机械毕业设计（论文）-GD518多臂机主传动机构设计【全套图纸】

本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 题题 目目 GD518 多臂机主传动机构设计多臂机主传动机构设计 学学 院院 机械与自动控制学院机械与自动控制学院 专业班级专业班级 09 机制机制 4 班班 姓姓 名名 学学 号号 指导教师指导教师 系系 主主 任任 学院院长学院院长 二 O 一三 年 五 月 五 日 浙浙 江江 理理 工工 大大 学学 机械与自动控制学院机械与自动控制学院 毕业设计诚信声明 我谨在此保证：本人所做的毕业设计，凡引用他人的研究成果均 已在参考文献或注释中列出。设计说明书与图纸均由本人独立完成， 没有抄袭、剽窃他人已经发表或未发表的研究成果行为。如出现以上 违反知识产权的情况，本人愿意承担相应的责任。 声明人（签名）： 年 月 日 GD518 型多臂机主传动机构设计 I 摘要 目前市面上大多数喷水织机都是从国外引进，而我国对于喷水织机的需求量 又是逐年提高，因此如何自主开发运行稳定，质量上乘的喷水织机成了新的课题。 本课题主要是基于新昌鹤群机械有限公司开发GD518型多臂机展开的，主要 方式是利用日本引进的GD50型多臂机进行再设计和改造，设计制造GD518型多臂 机。利用三维建模仿真来确定方案可行性。通过Pro/E对于原凸轮进行仿真，得 到所需的数据以及工作曲线，再利用MATLAB对于凸轮进行反求，再通过Pro/E对 于反求结果进行仿真和对于原数据的对比，从而实现提高凸轮精度，改善凸轮质 量，进而提升多臂机的转速、寿命以及运行稳定性。 本文主要分为以下几个方面来研究：（1）对于整机进行测绘，结合已有数 据进行建模。（2）对于难以仅仅通过测绘得到的凸轮进行反求计算，以获得可 用的凸轮数据。（3）所得结果利用三维运动仿真来确定方案的可行性。（4）对 于加工工序进行简单的分析，利用Pro/E进行数控加工仿真，生产加工代码。 关键词:共轭凸轮机构；MATLAB；Pro/E；反求；仿真 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 浙江理工大学本科毕业设计 II ABSTRACT Currently on the market most of the water jet loom are introduced from abroad, the demand for water jet loom in the our country is improving year by year, so how to independent development stable running, good quality of the water jet loom has become a new topic. This topic is mainly based on Xinchang Hequn machinery co., LTD enjoys developing GD518 type dobby, main way is to use Japan imported GD50 dobby design and renovation, design and manufacture of dobby GD518 type. Using three-dimensional modeling simulation to determine project feasibility. Through the Pro/E simulation for the CAM, to get the required data and the working curve, using the MATLAB for CAM reverse, in through the Pro/E for reverse result the simulation and comparison for the original data, to improve precision of the CAM and improve the quality of CAM, thus improve the speed, the life of dobby and running stability. This paper is mainly divided into the following several aspects to study: (1) for the whole machine of surveying and mapping, combined with the existing data modeling. (2) is obtained by surveying and mapping for difficult to just reverse calculation of CAM, in order to obtain the available CAM data. (3) the results obtained by using three dimensional motion simulation to determine project feasibility. (4) for processing procedure to carry on the simple analysis, using Pro/E nc machining simulation, the production and processing code. KeywordsKeywords: Conjugate CAM mechanism; MATLAB; Pro/E; Reverse; The simulation GD518 型多臂机主传动机构设计 III 目录 摘 要 Abstract 第 1 章 绪 论 1 1.1 选题的意义及研究背景 .1 1.1.1 我国纺织机械的发展现状.1 1.1.2 我国纺织机械与国际先进水平的比较.2 1.2 我国多臂机的发展方向 .3 1.2.1 我国多臂机发展的现状.3 1.2.2 我国新型多臂机的发展途径和方法.4 1.3 课题研究的主要内容 .5 1.3.1GD518 整机的三维图与仿真5 1.3.2对于凸轮的优化与研究 .5 1.4 本章小结 .6 第 2 章 三维图及二维工程图的制作 .8 2.1 建模软件简介 .8 2.1.1 Pro/E 的简介.8 2.1.2 AutoCAD 的简介.8 2.2 GD518 型多臂机介绍8 2.3 建模难点分析与解决方案 10 2.3.1 原始数据的获得 .10 2.3.2 数据的修正11 2.4 关于凸轮的建模 12 2.5 本章小结 13 第 3 章 凸轮的轮廓线与运动分析 14 3.1 几种常见的凸轮运动规律 14 3.1.1 正弦加速度运动规律14 3.1.2 余弦加速度运动规律15 3.1.3 多项式运动规律16 3.2 原凸轮的拟合 17 3.2.1 凸轮的纯数据拟合17 3.2.2 凸轮的运动仿真18 3.3 新凸轮的运动曲线拟合 20 3.3.1MATLAB 简介20 3.3.2 利用 MATLAB 拟合曲线.21 3.4 新凸轮的运动仿真 22 3.4.1 凸轮轮廓线的计算22 浙江理工大学本科毕业设计 IV 3.4.2 凸轮轮廓线的偏差矫正22 3.4.3 新凸轮的运动仿真23 3.5 副凸轮的设计 26 3.5.1 副凸轮设计的必要性26 3.5.2 副凸轮的计算方式26 3.5.3 副凸轮的共轭性27 3.6 本章小结 28 第 4 章 凸轮的制造工艺分析及数控仿真 29 4.1 凸轮加工现状分析及存在的问题 29 4.1.1 凸轮加工现状分析29 4.1.2 凸轮加工存在问题分析30 4.2 凸轮加工工艺分析 33 4.2.1 凸轮加工要求33 4.2.2 凸轮轮廓工艺路线33 4.2.3 夹具的设计33 4.2.4 精加工切削参数的选择33 4.3 Pro/E 模拟加工过程.34 4.4 本章小结.36 第 5 章 结论 37 参考文献 39 致 谢 42 附录一：主凸轮计算数据（部分） 43 附录二：MATLAB 凸轮仿真程序61 附录三：凸轮数控加工代码 63 附录四：整机爆炸图 71 GD518 型多臂机主传动机构设计 1 第 1 章 绪 论 1.1 选题的意义及研究背景 纺织行业是社会经济发展的重要支柱，而中国作为一个纺织业发展的大国 更是如此。改革开放之后，国外的一些纺织企业进入中国市场，给纺织行业的 发展带来了活力。国内纺织企业从最初的单纯引进国外机型，已经发展到吸收、 改造和自主开发，取得了长足的进步，但与国外的先进织机相比还是有很大的 差距【1】。因此，加强技术的改进与创新，增进先进的设计技术和先进的制造 技术的研究和应用已经到了很紧迫的地步【2】。国内纺织行业织造厂引进国外 织机很多，由于引进织机价格昂贵，在一定程度上制约了该行业的发展。早期 进口的大部分设备己经陈旧，存在着生产率低、故障率高等缺陷，因此对织机 的改造势在必行【3】，将原有的织机进行改造，通过自主研发的形式改进织机， 无论从经济上还是科研上都是一条可行之路。 1.1.1 我国纺织机械的发展现状 中国的纺织机械行业在最近这些年发展最为迅速。目前中国已拥有全球约 55%的纺织机，另外纺纱机的占有率也达到了 23%。随着全球经济一体化的不断 加快，我国纺织机械工业面临着更大的机遇，同时也是更严峻的挑战。只有不 断发展自身优势，积极进取，开拓创新，才能确保在竞争中不断占领更多的市 场，提升企业在国内甚至是国际上的竞争力【4】。 多臂机作为现代纺织机械中常用的设备已经经过了 100 多年的发展。目前 多臂机的技术已经十分成熟，几乎能与任何织机配套使用。如何有效提高多臂 机的生产效率，是当前最需解决的问题。【4】【5】【6】【7】 中国的纺织机械企业对于国内市场的了解普遍大于国际市场，因为对于国 内市场，企业不仅可以更直接的满足国内市场的需求，而且可以提供更为完善 的售后服务。而国外企业虽然有更先进的技术，和专业上的优势，但是对于中 国市场，国内企业还是占据了大部分的份额。 浙江理工大学本科毕业设计 2 自从中国入世以后，国内纺织企业抓住了这次难得的机遇，大力发展，开 拓创新，取得了前所未有的进步。2000 年中国纺织机械出口突破 2 亿美元大关， 仅用了短短三年的时间【8】，这就实现了翻一翻。而来自海关总署的统计数据 显示，2011 年 1-12 月，我国纺织机械进出口总额累计为 76.10 亿美元，同比 增长 25.6%，目前中国纺织机的市场容量大约为 80 亿美元左右，已经占到全球 的 30%，预计未来中国的纺织机销售额还将继续增长，前景一片大好【9】。 1.1.2我国纺织机械与国际先进水平的比较 就国内的纺织产业而言，从其开始到现在经历了从无到有的过程，在这一 过程中起到关键作用的就是储纬器等相关器械产品。为了使其具备更为强劲的 市场竞争力，多年来在高新技术的推动下更多的科技元素开始融入相关产品中， 带来了生产力的进一步提升【10】。 简单来看，当前相关产品机械的状况日渐呈现以下几个趋势特点：第一， 在经济体制上发生了较大的变化，从开始的计划经济转变为如今的市场经济， 更为全面的拓展了市场的容量。第二，在产品的附加值上增加了更多的科技元 素，为其增值不少。第三，日渐摆脱了过去传统产业的包袱开始朝着高新技术 产业的方向靠拢，使其具有的应用领域大为拓展【11】【12】。 种种迹象表明，当前的相关技术水平已经逐渐进入了一个相对成熟的阶段， 这位诸多企业带来了更为理想的市场形势。 国内外优势比较： 国内：汇率的优势 人民币汇率水平将由市场力量决定。我国一直努力控制着人民币升值，以 确保国际贸易正常进行。国际知名的纺织企业多数都是欧盟国家，也是纺机需 求的重地。目前，欧元对美元升值，而中国的人民币是定住美元政策。因此， 将会抑制欧盟纺织机械企业进入中国，而这中国纺织机械出口的好机会。根据 国内外经济金融形势和中国国际收支状况，中国人民银行决定进一步推进人民 币汇率形成机制改革，增强人民币汇率弹性。 国内：适应国情的优势 中国很多纺织企业投资了国外设备，但却带来了一系列问题：由于人才等 匮乏，国内纺企无法在短期内适应这样的新设备，这不仅发挥不出国外设备优 GD518 型多臂机主传动机构设计 3 势， 浙江理工大学本科毕业设计 4 而且造成巨大的浪费。因此，国内设备更适合纺织企业人员素质相对比较 低的现实，更能结合我国的实际情况。其次是国外企业售后服务，尤其是零配 件的供应，还有维修问题困扰。 国内：在某些工序上的优势 国内企业在无梭织机、气流纺的设备有明显的劣势，这些设备所生产的产 品的市场也非常有限。因此，这些设备销量也非常有限。国内企业的优势产品 如果得到更好的发挥，也会获得很大的市场。例如中国纺织机械的优势在纺织 中的前纺工序。国内某纺机企业就是利用了这样的优势生产出市场上性价比最 好的产品，成功拿到了大定单。 国外：生产效率高 一些定位较高的纺织企业仍钟情于进口设备。那是因为国外设备一般都工 艺流程短，自动化、信息化程度高，因此，在一些工序中产量大，生产周期短。 同时，由于生产效率高，可以减少设备的数量，减少厂房的占用。因此，从效 率的角度看国外设备比较适合对交货比较紧、工厂位置地价比较高的纺织企业。 国外：专业化的经营 国外纺织机械企业多数都只专注于某个工序，并且在这个领域做成世界名 牌。例如，舒美特公司的优势就是剑杆织机，青泽公司则更专注于细纱工序。 而国内企业大都搞多元化经营，导致没有自己的优势、特色。企业要先做精、 后做强、有机会再做大，这才是正确的发展道路。 国外：设备的不可替代性 对于很多纺织企业来说，一些关键的设备，关键的部件国内根本就不能生 产，即能使生产也没有经济价值。国外纺织机械有技术含量高，外形轻巧、操 作简单等优势，特别是在一些高端领域，国外设备具有绝对的优势。尤其在五 梭织机、气流纺、精密纺等工序的优势更加明显，处于垄断地位。国内企业要 本着借鉴与学习的态度，不断提高设备的质量、性能和人性化设计【13】【16】【19】。 1.2 我国多臂机的发展方向 1.2.1 我国多臂机发展的现状 GD518 型多臂机主传动机构设计 5 1980 年前国产 100 多万台有梭织机多臂均是 1511M ，1515 类老多臂，受 力不合理，无法织制高档产品；丝织行业的 K274、TK232、TK233 及毛织行业的 H212 单动式全开梭口多臂其水平仅仅是 4O50 年代水平【21】【22】。 可喜的是通过“七五”、“八五”近十年的努力由中纺机、成阳纺机、 常熟纺机等研制的 GD401 型多臂(相当于 200 型积极式多臂)， GD411、GD412、GD41112、GD412-12，积极式多臂(相当于 2200 系列)， GD265、GD266(相当于 100 型)，GD267(相当于 550 系列)。虽然走过了一段曲折 的路，但相对于老式 1 511M 、1515 类毕竟档次上是提高了一大步。尤其在逐 步淘汰老式有梭织机的进程中，这些较新型的多臂已从“提高”阶段(相对于老 式多臂的“提高”)逐步走向普及的初级阶段【24】. 可以这样说在高档织机未占领国内市场以前，也就是说在国内纺织厂织机 设备如以中档作为向织机无梭化过渡的第一阶段为主基调的话，那么 100 型及 2200 型多臂将会出现一个需求高峰。但是要注意的是需求的高峰应该是稳步上 升的过程，如果增长太快，必然回落也快。 1.2.2 我国新型多臂机的发展途径和方法 无论是对 SGD4105 或 GD411、GD4111 2 或是对 STAUBI I2000 型回转 多臂的开发，首先要从观念上进行变革。因为企业生产销售的市场不能仅局限 于国内，而应该先国内，后国外，最后国内国外同时开展攻势，这就要使多臂 生产手段现代化【26】。 根据回转多臂由箱体、调频齿轮、导键臂、偏心回转薄壁冲压件，大型薄 壁形滚珠轴承，等零件组成的特点，多臂制造厂必须加强下列技术改造和管理， 以充分保证多臂产品功能的可靠性： 1、高强度薄壁箱体类铸件的铸造配方，孔系加工。 2、螺旋伞齿轮的加工及热处理。 3、凸轮(包括凹型及凸型)精加工，热处理。 4、对主关键实现自动测量，自选补偿分级分组并在精加工工序宴现 100 的检测。 5、回转多臂每单元偏心提综元件冲压件多工位高速精冲工艺 浙江理工大学本科毕业设计 6 6、大直径特殊滚动轴承的制造手段。 7、回转多臂(含 2232、2212 多臂)专用推拉连杆的冲、挤压工艺。 8、以计算机、数控机床，成组技术三者为基础向多臂制造柔性化的发展。 9、加强多臂空转、负荷、超负荷、动平衡、振动、噪声，泄漏试验等可 靠性工作的研究。 10、加强传感器在数控机床中的应用，控制刀具的自动补偿，保证重复件， 结合件尺寸一致性，提高零件互换性。 11、工程塑料配方、模具制造技术，塑料成形设备，工具，检测设备改造。 【28】【29】 1.3 课题研究的主要内容 本论文主要有两方面的研究，一是 GD518 整机的三维图及装配仿真；二是 对于凸轮的再计算以及优化 1.3.1GD518 整机的三维图与仿真 本阶段的任务主要有两点：一是通过现有的二维图数据，配合现场原机的 测量进行三维建模；二是将所有部件出图完毕后进行三维总装和仿真动画，使 其在理论上完成可行性。 本阶段的主要步骤 对于所有的二维图进行统筹的规划，对于以可用于加工的二维图进行直接 处理；对于缺少一些必要数据的二维图，通过计算或者实际测量取得理论值， 再根据真实设计需要进行数值上的修正；对于没有二维图的某些部件，通过实 际测量原机，以获得可靠的数据，从而进行二维出图和三维出图。 在已完成所有二维图的基础上，利用 Pro/E 进行三维建模，然后再根据所 得到的的三维模型和原机进行三维总装，观测是否符合原机的装配。 在原有总装图的基础上，进行三维仿真，观测是否具有干涉，确定所得图 GD518 型多臂机主传动机构设计 7 在理论上的可行性。 1.3.2对于凸轮的优化与研究 本阶段的研究主要有二点：一是根据从动件的运动规律，通过反求的方式 来活的原凸轮轮廓曲线的理论值，得到精准的凸轮廓线，这样可以从最大限度 上解决因为仅仅通过测量而导致旧凸轮的制造误差、磨损误差、测绘误差、新 凸轮的制造误差带来的系列问题【31】；二是借助数控机床编程的软件 MASTERCAM、PROE编写数控加工程序加工凸轮产品，尽最大的可能减小与原凸 轮设计上的差距，通过平衡、校正、样机测试继续升级凸轮的性能，实现产品 互换要求。【32】 本阶段的主要步骤： 对共轭凸轮进行动态分析。建立动力学模型；通过模型简化处理方法，建立 单自由度的动力学模型；建立相应的动力学模型运动方程式；利用计算机软 件进行实际动力学参数计算，绘制相应的曲线，得出大量仿真数据，为共轭 凸轮设计提供理论支持。 对引纬机构共轭凸轮的轮廓曲线进行反求。根据纺织工艺，结合运动规律， 利用计算机编程得出理论轮廓曲线的精准坐标值；开发AutoCAD软件中的 AutoLISP语言，绘制凸轮的理论轮廓曲线图形；绘制凸轮实际轮廓曲线的图 形，得到主、回凸轮的精准坐标值。这一研究方法不借助现有产品的数据， 只根据产品的使用要求及纺织工艺，经理论分析后得出设计参数，解决了以 往凸轮设计采用实测数据所带来的轮廓误差问题。 对凸轮进行数控加工研究。分析凸轮加工中的一些常用的方法，提出一个可 行的方案来进行加工；利用近似双圆弧插值法，提升圆弧加工精度【33】；利 用Mastercam软件，对共轭凸轮进行造型、刀具模拟及实体验证的加工仿真， 验证设计的合理性；通过后置处理生成NC文件，实现共轭凸轮实体的数控加 工。采用数控加工解决复杂曲线的加工问题，明显提高凸轮轮廓的精准度。 对加工后的凸轮进行平衡校正及样机测试。在平衡机上进行平衡及校正：对 凸轮进行动特性测试；利用零件替换方法，对加工后的凸轮进行样机试验， 对非正常振动、噪声及产品质量参数进行测量【34】。按照论文的设计思路， 浙江理工大学本科毕业设计 8 经数控加工并通过平衡校正后的凸轮，是符合机构的运行要求。 1.4 本章小结 本章通过对于纺织机械在中国的发展以及与国外先进技术的比较，明确了 在 GD518 型多臂机主传动机构设计 7 国内加强纺织机械设计的迫切性和必要性，又从理论上分析了此次设计的可行 性和工作步骤，明确了这次设计的要点和过程，从而可以准确有效的完成此次 设计。 浙江理工大学本科毕业设计 8 第 2 章 三维图及二维工程图的制作 2.1 建模软件简介 2.1.1 Pro/E的简介 1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1988年， V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。经过10余年的发展，Pro/ENGINEER已经成为三 维建模软件的领头羊。PTC的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多 项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。 Pro/ENGINEER还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。 【39】 2.1.2 AutoCAD的简介 AutoCAD（Auto Computer Aided Design）是美国 Autodesk 公司首次于 1982 年开发的自动计算机辅助软件软件，用于二维绘图、详细绘制、设计文档 和基本三维设计。现已经成为国际上广为流行的绘图工具。AutoCAD 具有良好 的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操作。它的多文档设 计环境，让非计算机专业人员也能很快地学会使用。在不断实践的过程中更好 地掌握它的各种应用和开发技巧，从而不断提高工作效率。AutoCAD 具有广泛 的适应性，它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上运行。 【40】 2.2 GD518型多臂机介绍 GD518型多臂机是新一代的消极式多臂，可以制止各种变化组织的织物，织 物组织最大循环纬数可达1200纬，最大提综数16片，间距12mm，标准配置电动 平综装置，可选配手动平综。其性能优良，运行平稳，可适应超宽幅3600mm织 GD518 型多臂机主传动机构设计 9 机，1900门幅最高转速可达600rpm。 图图 2-2-1 1 GD518GD518 型多臂机与织机装配图型多臂机与织机装配图 图图 2-2-2 2 GD518GD518 型多臂机机构图型多臂机机构图 如上图所示（图 2-2） ，图中 1 为小弧伞齿轮，2 为大弧伞齿轮，3 为共轭凸 轮机构，4 为摇臂，5 为拉钩夹片，6 为刀钩，7 为拉钩，8 为大刀片，9 为提综 臂连片，10 为提综臂，11 为主轴。 以上部件基本构成了 GD518 主传动，其简单的工作原理为：部件 1 小弧伞齿轮 做输入，带动部件 2 大弧伞齿轮，进而带动部件 11 主轴的旋转。接着利用主轴 上的部件 3 共轭凸轮机构的旋转带动部件 4 摆臂的往返运动。通过部件 6 刀钩 和部件 7 拉钩的相互作用，带动整个后续机构随摇臂进行往复运动。由于部件 浙江理工大学本科毕业设计 10 5 拉钩夹片的作用，使得部件 8 大刀片可以视为与前面部件为一个整体，最后 利用 GD518 型多臂机主传动机构设计 11 部件 9 提综臂连片带动部件 10 提综臂的运动，从而完成提综的过程。 而在图 2-2 中只涉及到一个提综臂的运动，实际的机械中，因为拉钩分为上 拉钩和下拉钩，使得相邻两个提综臂呈现出截然相反的运动方式，而正是这种 排列的交替，最终完成整个多臂机主传动的完成。 2.3 建模难点分析与解决方案 2.3.1 原始数据的获得 如绪论中所述，建模的最大难点在于没有所有的完整的图纸，因此大部分 建模是基于现场测绘加之理论分析的。图 2-3 为主机实物图 图图 2-2-3 3 GD518GD518 型多臂机实物图型多臂机实物图 浙江理工大学本科毕业设计 12 图图 2-2-4 4 GD518GD518 型多臂机型多臂机 为了获取没有的数据，我们对于大部分零件进行了测量，测量时主要采用 日本三丰公司出产的三坐标测量仪，以此获得了大部分零件的原始数据，以此 为基础获得建模时所应得到的数据。 2.3.2数据的修正 通过实际测量，得到大部分数据以后，即可利用现有的数据配合 AutoCAD 制 图获得相应的二维图纸，但由于大部分的测量数据存在测量误差亦或者是原件 存在加工误差，因此很多图纸还要进行理论性的修正。如图 2-5，此零件在得到 原始数据的情况下，三维建模无法完成贴合的装配，因此在不改变原来的运动 规律的基础上将其数据进行适当的修正，最后获得合适的二维图如图 2-6。 GD518 型多臂机主传动机构设计 13 图图 2-2-5 5 拉钩原图拉钩原图 经过角度上细微的修正以后在仿真中和实际生产中可以做到更好的贴合 图图 2-2-6 6 拉钩设计图拉钩设计图 2.4 关于凸轮的建模 通过三坐标测量仪，以每 0.1 度取一点，整个凸轮廓线共取 3600 个点，通 过这些点导入 Pro/E，可以得到凸轮轮廓曲线，将导入得到以后的凸轮进行动 态仿真以后发现，运动规律中加速度呈现出跳动的情况，同时观测凸轮的曲率 可以明显看到有很大的波动因此为了整机运动的稳定性和使用的寿命，对于凸 浙江理工大学本科毕业设计 14 轮必须进 行再设计。具体整改方案在第三章中进行论述。 2.5 本章小结 本章先对 GD518 多臂机的机构进行了分析，再通过对建模过程的分析阐 述了此次设计中建模的重点和难点。对于大部分零件可以通过简单的方式整改， 但凸轮等部件需要进行再计算以获得新的凸轮数据，为接下来的凸轮计算创造 了先提条件。 GD518 型多臂机主传动机构设计 15 第 3 章 凸轮的轮廓线与运动分析 3.1 几种常见的凸轮运动规律 3.1.1正弦加速度运动规律 正弦加速度运动规律（又称摆线运动规律，sine acceleration curve） ，其推 程时的运动方程为 式（3- 2 00 2 00 00 ,/ ),/2sin(2 /2cos1 2/2sin/ h hv hs a 1） 回程时的运动方程为 式（3- 2 00 2 00 00 ,/ ),/2sin(2 /1/2cos 2/2sin/1 h hv hs a 2） 其推程时的运动线图如图 3-1 所示。由图可见，其既无刚性冲击也无柔性 冲击。 (a) 浙江理工大学本科毕业设计 16 (b) (c) 图图 3-3-1 1 正弦运动规律位移速度加速度示意图正弦运动规律位移速度加速度示意图 3.1.2余弦加速度运动规律 余弦加速度运动规律（又称简谐运动规律，simple harmonic motion）其推 程时的运动方程为 式（3- 2 00 22 00 0 2/ )/cos( 2/sin 2/cos1 h hv hs a 3） 回程时的运动方程为 式（3- 2 00 22 00 0 2/ )/cos( 2/sin 2/cos1 h hv hs a 4） 其推程时的运动线图如图 3-2 所示。由图可见，在首末两点推杆的加速度 有突变，故有柔性冲击而无刚性冲击。 GD518 型多臂机主传动机构设计 17 (d) (e) (f) 图图 3-3-2 2 正弦运动规律位移速度加速度示意图正弦运动规律位移速度加速度示意图 3.1.3多项式运动规律 推杆多项式运动规律的一般表达式为 式(3-5) n nCCCCs 2 2 1 10 式中，为凸轮转角；s为推杆位移；C0,C1,C2,，Cn为待定系数，可利用 边界条件等来确定。常用的又以下几种多项式运动规律：一次多项式运动规律， 浙江理工大学本科毕业设计 18 二次多项式运动规律，五次多项式运动规律。而一般在实际应用当中我 们普遍使用五次多项式运动规律。 五次多项式运动规律，其表达式为 式(3-6) 32 5 22 4 2 3 2 2 4 5 3 4 2 321 4 4 3 3 2 2 1 10 201262/ 5432/ CCCCdtdva CCCCCdtdsv CCCCCCs n n 因待定系数有6个，故可设定6个边界条件为 在始点处 =0，s=0，v=0,a=0 在终点处 =0，s=h，v=0,a=0 代入式3.1.6可解的C0=C1=C2=0，C3=10h/03,C4=-15h/04，C5=6h/05，故 其位移方程式为 式(3-7) 5 0 54 0 43 0 3 /6/15/10hhhs 式3.1.7称为五次多项式（或3-4-5多项式，polynomial motion）。此运动规律 既无刚性冲击也无柔性冲击。 如果工作中有多种要求，只需吧这些要求裂成相应的边界条件，并增加多 项式中的方次，即可求得推杆相应的运动方程式。但当边界条件增多时，会使 设计计算复杂，加工精度也难以达到，故通常不宜采用太高次数的多项式。 【41】 3.2 原凸轮的拟合 3.2.1凸轮的纯数据拟合 利用三坐标测量仪得到的凸轮轮廓曲线，通过导入Pro/E生成测量得到的原 凸轮如图3-3所示 GD518 型多臂机主传动机构设计 19 图图 3-3-3 3 原凸轮原凸轮 Pro/EPro/E 三维图三维图 但测量其曲率可以发现其曲率呈现出极大的不稳定性（见图 3.4） ，跳动很明显， 浙江理工大学本科毕业设计 20 而此跳动必然会影响整机运行的稳定性和寿命，因此需要重新拟合，获得新凸 轮数据，以替代此凸轮。 图图 3-3-4 4 原凸轮曲率分析原凸轮曲率分析 3.2.2凸轮的运动仿真 因为要通过原始凸轮产生新凸轮，而凸轮的运动规律和原始凸轮又不能有 太大的差距，因此需先将纯数据得到的凸轮进行动态仿真，装配图如图3-5 图图 3-3-5 5 原凸轮装配仿真原凸轮装配仿真 利用两根轴建立摆臂与凸轮基圆的位置关系，在通过滚子与凸轮建立凸轮约束， 即可获得组件的装配关系，利用此装配进行运动仿真获得动画（图 3-6） ，再进 行必要的运动分析（图 3-7） ，对摆臂的位移，速度，加速度进行分析可以获得 三个运动关系（图 3-8） GD518 型多臂机主传动机构设计 21 图图 3-3-6 6 原凸轮仿真设定参数原凸轮仿真设定参数 图图 3-3-7 7 原凸轮仿真所得结果原凸轮仿真所得结果 图图 3-3-8 8 原凸轮仿真位移速度加速度图示原凸轮仿真位移速度加速度图示 将三幅图的数据导入 AutoCAD，得到三张图整体的图形（图 3-9） 。同时还可以 浙江理工大学本科毕业设计 22 因此得到位移的最大值最小值，速度的最大最小值等一系列的数据 图图 3-3- 9 9 原凸轮位移速度加速度原凸轮位移速度加速度 CADCAD 图示图示 分析三张图表我们可以发现凸轮运动的位移和速度都是基本平滑的变化， 唯独加速度的变化呈现出跳动的形态，对比之前得到的曲率的变化，我们可以 明确地得出因为曲率变化的跳动性，直接导致了加速度的不确定变化，因此在 设计凸轮的时候我们需要尽量的拟合原凸轮的曲线据此得到一个较为理想的加 速度变化曲线，从而得到凸轮的轮廓曲线。 3.3 新凸轮的运动曲线拟合 3.3.1MATLAB简介 MATLAB 是由美国 mathworks 公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交 互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化 以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗 环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提 供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言 （如 C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB 和 Mathematica、Maple、MathCAD 并称为四大数学软件。它在数学 类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB 可以进行矩阵运算、绘制 函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应 GD518 型多臂机主传动机构设计 23 用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模 设计与分析等领域。 MATLAB 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形 式十分相似，故用 MATLAB 来解算问题要比用 C，FORTRAN 等语言完成相同的事 情简捷得多，并且 MATLAB 也吸收了像 Maple 等软件的优点，使 MATLAB 成为一 个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对 C，FORTRAN，C+，JAVA 的支持。 可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到 MATLAB 函数库中方便 自己以后调用，此外许多的 MATLAB 爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以 直接进行下载就可以用。 3.3.2 利用 MATLAB 拟合曲线 由于之前得到的点过于零散，因此需要利用 MATLAB 对于点进行重新的 拟合，拟合的数据见附录，据此即可获得经过拟合以后更为平整曲线的点，以 获得最新的可以参数化的平滑的位移曲线，速度曲线，以及加速度曲线，将这 些曲线与原曲线进行比较（图 3-10） ，我们可以看到速度与位移基本处于完全吻 合的状态，而加速度也不再波动，因此根据此数据得出来的凸轮曲线可以最大 程度上还原原设计凸轮。 图图 3-3-1010 新拟合凸轮位移速度加速度新拟合凸轮位移速度加速度 浙江理工大学本科毕业设计 24 3.4 新凸轮的运动仿真 3.4.1 凸轮轮廓线的计算 由于已经得到了凸轮的位移及相应的角度，而且摆臂长，基圆圆心与摆臂旋 转中心的距离也是已知，如图 3-11 所示。 图图 3-3-1111 主凸轮机构简图主凸轮机构简图 因此可以计算出滚子在凸轮上运动的理论轮廓线，而这个轮廓线经过减去滚子 半径以后即可获得凸轮轮廓线。计算过程如下 )+20.15+COS(*L*L*2-2L+2(LL2121 上述式子其实为余弦定理的一个变形，其中 L 是我们需要求得的滚子中心与凸 轮基圆的距离，L1为摆臂长度，L2为摆臂中心与基圆中心的距离，为为初始 位置滚子与基圆连线还有摆臂中心与基圆连线的夹角，而 则是通过拟合所得 的角位移。而因为计算时起始位置的角位移为-20.15 度，因此在计算角度时， 我们在后面增加了一个 -（-20.15） ，即 20.15+。 3.4.2 凸轮轮廓线的偏差矫正 上述计算已经使我们得到了理论上的轮廓曲线（极径和角度一一对应）。但 我们在实际的仿真以后发现存在很小的偏差，具体分析得到结果为因为滚子位 置的变化使得滚子与基圆的连线和中心距之间的夹角存在一个极小的变化，正 GD518 型多臂机主传动机构设计 25 是这 浙江理工大学本科毕业设计 26 个角度的变化使得我们算出来的极径不应与原来的角度（没 0.1 度一个极径） 相对应，这个角度应该存在一个变化值才能完全的贴合原凸轮。具体的计算方 式如下。 2)32.3914377-L)*L2*L12)/(2-L2+ACOS(L22 显然是我们所期望求得的产生偏差的角度，而这个偏差的角度和原角度 进行相加，就得到了我们所得极径对应的正确的角度具体（计算数据见附录） 。 3.4.3 新凸轮的运动仿真 首先将新凸轮和旧凸轮进行一下重叠，见图 3-12，可以发现肉眼上看，两 者是基本重叠的，这就保证了新凸轮不会与设计原凸轮有太大的不同，保证了 再设计的还原性。 图图 3-3-1212 新凸轮与旧凸轮重叠比较新凸轮与旧凸轮重叠比较 同时，观察凸轮的曲率变化（图 3-13），可以发现曲率不再进行跳跃，而 是呈现出平滑的形态，这就从最大限度上保证了整机的运动稳定性和寿命。 GD518 型多臂机主传动机构设计 27 图图 3-3-1313 新凸轮曲率分析新凸轮曲率分析 然后将新凸轮按照 3.2.2 中所述进行装配，装配所得结果如图 3-14。 图图 3-3-1414 新凸轮装配仿真新凸轮装配仿真 此装配图与原先的装配图也类似。同样的，将新凸轮与摆臂滚子进行凸轮 约束，然后以基圆圆心为旋转中心，进行动态仿真（图 3-15），再将此次的仿 真结果进行位移，速度，加速的的确认，所得图 3-16。 浙江理工大学本科毕业设计 28 图图 3-3-1515 新凸轮仿真参数设定新凸轮仿真参数设定 图图 3-3-1616 新凸轮仿真位移速度加速度图示新凸轮仿真位移速度加速度图示 从图 3-16 中，我们可以清楚的看到，这次的仿真结果，在保证了原凸轮的 位移和速度的基础上，加速度和曲率一样不会再出现和之前一样跳跃的情况。 至此就可以基本保证了凸轮运动的稳定性。 将所得的运动数据导出，将点导入 AutoCAD，与原先的仿真曲线进行重叠 比较（图 3-17），我们发现位移的拟合度可以达到 97%以上，这就保证了新凸 GD518 型多臂机主传动机构设计 29 轮在运动规律上与原凸轮的设计基本处于相同的情况。至此，从理论上新凸轮 可以代替原凸轮进行装机。 图图 3-3-1717 新凸轮与旧凸轮位移对比图示新凸轮与旧凸轮位移对比图示 3.5 副凸轮的设计 3.5.1 副凸轮设计的必要性 由于机构为凸轮组，因此，而共轭凸轮组的共轭性是机组运动稳定的基础， 因此必须通过主凸轮来推算副凸轮，才能在共轭性上获得提高。对比与之前主 副凸轮的共轭性观察，我们发现，此凸轮具有一定的干涉，因此，加强了需要 再设计副凸轮的要求。 3.5.2 副凸轮的计算方式 由图 3-18 可以观察到，可以通过主凸轮的数据来确定副凸轮的外轮廓，这 样可以最大限度的保证两个凸轮的共轭性完好。 浙江理工大学本科毕业设计 30 图图 3-3-1818 凸轮机构示意图凸轮机构示意图 由于摆臂的长度已知，摆臂之间的角度已知，基圆中心与摆臂中心之间的 距离已知，而主凸轮与滚子之间的极径是在之前所求得的，因此可通过以下的 计算来求得副凸轮的外轮廓数据。 )+20.15+72(32.391437-COS(90.68*L*L*2-2L+2LL2121 上述式子也可以视为是余弦定理的变式，式中 L1为摆臂中心与基圆中心的 连线距离，L2为摆臂的长度，90.68 度为计算所得的主副凸轮的滚子的夹角， 而 32.39143772+20.15+ 则是为主凸轮转过的角度，以此来推出副凸轮的角度 以保证副凸轮和主凸轮的共轭性。所求的的 L 即为滚子在副凸轮上的运动轨迹， 减去滚子半径即为副凸轮的外轮廓线。 3.5.3 副凸轮的共轭性 虽然上述计算的副凸轮在理论上的共轭性可以达到完全，但是由于计算误 差，数位省略和其他一系列原因，必然会存在一定的误差，因此，共轭性观测 一般只需将两凸轮装配在 Pro/E 中进行肉眼观测即可。 但为了验证数据的准确性，我们利用 Pro/E 进行碰撞试验，分别用两个凸 轮进行约束进行两次碰撞试验，发现两个凸轮并不会产生干涉，因此可以认定 共轭凸轮的共轭性良好。 GD518 型多臂机主传动机构设计 31 3.6 本章小结 本章着重介绍了凸轮的计算的过程，其中包括两点，一是主凸轮的设计， 二是副凸轮的设计。主凸轮主要是利用现有的测量数据带入获得大致曲线，通 过拟合获得比较平稳的数据，计算求得凸轮廓线。再通过仿真来验证所求得凸 轮与原凸轮的差距，以此确定新设计的凸轮是否符合设计要求。副凸轮主要通 过主凸轮的设计数据，利用角度关系求得新凸轮的副凸轮。保证了副凸轮可以 与主凸轮有良好的共轭性。 32 第 4 章 凸轮的制造工艺分析及数控仿真 4.1 凸轮加工现状分析及存在的问题 我国的纺织企业目前有很多的纺织机械，其中主要分为有梭织机和无梭织 机两大类，而目前，新型织机以无梭为主，有片梭织机、剑杆织机、喷气织机、 喷水织机四种类型。高速喷气织机的应用范围十分广泛，但由于先进机械都是 进口于外国，价格昂贵，而国内织机需求数量又大，需要很多的外汇才能购买。 因而，在使用国外先进装备的同时，通过对先进技术、工艺的消化吸收，在此 基础上仿制、研制国产新型纺机设备已成为纺织机械行业的迫切又重要的课题。 开口设备(如多臂开口机构,提花开口装置,凸轮从动件运动)是一个重要的部分 的织机,开口机构运动特性的控制凸轮曲线,所以凸轮轮廓曲线(曲面)的设计、 制造是好还是坏是织机的重要组成部分的成功发展。凸轮零件精度和加工过程 直接决定了产品的质量,保证制造精度,对凸轮零件、合理的加工工艺和优良的 加工设备是实现这一目标的必要条件。数控铣床、数控加工中心、数控磨床、 凸轮、端面磨、成型磨床和其他先进的数控设备是凸轮轮廓曲线(面)可以满足 技术设计要求。一般平面凸轮和共轭凸轮,可在复制表面磨铣,数控磨床加工,精 密零件可以基本上满足设计要求。通常,由于这些因素的影响如材料、热处理、 研磨、副通常可能的常见故障形式的凸轮,如:接触疲劳磨损、粘着磨损、磨料 磨损、腐蚀、磨损、振动和噪声。关于凸轮加工现状和问题做出简要分析【42】。 4.1.1凸轮加工现状分析 开口机构采用盘形类共轭凸轮，大部分时候我们使用轴承钢GCrl5为材料， 凸轮轮廓的线轮廓度(0Ol002mm)及共轭精度要求较高，无法利用普通 的设备进行加工，所以我们利用到数控、仿形铣削和数控凸轮磨削。凸轮加工 的一般工艺路线为：毛坯锻打一一热处理一一粗加工一一半精加工一一淬火处 理一一斗精加工孔基准或面基准一一粗、精磨凸轮轮廓曲线一一探伤，现针对 几种典型凸轮对其加工方法做一简要分析： GD518 型多臂机主传动机构设计 33 a消极式凸轮，其特点为转速和精度较低 消极式多臂凸轮机构凸轮加工，毛坯材料为球墨铸件，材料为QT6003。典型 的加工艺路线：球铁毛坯一一正火、回火一一车削加工一一斗钳一一仿形铣削 凸轮曲线一一仿形铣削凸轮曲线一一高频淬火一一精铰内孔一一斗曲线抛光一 一清洗一一检验、入库。 b积极式凸轮，其特点为转速和精度较高 1)积极式多臂凸轮机构的凸轮加工该凸轮承受载荷较大，转速较高，其耐磨要 求高。材料选用40Cr，毛坯经锻造处理，基体硬度经调质处理后为 HB220250，凸轮表面要求渗碳淬火，渗碳层深O-812mm(淬火后)，硬度为 HRC5862。 2)高速多臂装置凸轮机构的凸轮加工 凸轮材料采用Crl2MolVI。该凸轮曲线精度要求高，载荷