步驱动使用的分析方法；ADAMS 电机模块；外部软件的联合仿真，通过介入 MATLAB 或 Easy5 等软件定义电机的驱动力矩；对电机执行精确的位置控制；仿真取得传动系统收到的电机信号。 基本要求：了解机电产品中共性部件建模流程，掌握弹簧阻尼器、碰撞过程、电机驱动的建 模方法。 重点与难点:掌握弹簧阻尼器、碰撞过程、电机驱动的建模方法。 毕业要求对应关系：本章学习内容对应学习目标 3，支撑毕业要求指标点 4.2。 第五章 机电系统模型集成与系统仿真案例（理论 3 学时，上机 5 学时） （1）机电产品系统模型集成方法与流程 （2）起重机模型：创建模型，包括铲斗、悬臂、轴肩、基座和座架；模型的倒角处理；确定 各物体之间的各种约束副；验证模型的准确性；添加各物体之间的各种驱动，设置运动函数；测 试模型，初步确定模型的运动属性；仿真分析，观察起重机的运动；掌握函数编辑器的使用； （3）弹簧挂锁的优化设计：参数化创建弹簧挂锁模型，它是一个包括运动件、运动副、约 束和作用力等在内的机械系统模型；通过模拟仿真模型在实际操作过程中的动作来测试所建模型； 观察参数化的作用；测试准备：添加一个 Inplane 虚约束，以及一个拉压弹簧和手柄力；建立力 和角度的测量；建立一个传感器，检测 overcenter_angle 什么时候达到负值，这时挂锁也就可靠锁 合；检测到这种情况，传感器会自动停止仿真过程；模型的仿真分析与保存；细化模型，使你的 仿真测试数据符合物理样机试验数据；深化设计，评估系统模型针对不同的设计变量的灵敏度； 优化设计方案，找到能够获得最佳性能的最优化设计组合；介绍复杂模型的典型工作流程和处理 方法； 基本要求：了解机构组成单元模型集成，掌握系统运动学动力学仿真方法和虚拟仿真实验方 法。 重点与难点：掌握系统运动学动力学仿真方法和虚拟仿真实验方法。 毕业要求对应关系：本章学习内容对应学习目标 4、5，支撑毕业要求指标点 4.3、5.1。 五、建议教学进度（理论教学 12 学时，上机 20 实践学时） 章节名称 学时数 第一章 绪论 2（理论 2 学时） 第二章机 电产品虚拟样机建模方法与应用软 6（理论 3 学时，上机 3 学时） 4
件基础 第三章机电产品共性机构与部件建模(1) 8(理论2学时，上机6学时) 第四章机电产品共性机构与部件建模(2) 8(理论2学时，上机6学时) 第五章机电系统模型集成与系统仿真案例 8(理论3学时，上机5学时) 六、教学策略与方法 1、阐述基本原理，理论联系实际，培养学生分析和解决问题的能力： 2、采用多媒体课件与课堂实践互动相结合进行教学，提高教学效率： 3、通过案例分析，强调机电产品仿真方法和运用： 4、课堂教学与课外实践相结合方法，每次课堂教学后，均布置课外实践。 七、考核方式 平时考勤，平时实践作业，上机综合测验，期末闭卷笔试。 八、成绩评定方法 1、总成绩组成 期末笔试成绩30%（至少包含一道非标准答案题）。 平时成绩70%，其中平时实践成绩30%，平时考勤10%，上机综合测验30%。 2、期末笔试考核要点 (1)虚拟样机技术的基本知识、技术发展现状和发展趋势： (2)机电产品虚拟样机建模和仿真的基本操作： (3)机电产品中共性部件建模仿真流程： (4)机构组成单元模型集成，系统运动学动力学仿真方法和虚拟仿真实验方法。 3、上机综合测验考核要点 (1)机电产品的模型建立： (2)机电产品模型的约束添加： (3)机电产品模型的驱动设置： (4)机电产品模型的测量参数设置： (5)机电产品的仿真设置 (6)机电产品仿真后处理操作 4、平时作业考核要点(8次) (1)每次课堂教授主要内容的练习： (2)每次课堂教授方法的实际应用。 九、教学参考书与其他相关教学资源（如网上教学资源等） 5
件基础 第三章 机电产品共性机构与部件建模（1） 8（理论 2 学时，上机 6 学时） 第四章 机电产品共性机构与部件建模（2） 8（理论 2 学时，上机 6 学时） 第五章 机电系统模型集成与系统仿真案例 8（理论 3 学时，上机 5 学时） 六、 教学策略与方法 1、 阐述基本原理，理论联系实际，培养学生分析和解决问题的能力； 2、采用多媒体课件与课堂实践互动相结合进行教学，提高教学效率； 3、通过案例分析，强调机电产品仿真方法和运用； 4、课堂教学与课外实践相结合方法，每次课堂教学后，均布置课外实践。 七、考核方式 平时考勤，平时实践作业，上机综合测验，期末闭卷笔试。 八、成绩评定方法 1、总成绩组成 期末笔试成绩 30%（至少包含一道非标准答案题）。 平时成绩 70%，其中平时实践成绩 30%，平时考勤 10%，上机综合测验 30%。 2、期末笔试考核要点 （1）虚拟样机技术的基本知识、技术发展现状和发展趋势； （2）机电产品虚拟样机建模和仿真的基本操作； （3）机电产品中共性部件建模仿真流程； （4）机构组成单元模型集成，系统运动学动力学仿真方法和虚拟仿真实验方法。 3、上机综合测验考核要点 （1）机电产品的模型建立； （2）机电产品模型的约束添加； （3）机电产品模型的驱动设置； （4）机电产品模型的测量参数设置； （5）机电产品的仿真设置； （6）机电产品仿真后处理操作。 4、平时作业考核要点(8 次) （1）每次课堂教授主要内容的练习； （2）每次课堂教授方法的实际应用。 九、教学参考书与其他相关教学资源（如网上教学资源等） 5
[山《MD ADAMS虚拟样机从入门到精通》贾长治，殷军辉，薛文星等，机械工业出版社， 2010年1月 2]☑《ADAMS实例教程》李军、刑俊文、草文洁等，北京理工大学出版社，2002年7月第1 版。 B)《虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践》，王国强、张进平、马若丁，西北工业大学出 叛社，2002年3月第1版 [4《ADAMS-一虚拟样机技术入门与提高》，郑建荣，机械工业出版社，2002年4月第1版
[1]《MD ADAMS 虚拟样机从入门到精 通》贾长冶, 殷军辉, 薛文星等，机械工业出版社， 2010 年 1 月 [2]《ADAMS 实例教程》李军、刑俊文、覃文洁 等，北京理工大学出版社，2002 年 7 月第 1 版。 [3]《虚拟样机技术及其在 ADAMS 上的实践》，王国强、张进平、马若丁，西北工业大学出 版社，2002 年 3 月第 1 版 [4]《ADAMS—虚拟样机技术入门与提高》，郑建荣，机械工业出版社，2002 年 4 月第 1 版。 6
