GD518多臂机主传动机构设计.docx
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GD518多臂机主传动机构设计
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
ABSTRACT
Currentlyonthemarketmostofthewaterjetloomareintroducedfromabroad,thedemandforwaterjetloomintheourcountryisimprovingyearbyyear,sohowtoindependentdevelopmentstablerunning,goodqualityofthewaterjetloomhasbecomeanewtopic.
ThistopicismainlybasedonXinchangHequnmachineryco.,LTDenjoysdevelopingGD518typedobby,mainwayistouseJapanimportedGD50dobbydesignandrenovation,designandmanufactureofdobbyGD518type.Usingthree-dimensionalmodelingsimulationtodetermineprojectfeasibility.ThroughthePro/EsimulationfortheCAM,togettherequireddataandtheworkingcurve,usingtheMATLABforCAMreverse,inthroughthePro/Eforreverseresultthesimulationandcomparisonfortheoriginaldata,toimproveprecisionoftheCAMandimprovethequalityofCAM,thusimprovethespeed,thelifeofdobbyandrunningstability.
Thispaperismainlydividedintothefollowingseveralaspectstostudy:
（1）forthewholemachineofsurveyingandmapping,combinedwiththeexistingdatamodeling.
（2）isobtainedbysurveyingandmappingfordifficulttojustreversecalculationofCAM,inordertoobtaintheavailableCAMdata.（3）theresultsobtainedbyusingthreedimensionalmotionsimulationtodetermineprojectfeasibility.（4）forprocessingproceduretocarryonthesimpleanalysis,usingPro/Encmachiningsimulation,theproductionandprocessingcode.
Keywords:
ConjugateCAMmechanism;MATLAB;Pro/E;Reverse;Thesimulation
摘要
Abstract
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。
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，
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1511M、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—12或是对STAUBII2000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。
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、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
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。
第2章三维图及二维工程图的制作
2.1建模软件简介
2.1.1Pro/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】
2.1.2AutoCAD的简介
AutoCAD（AutoComputerAidedDesign）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】
2.2GD518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。
图2-1GD518型多臂机与织机装配图
图2-2GD518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
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2-3GD518型多臂机实物图
图2-4GD518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。
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
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。
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，sineaccelerationcurve），其推程时的运动方程为
式（3-1）
回程时的运动方程为
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）
（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，simpleharmonicmotion）其推程时的运动方程为
式（3-3）
回程时的运动方程为
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）
（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
式（3-5）
式中，δ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
式（3-6）
因待定系数有6个，故可设定6个边界条件为
在始点处δ=0，s=0，v=0,a=0
在终点处δ=δ0，s=h，v=0,a=0
代入式3.1.6可解的C0=C1=C2=0，C3=10h/δ03,C4=-15h/δ04，C5=6h/δ05，故其位移方程式为
式（3-7）
式3.1.7称为五次多项式（或3-4-5多项式，polynomialmotion）。
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，
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
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