GD518多臂机主传动机构设计[三维PROE](毕业论文+全套CAD图纸)(答辩通过)

下载文档就送全套 CAD 图纸，扣扣 414951605 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 本科毕业设计（论文） 题 目 GD518 多臂机主传动机构设计 学 院 机械与自动控制学院 专业班级 09 机制 4 班 姓 名 孟筱斌 学 号 B09300420 指导教师 沈毅 系 主 任 胡明 学院院长 胡旭东 二 O 一三 年 五 月 五 日下载文档就送全套 CAD 图纸，扣扣 414951605 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 浙 江 理 工 大 学 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 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. Keywords: Conjugate CAM mechanism； MATLAB； Pro/E； Reverse； The simulation GD518 型多臂机主传动机构设计 III 全套图纸，加 414951605 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 1.3.1 GD518 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 浙江理工大学本科毕业设计 IV 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 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势，GD518 型多臂机主传动机构设计 3 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 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浙江理工大学本科毕业设计 4 单动式全开梭口多臂其水平仅仅是 4O 50 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、 GD411 12、 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、 GD411 1 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 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。 GD518 型多臂机主传动机构设计 5 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 1.3.1 GD518 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，确定所得图在理论上的可行性。 1.3.2 对于凸轮的优化与研究 浙江理工大学本科毕业设计 6 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、 PRO E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，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织机，1900门幅最高转速可达 600rpm。 GD518 型多臂机主传动机构设计 9 图 2-1 GD518 型多臂机与织机装配图 图 2-2 GD518 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 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，最后利用浙江理工大学本科毕业设计 10 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 2-3 GD518 型多臂机实物图 GD518 型多臂机主传动机构设计 11 图 2-4 GD518 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。浙江理工大学本科毕业设计 12 图 2-5 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 2-6 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，对于凸轮必须进 GD518 型多臂机主传动机构设计 13 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。浙江理工大学本科毕业设计 14 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 20020000,/),/2s in (2/2co s12/2s in/hhvhsa式（ 3-1） 回程时的运动方程为 20020000,/),/2s in (2/1/2co s2/2s in/1hhvhsa式（ 3-2） 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) (b) GD518 型多臂机主传动机构设计 15 (c) 图 3-1 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 200220002/)/co s (2/s in2/co s1hhvhsa式（ 3-3） 回程时的运动方程为 200220002/)/co s (2/s in2/co s1hhvhsa式（ 3-4） 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。 (d) 浙江理工大学本科毕业设计 16 (e) (f) 图 3-2 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 nnCCCCs 22110 式 (3-5) 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，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 325224232245342321443322110201262/5432/CCCCdtdvaCCCCCdtdsvCCCCCCs nn式 (3-6) 因待定系数有 6个，故可设定 6个边界条件为 GD518 型多臂机主传动机构设计 17 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 505404303 /6/15/10 hhhs 式 (3-7) 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 图 3-3 原凸轮 Pro/E 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 18 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 3-4 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 3-5 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 19 图 3-6 原凸轮仿真设定参数 图 3-7 原凸轮仿真所得结果 图 3-8 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 20 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 3- 9 原凸轮位移速度加速度 CAD 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，主要应用GD518 型多臂机主传动机构设计 21 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 3-10 新拟合凸轮位移速度加速度 浙江理工大学本科毕业设计 22 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 3-11 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 )+2 0 . 1 5+C O S ( (*L*L*2-2L+2(LL 2121 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，正是这GD518 型多臂机主传动机构设计 23 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)3 2 . 3 9 1 4 3 7 7-L ) )*L2*L 1 2 ) / ( 2-L 2+A C O S ( ( L 2 2 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 3-12 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。 浙江理工大学本科毕业设计 24 图 3-13 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