GD518多臂機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)【含24張CAD圖紙】
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GD518型多臂機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘要
目前市面上大多數(shù)噴水織機(jī)都是從國外引進(jìn)，而我國對(duì)于噴水織機(jī)的需求量又是逐年提高，因此如何自主開發(fā)運(yùn)行穩(wěn)定，質(zhì)量上乘的噴水織機(jī)成了新的課題。
本課題主要是基于新昌鶴群機(jī)械有限公司開發(fā)GD518型多臂機(jī)展開的，主要方式是利用日本引進(jìn)的GD50型多臂機(jī)進(jìn)行再設(shè)計(jì)和改造，設(shè)計(jì)制造GD518型多臂機(jī)。利用三維建模仿真來確定方案可行性。通過Pro/E對(duì)于原凸輪進(jìn)行仿真，得到所需的數(shù)據(jù)以及工作曲線，再利用MATLAB對(duì)于凸輪進(jìn)行反求，再通過Pro/E對(duì)于反求結(jié)果進(jìn)行仿真和對(duì)于原數(shù)據(jù)的對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)提高凸輪精度，改善凸輪質(zhì)量，進(jìn)而提升多臂機(jī)的轉(zhuǎn)速、壽命以及運(yùn)行穩(wěn)定性。
本文主要分為以下幾個(gè)方面來研究：（1）對(duì)于整機(jī)進(jìn)行測繪，結(jié)合已有數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。（2）對(duì)于難以僅僅通過測繪得到的凸輪進(jìn)行反求計(jì)算，以獲得可用的凸輪數(shù)據(jù)。（3）所得結(jié)果利用三維運(yùn)動(dòng)仿真來確定方案的可行性。（4）對(duì)于加工工序進(jìn)行簡單的分析，利用Pro/E進(jìn)行數(shù)控加工仿真，生產(chǎn)加工代碼。
關(guān)鍵詞:共軛凸輪機(jī)構(gòu)；MATLAB；Pro/E；反求；仿真
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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
目錄
摘 要
Abstract
第1章 緒 論 1
1.1 選題的意義及研究背景 1
1.1.1我國紡織機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.1.2我國紡織機(jī)械與國際先進(jìn)水平的比較 2
1.2 我國多臂機(jī)的發(fā)展方向 3
1.2.1我國多臂機(jī)發(fā)展的現(xiàn)狀 3
1.2.2我國新型多臂機(jī)的發(fā)展途徑和方法 4
1.3 課題研究的主要內(nèi)容 5
1.3.1 GD518整機(jī)的三維圖與仿真 5
1.3.2 對(duì)于凸輪的優(yōu)化與研究 5
1.4 本章小結(jié) 6
第2章 三維圖及二維工程圖的制作 8
2.1 建模軟件簡介 8
2.1.1 Pro/E的簡介 8
2.1.2 AutoCAD的簡介 8
2.2 GD518型多臂機(jī)介紹 8
2.3 建模難點(diǎn)分析與解決方案 10
2.3.1 原始數(shù)據(jù)的獲得 10
2.3.2數(shù)據(jù)的修正 11
2.4 關(guān)于凸輪的建模 12
2.5 本章小結(jié) 13
第3章 凸輪的輪廓線與運(yùn)動(dòng)分析 14
3.1 幾種常見的凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律 14
3.1.1正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律 14
3.1.2余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律 15
3.1.3多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律 16
3.2 原凸輪的擬合 17
3.2.1凸輪的純數(shù)據(jù)擬合 17
3.2.2凸輪的運(yùn)動(dòng)仿真 18
3.3 新凸輪的運(yùn)動(dòng)曲線擬合 20
3.3.1MATLAB簡介 20
3.3.2利用MATLAB擬合曲線 21
3.4 新凸輪的運(yùn)動(dòng)仿真 22
3.4.1凸輪輪廓線的計(jì)算 22
3.4.2凸輪輪廓線的偏差矯正 22
3.4.3新凸輪的運(yùn)動(dòng)仿真 23
3.5 副凸輪的設(shè)計(jì) 26
3.5.1副凸輪設(shè)計(jì)的必要性 26
3.5.2副凸輪的計(jì)算方式 26
3.5.3副凸輪的共軛性 27
3.6 本章小結(jié) 28
第4章 凸輪的制造工藝分析及數(shù)控仿真 29
4.1 凸輪加工現(xiàn)狀分析及存在的問題 29
4.1.1凸輪加工現(xiàn)狀分析 29
4.1.2凸輪加工存在問題分析 30
4.2 凸輪加工工藝分析 33
4.2.1凸輪加工要求 33
4.2.2凸輪輪廓工藝路線 33
4.2.3夾具的設(shè)計(jì) 33
4.2.4精加工切削參數(shù)的選擇 33
4.3 Pro/E模擬加工過程 34
4.4本章小結(jié) 36
第5章 結(jié)論 37
參考文獻(xiàn) 39
致 謝 42
附錄一：主凸輪計(jì)算數(shù)據(jù)（部分） 43
附錄二：MATLAB凸輪仿真程序 61
附錄三：凸輪數(shù)控加工代碼 63
附錄四：整機(jī)爆炸圖 71
第1章 緒 論
1.1 選題的意義及研究背景
紡織行業(yè)是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，而中國作為一個(gè)紡織業(yè)發(fā)展的大國更是如此。改革開放之后，國外的一些紡織企業(yè)進(jìn)入中國市場，給紡織行業(yè)的發(fā)展帶來了活力。國內(nèi)紡織企業(yè)從最初的單純引進(jìn)國外機(jī)型，已經(jīng)發(fā)展到吸收、改造和自主開發(fā)，取得了長足的進(jìn)步，但與國外的先進(jìn)織機(jī)相比還是有很大的差距【1】。因此，加強(qiáng)技術(shù)的改進(jìn)與創(chuàng)新，增進(jìn)先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)和先進(jìn)的制造技術(shù)的研究和應(yīng)用已經(jīng)到了很緊迫的地步【2】。國內(nèi)紡織行業(yè)織造廠引進(jìn)國外織機(jī)很多，由于引進(jìn)織機(jī)價(jià)格昂貴，在一定程度上制約了該行業(yè)的發(fā)展。早期進(jìn)口的大部分設(shè)備己經(jīng)陳舊，存在著生產(chǎn)率低、故障率高等缺陷，因此對(duì)織機(jī)的改造勢(shì)在必行【3】，將原有的織機(jī)進(jìn)行改造，通過自主研發(fā)的形式改進(jìn)織機(jī)，無論從經(jīng)濟(jì)上還是科研上都是一條可行之路。
1.1.1我國紡織機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀
中國的紡織機(jī)械行業(yè)在最近這些年發(fā)展最為迅速。目前中國已擁有全球約55%的紡織機(jī)，另外紡紗機(jī)的占有率也達(dá)到了23%。隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化的不斷加快，我國紡織機(jī)械工業(yè)面臨著更大的機(jī)遇，同時(shí)也是更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。只有不斷發(fā)展自身優(yōu)勢(shì)，積極進(jìn)取，開拓創(chuàng)新，才能確保在競爭中不斷占領(lǐng)更多的市場，提升企業(yè)在國內(nèi)甚至是國際上的競爭力【4】。
多臂機(jī)作為現(xiàn)代紡織機(jī)械中常用的設(shè)備已經(jīng)經(jīng)過了100多年的發(fā)展。目前多臂機(jī)的技術(shù)已經(jīng)十分成熟，幾乎能與任何織機(jī)配套使用。如何有效提高多臂機(jī)的生產(chǎn)效率，是當(dāng)前最需解決的問題?！?】【5】【6】【7】
中國的紡織機(jī)械企業(yè)對(duì)于國內(nèi)市場的了解普遍大于國際市場，因?yàn)閷?duì)于國內(nèi)市場，企業(yè)不僅可以更直接的滿足國內(nèi)市場的需求，而且可以提供更為完善的售后服務(wù)。而國外企業(yè)雖然有更先進(jìn)的技術(shù)，和專業(yè)上的優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)于中國市場，國內(nèi)企業(yè)還是占據(jù)了大部分的份額。
自從中國入世以后，國內(nèi)紡織企業(yè)抓住了這次難得的機(jī)遇，大力發(fā)展，開拓創(chuàng)新，取得了前所未有的進(jìn)步。2000年中國紡織機(jī)械出口突破2億美元大關(guān)，僅用了短短三年的時(shí)間【8】，這就實(shí)現(xiàn)了翻一翻。而來自海關(guān)總署的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2011年1-12月，我國紡織機(jī)械進(jìn)出口總額累計(jì)為76.10億美元，同比增長25.6%，目前中國紡織機(jī)的市場容量大約為80億美元左右，已經(jīng)占到全球的30%，預(yù)計(jì)未來中國的紡織機(jī)銷售額還將繼續(xù)增長，前景一片大好【9】。
1.1.2我國紡織機(jī)械與國際先進(jìn)水平的比較
就國內(nèi)的紡織產(chǎn)業(yè)而言，從其開始到現(xiàn)在經(jīng)歷了從無到有的過程，在這一過程中起到關(guān)鍵作用的就是儲(chǔ)緯器等相關(guān)器械產(chǎn)品。為了使其具備更為強(qiáng)勁的市場競爭力，多年來在高新技術(shù)的推動(dòng)下更多的科技元素開始融入相關(guān)產(chǎn)品中，帶來了生產(chǎn)力的進(jìn)一步提升【10】。
簡單來看，當(dāng)前相關(guān)產(chǎn)品機(jī)械的狀況日漸呈現(xiàn)以下幾個(gè)趨勢(shì)特點(diǎn)：第一，在經(jīng)濟(jì)體制上發(fā)生了較大的變化，從開始的計(jì)劃經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)槿缃竦氖袌鼋?jīng)濟(jì)，更為全面的拓展了市場的容量。第二，在產(chǎn)品的附加值上增加了更多的科技元素，為其增值不少。第三，日漸擺脫了過去傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的包袱開始朝著高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的方向靠攏，使其具有的應(yīng)用領(lǐng)域大為拓展【11】【12】。
種種跡象表明，當(dāng)前的相關(guān)技術(shù)水平已經(jīng)逐漸進(jìn)入了一個(gè)相對(duì)成熟的階段，這位諸多企業(yè)帶來了更為理想的市場形勢(shì)。
國內(nèi)外優(yōu)勢(shì)比較：
國內(nèi)：匯率的優(yōu)勢(shì)
人民幣匯率水平將由市場力量決定。我國一直努力控制著人民幣升值，以確保國際貿(mào)易正常進(jìn)行。國際知名的紡織企業(yè)多數(shù)都是歐盟國家，也是紡機(jī)需求的重地。目前，歐元對(duì)美元升值，而中國的人民幣是定住美元政策。因此，將會(huì)抑制歐盟紡織機(jī)械企業(yè)進(jìn)入中國，而這中國紡織機(jī)械出口的好機(jī)會(huì)。根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)金融形勢(shì)和中國國際收支狀況，中國人民銀行決定進(jìn)一步推進(jìn)人民幣匯率形成機(jī)制改革，增強(qiáng)人民幣匯率彈性。
國內(nèi)：適應(yīng)國情的優(yōu)勢(shì)
中國很多紡織企業(yè)投資了國外設(shè)備，但卻帶來了一系列問題：由于人才等匱乏，國內(nèi)紡企無法在短期內(nèi)適應(yīng)這樣的新設(shè)備，這不僅發(fā)揮不出國外設(shè)備優(yōu)勢(shì)，
而且造成巨大的浪費(fèi)。因此，國內(nèi)設(shè)備更適合紡織企業(yè)人員素質(zhì)相對(duì)比較低的現(xiàn)實(shí)，更能結(jié)合我國的實(shí)際情況。其次是國外企業(yè)售后服務(wù)，尤其是零配件的供應(yīng)，還有維修問題困擾。
國內(nèi)：在某些工序上的優(yōu)勢(shì)
國內(nèi)企業(yè)在無梭織機(jī)、氣流紡的設(shè)備有明顯的劣勢(shì)，這些設(shè)備所生產(chǎn)的產(chǎn)品的市場也非常有限。因此，這些設(shè)備銷量也非常有限。國內(nèi)企業(yè)的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品如果得到更好的發(fā)揮，也會(huì)獲得很大的市場。例如中國紡織機(jī)械的優(yōu)勢(shì)在紡織中的前紡工序。國內(nèi)某紡機(jī)企業(yè)就是利用了這樣的優(yōu)勢(shì)生產(chǎn)出市場上性價(jià)比最好的產(chǎn)品，成功拿到了大定單。
國外：生產(chǎn)效率高
一些定位較高的紡織企業(yè)仍鐘情于進(jìn)口設(shè)備。那是因?yàn)閲庠O(shè)備一般都工藝流程短，自動(dòng)化、信息化程度高，因此，在一些工序中產(chǎn)量大，生產(chǎn)周期短。同時(shí)，由于生產(chǎn)效率高，可以減少設(shè)備的數(shù)量，減少廠房的占用。因此，從效率的角度看國外設(shè)備比較適合對(duì)交貨比較緊、工廠位置地價(jià)比較高的紡織企業(yè)。
國外：專業(yè)化的經(jīng)營
國外紡織機(jī)械企業(yè)多數(shù)都只專注于某個(gè)工序，并且在這個(gè)領(lǐng)域做成世界名牌。例如，舒美特公司的優(yōu)勢(shì)就是劍桿織機(jī)，青澤公司則更專注于細(xì)紗工序。而國內(nèi)企業(yè)大都搞多元化經(jīng)營，導(dǎo)致沒有自己的優(yōu)勢(shì)、特色。企業(yè)要先做精、后做強(qiáng)、有機(jī)會(huì)再做大，這才是正確的發(fā)展道路。
國外：設(shè)備的不可替代性
對(duì)于很多紡織企業(yè)來說，一些關(guān)鍵的設(shè)備，關(guān)鍵的部件國內(nèi)根本就不能生產(chǎn)，即能使生產(chǎn)也沒有經(jīng)濟(jì)價(jià)值。國外紡織機(jī)械有技術(shù)含量高，外形輕巧、操作簡單等優(yōu)勢(shì)，特別是在一些高端領(lǐng)域，國外設(shè)備具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。尤其在五梭織機(jī)、氣流紡、精密紡等工序的優(yōu)勢(shì)更加明顯，處于壟斷地位。國內(nèi)企業(yè)要本著借鑒與學(xué)習(xí)的態(tài)度，不斷提高設(shè)備的質(zhì)量、性能和人性化設(shè)計(jì)【13】【16】【19】。
1.2 我國多臂機(jī)的發(fā)展方向
1.2.1我國多臂機(jī)發(fā)展的現(xiàn)狀
1980年前國產(chǎn)100多萬臺(tái)有梭織機(jī)多臂均是1511M ，1515類老多臂，受力不合理，無法織制高檔產(chǎn)品；絲織行業(yè)的K274、TK232、TK233及毛織行業(yè)的H212單動(dòng)式全開梭口多臂其水平僅僅是4O～50年代水平【21】【22】。
可喜的是通過“七·五”、“八·五”近十年的努力由中紡機(jī)、成陽紡機(jī)、常熟紡機(jī)等研制的GD401型多臂(相當(dāng)于200型積極式多臂)，GD411、GD412、GD411—12、GD412-12，積極式多臂(相當(dāng)于2200系列)，GD265、GD266(相當(dāng)于100型)，GD267(相當(dāng)于550系列)。雖然走過了一段曲折的路，但相對(duì)于老式1 511M 、1515類畢竟檔次上是提高了一大步。尤其在逐步淘汰老式有梭織機(jī)的進(jìn)程中，這些較新型的多臂已從“提高”階段(相對(duì)于老式多臂的“提高”)逐步走向普及的初級(jí)階段【24】.
可以這樣說在高檔織機(jī)未占領(lǐng)國內(nèi)市場以前，也就是說在國內(nèi)紡織廠織機(jī)設(shè)備如以中檔作為向織機(jī)無梭化過渡的第一階段為主基調(diào)的話，那么100型及2200型多臂將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)需求高峰。但是要注意的是需求的高峰應(yīng)該是穩(wěn)步上升的過程，如果增長太快，必然回落也快。
1.2.2我國新型多臂機(jī)的發(fā)展途徑和方法
無論是對(duì)SGD4105或GD411、GD411—1 2或是對(duì)STAUBI I2000型回轉(zhuǎn)多臂的開發(fā)，首先要從觀念上進(jìn)行變革。因?yàn)槠髽I(yè)生產(chǎn)銷售的市場不能僅局限于國內(nèi)，而應(yīng)該先國內(nèi)，后國外，最后國內(nèi)國外同時(shí)開展攻勢(shì)，這就要使多臂生產(chǎn)手段現(xiàn)代化【26】。
根據(jù)回轉(zhuǎn)多臂由箱體、調(diào)頻齒輪、導(dǎo)鍵臂、偏心回轉(zhuǎn)薄壁沖壓件，大型薄壁形滾珠軸承，等零件組成的特點(diǎn)，多臂制造廠必須加強(qiáng)下列技術(shù)改造和管理，以充分保證多臂產(chǎn)品功能的可靠性：
1、高強(qiáng)度薄壁箱體類鑄件的鑄造配方，孔系加工。
2、螺旋傘齒輪的加工及熱處理。
3、凸輪(包括凹型及凸型)精加工，熱處理。
4、對(duì)主關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量，自選補(bǔ)償分級(jí)分組并在精加工工序宴現(xiàn)100 的檢測。
5、回轉(zhuǎn)多臂每單元偏心提綜元件沖壓件多工位高速精沖工藝
6、大直徑特殊滾動(dòng)軸承的制造手段。
7、回轉(zhuǎn)多臂(含2232、2212多臂)專用推拉連桿的沖、擠壓工藝。
8、以計(jì)算機(jī)、數(shù)控機(jī)床，成組技術(shù)三者為基礎(chǔ)向多臂制造柔性化的發(fā)展。
9、加強(qiáng)多臂空轉(zhuǎn)、負(fù)荷、超負(fù)荷、動(dòng)平衡、振動(dòng)、噪聲，泄漏試驗(yàn)等可靠性工作的研究。
10、加強(qiáng)傳感器在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用，控制刀具的自動(dòng)補(bǔ)償，保證重復(fù)件，結(jié)合件尺寸一致性，提高零件互換性。
11、工程塑料配方、模具制造技術(shù)，塑料成形設(shè)備，工具，檢測設(shè)備改造?！?8】【29】
1.3 課題研究的主要內(nèi)容
本論文主要有兩方面的研究，一是GD518整機(jī)的三維圖及裝配仿真；二是對(duì)于凸輪的再計(jì)算以及優(yōu)化
1.3.1 GD518整機(jī)的三維圖與仿真
本階段的任務(wù)主要有兩點(diǎn)：一是通過現(xiàn)有的二維圖數(shù)據(jù)，配合現(xiàn)場原機(jī)的測量進(jìn)行三維建模；二是將所有部件出圖完畢后進(jìn)行三維總裝和仿真動(dòng)畫，使其在理論上完成可行性。
本階段的主要步驟
對(duì)于所有的二維圖進(jìn)行統(tǒng)籌的規(guī)劃，對(duì)于以可用于加工的二維圖進(jìn)行直接處理；對(duì)于缺少一些必要數(shù)據(jù)的二維圖，通過計(jì)算或者實(shí)際測量取得理論值，再根據(jù)真實(shí)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行數(shù)值上的修正；對(duì)于沒有二維圖的某些部件，通過實(shí)際測量原機(jī)，以獲得可靠的數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行二維出圖和三維出圖。
在已完成所有二維圖的基礎(chǔ)上，利用Pro/E進(jìn)行三維建模，然后再根據(jù)所得到的的三維模型和原機(jī)進(jìn)行三維總裝，觀測是否符合原機(jī)的裝配。
在原有總裝圖的基礎(chǔ)上，進(jìn)行三維仿真，觀測是否具有干涉，確定所得圖在理論上的可行性。
1.3.2 對(duì)于凸輪的優(yōu)化與研究
本階段的研究主要有二點(diǎn)：一是根據(jù)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通過反求的方式來活的原凸輪輪廓曲線的理論值，得到精準(zhǔn)的凸輪廓線，這樣可以從最大限度上解決因?yàn)閮H僅通過測量而導(dǎo)致舊凸輪的制造誤差、磨損誤差、測繪誤差、新凸輪的制造誤差帶來的系列問題【31】；二是借助數(shù)控機(jī)床編程的軟件MASTERCAM、PRO／E編寫數(shù)控加工程序加工凸輪產(chǎn)品，盡最大的可能減小與原凸輪設(shè)計(jì)上的差距，通過平衡、校正、樣機(jī)測試?yán)^續(xù)升級(jí)凸輪的性能，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品互換要求?！?2】
本階段的主要步驟：
對(duì)共軛凸輪進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。建立動(dòng)力學(xué)模型；通過模型簡化處理方法，建立單自由度的動(dòng)力學(xué)模型；建立相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型運(yùn)動(dòng)方程式；利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行實(shí)際動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算，繪制相應(yīng)的曲線，得出大量仿真數(shù)據(jù)，為共軛凸輪設(shè)計(jì)提供理論支持。
對(duì)引緯機(jī)構(gòu)共軛凸輪的輪廓曲線進(jìn)行反求。根據(jù)紡織工藝，結(jié)合運(yùn)動(dòng)規(guī)律，利用計(jì)算機(jī)編程得出理論輪廓曲線的精準(zhǔn)坐標(biāo)值；開發(fā)AutoCAD軟件中的AutoLISP語言，繪制凸輪的理論輪廓曲線圖形；繪制凸輪實(shí)際輪廓曲線的圖形，得到主、回凸輪的精準(zhǔn)坐標(biāo)值。這一研究方法不借助現(xiàn)有產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，只根據(jù)產(chǎn)品的使用要求及紡織工藝，經(jīng)理論分析后得出設(shè)計(jì)參數(shù)，解決了以往凸輪設(shè)計(jì)采用實(shí)測數(shù)據(jù)所帶來的輪廓誤差問題。
對(duì)凸輪進(jìn)行數(shù)控加工研究。分析凸輪加工中的一些常用的方法，提出一個(gè)可行的方案來進(jìn)行加工；利用近似雙圓弧插值法，提升圓弧加工精度【33】；利用Mastercam軟件，對(duì)共軛凸輪進(jìn)行造型、刀具模擬及實(shí)體驗(yàn)證的加工仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性；通過后置處理生成NC文件，實(shí)現(xiàn)共軛凸輪實(shí)體的數(shù)控加工。采用數(shù)控加工解決復(fù)雜曲線的加工問題，明顯提高凸輪輪廓的精準(zhǔn)度。
對(duì)加工后的凸輪進(jìn)行平衡校正及樣機(jī)測試。在平衡機(jī)上進(jìn)行平衡及校正：對(duì)凸輪進(jìn)行動(dòng)特性測試；利用零件替換方法，對(duì)加工后的凸輪進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)，對(duì)非正常振動(dòng)、噪聲及產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行測量【34】。按照論文的設(shè)計(jì)思路，經(jīng)數(shù)控加工并通過平衡校正后的凸輪，是符合機(jī)構(gòu)的運(yùn)行要求。
1.4 本章小結(jié)
本章通過對(duì)于紡織機(jī)械在中國的發(fā)展以及與國外先進(jìn)技術(shù)的比較，明確了在
國內(nèi)加強(qiáng)紡織機(jī)械設(shè)計(jì)的迫切性和必要性，又從理論上分析了此次設(shè)計(jì)的可行性和工作步驟，明確了這次設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和過程，從而可以準(zhǔn)確有效的完成此次設(shè)計(jì)。
71
第2章 三維圖及二維工程圖的制作
2.1 建模軟件簡介
2.1.1 Pro/E的簡介
1985年，PTC公司成立于美國波士頓，開始參數(shù)化建模軟件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER誕生了。經(jīng)過10余年的發(fā)展，Pro/ENGINEER已經(jīng)成為三維建模軟件的領(lǐng)頭羊。PTC的系列軟件包括了在工業(yè)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的多項(xiàng)功能，還包括對(duì)大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。Pro/ENGINEER還提供了目前所能達(dá)到的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境?！?9】
2.1.2 AutoCAD的簡介
AutoCAD（Auto Computer Aided Design）是美國Autodesk公司首次于1982年開發(fā)的自動(dòng)計(jì)算機(jī)輔助軟件軟件，用于二維繪圖、詳細(xì)繪制、設(shè)計(jì)文檔和基本三維設(shè)計(jì)?，F(xiàn)已經(jīng)成為國際上廣為流行的繪圖工具。AutoCAD具有良好的用戶界面，通過交互菜單或命令行方式便可以進(jìn)行各種操作。它的多文檔設(shè)計(jì)環(huán)境，讓非計(jì)算機(jī)專業(yè)人員也能很快地學(xué)會(huì)使用。在不斷實(shí)踐的過程中更好地掌握它的各種應(yīng)用和開發(fā)技巧，從而不斷提高工作效率。AutoCAD具有廣泛的適應(yīng)性，它可以在各種操作系統(tǒng)支持的微型計(jì)算機(jī)和工作站上運(yùn)行。【40】
2.2 GD518型多臂機(jī)介紹
GD518型多臂機(jī)是新一代的消極式多臂，可以制止各種變化組織的織物，織物組織最大循環(huán)緯數(shù)可達(dá)1200緯，最大提綜數(shù)16片，間距12mm，標(biāo)準(zhǔn)配置電動(dòng)平綜裝置，可選配手動(dòng)平綜。其性能優(yōu)良，運(yùn)行平穩(wěn)，可適應(yīng)超寬幅3600mm織機(jī)，1900門幅最高轉(zhuǎn)速可達(dá)600rpm。
圖2-1 GD518型多臂機(jī)與織機(jī)裝配圖
圖2-2 GD518型多臂機(jī)機(jī)構(gòu)圖
如上圖所示（圖2-2），圖中1為小弧傘齒輪，2為大弧傘齒輪，3為共軛凸輪機(jī)構(gòu)，4為搖臂，5為拉鉤夾片，6為刀鉤，7為拉鉤，8為大刀片，9為提綜臂連片，10為提綜臂，11為主軸。
以上部件基本構(gòu)成了GD518主傳動(dòng)，其簡單的工作原理為：部件1小弧傘齒輪做輸入，帶動(dòng)部件2大弧傘齒輪，進(jìn)而帶動(dòng)部件11主軸的旋轉(zhuǎn)。接著利用主軸上的部件3共軛凸輪機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)部件4擺臂的往返運(yùn)動(dòng)。通過部件6刀鉤和部件7拉鉤的相互作用，帶動(dòng)整個(gè)后續(xù)機(jī)構(gòu)隨搖臂進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于部件5拉鉤夾片的作用，使得部件8大刀片可以視為與前面部件為一個(gè)整體，最后利用
部件9提綜臂連片帶動(dòng)部件10提綜臂的運(yùn)動(dòng)，從而完成提綜的過程。
而在圖2-2中只涉及到一個(gè)提綜臂的運(yùn)動(dòng)，實(shí)際的機(jī)械中，因?yàn)槔^分為上拉鉤和下拉鉤，使得相鄰兩個(gè)提綜臂呈現(xiàn)出截然相反的運(yùn)動(dòng)方式，而正是這種排列的交替，最終完成整個(gè)多臂機(jī)主傳動(dòng)的完成。
2.3 建模難點(diǎn)分析與解決方案
2.3.1 原始數(shù)據(jù)的獲得
如緒論中所述，建模的最大難點(diǎn)在于沒有所有的完整的圖紙，因此大部分建模是基于現(xiàn)場測繪加之理論分析的。圖2-3為主機(jī)實(shí)物圖
圖2-3 GD518型多臂機(jī)實(shí)物圖
圖2-4 GD518型多臂機(jī)
為了獲取沒有的數(shù)據(jù)，我們對(duì)于大部分零件進(jìn)行了測量，測量時(shí)主要采用日本三豐公司出產(chǎn)的三坐標(biāo)測量儀，以此獲得了大部分零件的原始數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)獲得建模時(shí)所應(yīng)得到的數(shù)據(jù)。
2.3.2數(shù)據(jù)的修正
通過實(shí)際測量，得到大部分?jǐn)?shù)據(jù)以后，即可利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)配合AutoCAD制圖獲得相應(yīng)的二維圖紙，但由于大部分的測量數(shù)據(jù)存在測量誤差亦或者是原件存在加工誤差，因此很多圖紙還要進(jìn)行理論性的修正。如圖2-5，此零件在得到原始數(shù)據(jù)的情況下，三維建模無法完成貼合的裝配，因此在不改變?cè)瓉淼倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上將其數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?，最后獲得合適的二維圖如圖2-6。
圖2-5 拉鉤原圖
經(jīng)過角度上細(xì)微的修正以后在仿真中和實(shí)際生產(chǎn)中可以做到更好的貼合
圖2-6 拉鉤設(shè)計(jì)圖
2.4 關(guān)于凸輪的建模
通過三坐標(biāo)測量儀，以每0.1度取一點(diǎn)，整個(gè)凸輪廓線共取3600個(gè)點(diǎn)，通過這些點(diǎn)導(dǎo)入Pro/E，可以得到凸輪輪廓曲線，將導(dǎo)入得到以后的凸輪進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真以后發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)規(guī)律中加速度呈現(xiàn)出跳動(dòng)的情況，同時(shí)觀測凸輪的曲率可以明顯看到有很大的波動(dòng)因此為了整機(jī)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和使用的壽命，對(duì)于凸輪必須進(jìn)
行再設(shè)計(jì)。具體整改方案在第三章中進(jìn)行論述。
2.5 本章小結(jié)
本章先對(duì)GD518多臂機(jī)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析，再通過對(duì)建模過程的分析闡述了此次設(shè)計(jì)中建模的重點(diǎn)和難點(diǎn)。對(duì)于大部分零件可以通過簡單的方式整改，但凸輪等部件需要進(jìn)行再計(jì)算以獲得新的凸輪數(shù)據(jù)，為接下來的凸輪計(jì)算創(chuàng)造了先提條件。
第3章 凸輪的輪廓線與運(yùn)動(dòng)分析
3.1 幾種常見的凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律
3.1.1正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律
正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律（又稱擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律，sine acceleration curve），其推程時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程為
式（3-1）
回程時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程為
式（3-2）
其推程時(shí)的運(yùn)動(dòng)線圖如圖3-1所示。由圖可見，其既無剛性沖擊也無柔性沖擊。
(a)
(b)
(c)
圖3-1 正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律位移速度加速度示意圖
3.1.2余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律
余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律（又稱簡諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律，simple harmonic motion）其推程時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程為
式（3-3）
回程時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程為
式（3-4）
其推程時(shí)的運(yùn)動(dòng)線圖如圖3-2所示。由圖可見，在首末兩點(diǎn)推桿的加速度有突變，故有柔性沖擊而無剛性沖擊。
(d)
(e)
(f)
圖3-2正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律位移速度加速度示意圖
3.1.3多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律
推桿多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一般表達(dá)式為
式(3-5)
式中，δ為凸輪轉(zhuǎn)角；s為推桿位移；C0,C1,C2,···，Cn為待定系數(shù)，可利用邊界條件等來確定。常用的又以下幾種多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律：一次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律，二次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律，···五次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律。而一般在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中我們普遍使用五次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
五次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其表達(dá)式為
式(3-6)
因待定系數(shù)有6個(gè)，故可設(shè)定6個(gè)邊界條件為
在始點(diǎn)處 δ=0，s=0，v=0,a=0
在終點(diǎn)處 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，故其位移方程式為
式(3-7)
式3.1.7稱為五次多項(xiàng)式（或3-4-5多項(xiàng)式，polynomial motion）。此運(yùn)動(dòng)規(guī)律既無剛性沖擊也無柔性沖擊。
如果工作中有多種要求，只需吧這些要求裂成相應(yīng)的邊界條件，并增加多項(xiàng)式中的方次，即可求得推桿相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方程式。但當(dāng)邊界條件增多時(shí)，會(huì)使設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)雜，，加工精度也難以達(dá)到，故通常不宜采用太高次數(shù)的多項(xiàng)式?！?1】
3.2 原凸輪的擬合
3.2.1凸輪的純數(shù)據(jù)擬合
利用三坐標(biāo)測量儀得到的凸輪輪廓曲線，通過導(dǎo)入Pro/E生成測量得到的原凸輪如圖3-3所示
圖3-3 原凸輪Pro/E三維圖
但測量其曲率可以發(fā)現(xiàn)其曲率呈現(xiàn)出極大的不穩(wěn)定性（見圖3.4），跳動(dòng)很明顯，
而此跳動(dòng)必然會(huì)影響整機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和壽命，因此需要重新擬合，獲得新凸輪數(shù)據(jù)，以替代此凸輪。
圖3-4 原凸輪曲率分析
3.2.2凸輪的運(yùn)動(dòng)仿真
因?yàn)橐ㄟ^原始凸輪產(chǎn)生新凸輪，而凸輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和原始凸輪又不能有太大的差距，因此需先將純數(shù)據(jù)得到的凸輪進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，裝配圖如圖3-5
圖3-5 原凸輪裝配仿真
利用兩根軸建立擺臂與凸輪基圓的位置關(guān)系，在通過滾子與凸輪建立凸輪約束，即可獲得組件的裝配關(guān)系，利用此裝配進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真獲得動(dòng)畫（圖3-6），再進(jìn)行必要的運(yùn)動(dòng)分析（圖3-7），對(duì)擺臂的位移，速度，加速度進(jìn)行分析可以獲得三個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)系（圖3-8）
圖3-6 原凸輪仿真設(shè)定參數(shù)
圖3-7 原凸輪仿真所得結(jié)果
圖3-8 原凸輪仿真位移速度加速度圖示
將三幅圖的數(shù)據(jù)導(dǎo)入AutoCAD，得到三張圖整體的圖形（圖3-9）。同時(shí)還可以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數(shù)據(jù)
圖3- 9 原凸輪位移速度加速度CAD圖示
分析三張圖表我們可以發(fā)現(xiàn)凸輪運(yùn)動(dòng)的位移和速度都是基本平滑的變化，唯獨(dú)加速度的變化呈現(xiàn)出跳動(dòng)的形態(tài)，對(duì)比之前得到的曲率的變化，我們可以明確地得出因?yàn)榍首兓奶鴦?dòng)性，直接導(dǎo)致了加速度的不確定變化，因此在設(shè)計(jì)凸輪的時(shí)候我們需要盡量的擬合原凸輪的曲線據(jù)此得到一個(gè)較為理想的加速度變化曲線，從而得到凸輪的輪廓曲線。
3.3 新凸輪的運(yùn)動(dòng)曲線擬合
3.3.1MATLAB簡介
MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。
MATLAB和Mathematica、Maple、MathCAD并稱為四大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。
MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C++，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。
3.3.2利用MATLAB擬合曲線
由于之前得到的點(diǎn)過于零散，因此需要利用MATLAB對(duì)于點(diǎn)進(jìn)行重新的擬合，擬合的數(shù)據(jù)見附錄，據(jù)此即可獲得經(jīng)過擬合以后更為平整曲線的點(diǎn)，以獲得最新的可以參數(shù)化的平滑的位移曲線，速度曲線，以及加速度曲線，將這些曲線與原曲線進(jìn)行比較（圖3-10），我們可以看到速度與位移基本處于完全吻合的狀態(tài)，而加速度也不再波動(dòng)，因此根據(jù)此數(shù)據(jù)得出來的凸輪曲線可以最大程度上還原原設(shè)計(jì)凸輪。
圖3-10 新擬合凸輪位移速度加速度
3.4 新凸輪的運(yùn)動(dòng)仿真
3.4.1凸輪輪廓線的計(jì)算
由于已經(jīng)得到了凸輪的位移及相應(yīng)的角度，而且擺臂長，基圓圓心與擺臂旋轉(zhuǎn)中心的距離也是已知，如圖3-11所示。
圖3-11 主凸輪機(jī)構(gòu)簡圖
因此可以計(jì)算出滾子在凸輪上運(yùn)動(dòng)的理論輪廓線，而這個(gè)輪廓線經(jīng)過減去滾子半徑以后即可獲得凸輪輪廓線。計(jì)算過程如下
上述式子其實(shí)為余弦定理的一個(gè)變形，其中L是我們需要求得的滾子中心與凸輪基圓的距離，L1為擺臂長度，L2為擺臂中心與基圓中心的距離，為為初始位置滾子與基圓連線還有擺臂中心與基圓連線的夾角，而θ則是通過擬合所得的角位移。而因?yàn)橛?jì)算時(shí)起始位置的角位移為-20.15度，因此在計(jì)算角度時(shí)，我們?cè)诤竺嬖黾恿艘粋€(gè)θ-（-20.15），即20.15+θ。
3.4.2凸輪輪廓線的偏差矯正
上述計(jì)算已經(jīng)使我們得到了理論上的輪廓曲線（極徑和角度一一對(duì)應(yīng)）。但我們?cè)趯?shí)際的仿真以后發(fā)現(xiàn)存在很小的偏差，具體分析得到結(jié)果為因?yàn)闈L子位置的變化使得滾子與基圓的連線和中心距之間的夾角存在一個(gè)極小的變化，正是這
個(gè)角度的變化使得我們算出來的極徑不應(yīng)與原來的角度（沒0.1度一個(gè)極徑）相對(duì)應(yīng)，這個(gè)角度應(yīng)該存在一個(gè)變化值才能完全的貼合原凸輪。具體的計(jì)算方式如下。
顯然是我們所期望求得的產(chǎn)生偏差的角度，而這個(gè)偏差的角度和原角度進(jìn)行相加，就得到了我們所得極徑對(duì)應(yīng)的正確的角度具體（計(jì)算數(shù)據(jù)見附錄）。
3.4.3新凸輪的運(yùn)動(dòng)仿真
首先將新凸輪和舊凸輪進(jìn)行一下重疊，見圖3-12，可以發(fā)現(xiàn)肉眼上看，兩者是基本重疊的，這就保證了新凸輪不會(huì)與設(shè)計(jì)原凸輪有太大的不同，保證了再設(shè)計(jì)的還原性。
圖3-12 新凸輪與舊凸輪重疊比較
同時(shí)，觀察凸輪的曲率變化（圖3-13），可以發(fā)現(xiàn)曲率不再進(jìn)行跳躍，而是呈現(xiàn)出平滑的形態(tài)，這就從最大限度上保證了整機(jī)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和壽命。
圖3-13 新凸輪曲率分析
然后將新凸輪按照3.2.2中所述進(jìn)行裝配，裝配所得結(jié)果如圖3-14。
圖3-14 新凸輪裝配仿真
此裝配圖與原先的裝配圖也類似。同樣的，將新凸輪與擺臂滾子進(jìn)行凸輪約束，然后以基圓圓心為旋轉(zhuǎn)中心，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真（圖3-15），再將此次的仿真結(jié)果進(jìn)行位移，速度，加速的的確認(rèn)，所得圖3-16。
圖3-15 新凸輪仿真參數(shù)設(shè)定
圖3-16新凸輪仿真位移速度加速度圖示
從圖3-16中，我們可以清楚的看到，這次的仿真結(jié)果，在保證了原凸輪的位移和速度的基礎(chǔ)上，加速度和曲率一樣不會(huì)再出現(xiàn)和之前一樣跳躍的情況。至此就可以基本保證了凸輪運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。
將所得的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，將點(diǎn)導(dǎo)入AutoCAD，與原先的仿真曲線進(jìn)行重疊比較（圖3-17），我們發(fā)現(xiàn)位移的擬合度可以達(dá)到97%以上，這就保證了新凸輪在運(yùn)動(dòng)規(guī)律上與原凸輪的設(shè)計(jì)基本處于相同的情況。至此，從理論上新凸輪可以代替原凸輪進(jìn)行裝機(jī)。
圖3-17 新凸輪與舊凸輪位移對(duì)比圖示
3.5 副凸輪的設(shè)計(jì)
3.5.1副凸輪設(shè)計(jì)的必要性
由于機(jī)構(gòu)為凸輪組，因此，而共軛凸輪組的共軛性是機(jī)組運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)，因此必須通過主凸輪來推算副凸輪，才能在共軛性上獲得提高。對(duì)比與之前主副凸輪的共軛性觀察，我們發(fā)現(xiàn)，此凸輪具有一定的干涉，因此，加強(qiáng)了需要再設(shè)計(jì)副凸輪的要求。
3.5.2副凸輪的計(jì)算方式
由圖3-18可以觀察到，可以通過主凸輪的數(shù)據(jù)來確定副凸輪的外輪廓，這樣可以最大限度的保證兩個(gè)凸輪的共軛性完好。
圖3-18 凸輪機(jī)構(gòu)示意圖
由于擺臂的長度已知，擺臂之間的角度已知，基圓中心與擺臂中心之間的距離已知，而主凸輪與滾子之間的極徑是在之前所求得的，因此可通過以下的計(jì)算來求得副凸輪的外輪廓數(shù)據(jù)。
上述式子也可以視為是余弦定理的變式，式中L1為擺臂中心與基圓中心的連線距離，L2為擺臂的長度，90.68度為計(jì)算所得的主副凸輪的滾子的夾角，而32.39143772+20.15+θ則是為主凸輪轉(zhuǎn)過的角度，以此來推出副凸輪的角度以保證副凸輪和主凸輪的共軛性。所求的的L即為滾子在副凸輪上的運(yùn)動(dòng)軌跡，減去滾子半徑即為副凸輪的外輪廓線。
3.5.3副凸輪的共軛性
雖然上述計(jì)算的副凸輪在理論上的共軛性可以達(dá)到完全，但是由于計(jì)算誤差，數(shù)位省略和其他一系列原因，必然會(huì)存在一定的誤差，因此，共軛性觀測一般只需將兩凸輪裝配在Pro/E中進(jìn)行肉眼觀測即可。
但為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，我們利用Pro/E進(jìn)行碰撞試驗(yàn)，分別用兩個(gè)凸輪進(jìn)行約束進(jìn)行兩次碰撞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)凸輪并不會(huì)產(chǎn)生干涉，因此可以認(rèn)定共軛凸輪的共軛性良好。
3.6 本章小結(jié)
本章著重介紹了凸輪的計(jì)算的過程，其中包括兩點(diǎn)，一是主凸輪的設(shè)計(jì)，二是副凸輪的設(shè)計(jì)。主凸輪主要是利用現(xiàn)有的測量數(shù)據(jù)帶入獲得大致曲線，通過擬合獲得比較平穩(wěn)的數(shù)據(jù)，計(jì)算求得凸輪廓線。再通過仿真來驗(yàn)證所求得凸輪與原凸輪的差距，以此確定新設(shè)計(jì)的凸輪是否符合設(shè)計(jì)要求。副凸輪主要通過主凸輪的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，利用角度關(guān)系求得新凸輪的副凸輪。保證了副凸輪可以與主凸輪有良好的共軛性。
第4章 凸輪的制造工藝分析及數(shù)控仿真
4.1 凸輪加工現(xiàn)狀分析及存在的問題
我國的紡織企業(yè)目前有很多的紡織機(jī)械，其中主要分為有梭織機(jī)和無梭織機(jī)兩大類，而目前，新型織機(jī)以無梭為主，有片梭織機(jī)、劍桿織機(jī)、噴氣織機(jī)、噴水織機(jī)四種類型。高速噴氣織機(jī)的應(yīng)用范圍十分廣泛，但由于先進(jìn)機(jī)械都是進(jìn)口于外國，價(jià)格昂貴，而國內(nèi)織機(jī)需求數(shù)量又大，需要很多的外匯才能購買。因而，在使用國外先進(jìn)裝備的同時(shí)，通過對(duì)先進(jìn)技術(shù)、工藝的消化吸收，在此基礎(chǔ)上仿制、研制國產(chǎn)新型紡機(jī)設(shè)備已成為紡織機(jī)械行業(yè)的迫切又重要的課題。開口設(shè)備(如多臂開口機(jī)構(gòu),提花開口裝置,凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng))是一個(gè)重要的部分的織機(jī),開口機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的控制凸輪曲線,所以凸輪輪廓曲線(曲面)的設(shè)計(jì)、制造是好還是壞是織機(jī)的重要組成部分的成功發(fā)展。凸輪零件精度和加工過程直接決定了產(chǎn)品的質(zhì)量,保證制造精度,對(duì)凸輪零件、合理的加工工藝和優(yōu)良的加工設(shè)備是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的必要條件。數(shù)控銑床、數(shù)控加工中心、數(shù)控磨床、凸輪、端面磨、成型磨床和其他先進(jìn)的數(shù)控設(shè)備是凸輪輪廓曲線(面)可以滿足技術(shù)設(shè)計(jì)要求。一般平面凸輪和共軛凸輪,可在復(fù)制表面磨銑,數(shù)控磨床加工,精密零件可以基本上滿足設(shè)計(jì)要求。通常,由于這些因素的影響如材料、熱處理、研磨、副通?？赡艿某Ｒ姽收闲问降耐馆?如:接觸疲勞磨損、粘著磨損、磨料磨損、腐蝕、磨損、振動(dòng)和噪聲。關(guān)于凸輪加工現(xiàn)狀和問題做出簡要分析【42】。
4.1.1凸輪加工現(xiàn)狀分析
開口機(jī)構(gòu)采用盤形類共軛凸輪，大部分時(shí)候我們使用軸承鋼GCrl5為材料，凸輪輪廓的線輪廓度(≤0．Ol～0．02mm)及共軛精度要求較高，無法利用普通的設(shè)備進(jìn)行加工，所以我們利用到數(shù)控、仿形銑削和數(shù)控凸輪磨削。凸輪加工的一般工藝路線為：毛坯鍛打一一熱處理一一粗加工一一半精加工一一淬火處理一一斗精加工孔基準(zhǔn)或面基準(zhǔn)一一粗、精磨凸輪輪廓曲線一一探傷，現(xiàn)針對(duì)幾種典型凸輪對(duì)其加工方法做一簡要分析：
a．消極式凸輪，其特點(diǎn)為轉(zhuǎn)速和精度較低
消極式多臂凸輪機(jī)構(gòu)凸輪加工，毛坯材料為球墨鑄件，材料為QT600—3。典型的加工藝路線：球鐵毛坯一一正火、回火一一車削加工一一斗鉗一一仿形銑削凸輪曲線一一仿形銑削凸輪曲線一一高頻淬火一一精鉸內(nèi)孔一一斗曲線拋光一一清洗一一檢驗(yàn)、入庫。
b．積極式凸輪，其特點(diǎn)為轉(zhuǎn)速和精度較高
1)積極式多臂凸輪機(jī)構(gòu)的凸輪加工該凸輪承受載荷較大，轉(zhuǎn)速較高，其耐磨要求高。材料選用40Cr，毛坯經(jīng)鍛造處理，基體硬度經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后為HB220～250，凸輪表面要求滲碳淬火，滲碳層深O-8～1．2mm(淬火后)，硬度為HRC58～62。
2)高速多臂裝置凸輪機(jī)構(gòu)的凸輪加工
凸輪材料采用Crl2MolVI。該凸輪曲線精度要求高，載荷大，耐磨性要求高，曲線同滾輪之間要求無間隙運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為650rpm以上。
工藝路線：落料(鍛制圓鋼) 一一鍛件熟處理一一車削外圓、兩平面及倒角一專數(shù)控加工內(nèi)孔及定位孔一一數(shù)控銑削或仿形銑削凸輪共軛曲線l、2一一寸真空淬火一斗數(shù)控磨削共軛凸輪主軸內(nèi)孔一一數(shù)控凸輪磨床磨削共軛曲線1、2一一磁粉探傷有、無裂紋缺陷一一清洗一一檢驗(yàn)、入庫?！?4】
4.1.2凸輪加工存在問題分析
通過分析其中的一些典型凸輪加工技術(shù),可以看出,在企業(yè)購買加工中心,數(shù)控銑床,數(shù)控凸輪磨床以及一些好的仿形銑床,用于打開凸輪,共軛凸輪加工,尺寸精度的凸輪輪廓曲線,線條和表面輪廓的要求基本上可以得到有效的保證,在理論上,它可以更好的保證凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)態(tài)特性;事實(shí)上,由于凸輪副材料、加工方法、加工刀具,切削參數(shù)選擇、熱處理和許多其他因素將缺席對(duì)凸輪輪廓曲線的處理,所以它是一個(gè)制造業(yè)和技術(shù)人員研究和解決實(shí)際問題,這些問題也是本論文課題關(guān)于凸輪制造的研究內(nèi)容：
a．材料選用問題
凸輪材料選用的一般原則是按凸輪副最大接觸應(yīng)力選用合適的材料，因載荷不同而不同。凸輪副的接觸疲勞磨損和粘著磨損是伴隨材料的接觸應(yīng)力而產(chǎn)生的。利用抗疲勞度較強(qiáng)的材料作為加工材料，是延緩發(fā)生接觸疲勞磨損的主要措施，還可減輕粘著磨損的程度。例如，碳鋼、合金鋼、工具鋼等經(jīng)處理后，可獲得高的接觸疲勞強(qiáng)度。
為滿足高速噴氣織機(jī)對(duì)于高速開口(一般為650rpm以上)的需要，不僅要求凸輪可以承受高速交變載荷和沖擊載荷，而且要求凸輪制造的幾何精度和組織力學(xué)性能也滿足高速運(yùn)動(dòng)的要求。在綜合材料性能、加工工藝、原材料供應(yīng)、生產(chǎn)成本等備方面因素的情況下，可以選擇如GCrl5作為凸輪材料。GCrl5有很高的抗接觸疲勞的能力，經(jīng)淬火后有較高硬度和耐磨性能，還有一定的抗沖擊能力。一般所選用的凸輪副原材料材質(zhì)(不均勻、裂紋等)的缺陷對(duì)后續(xù)工序的熱處理和磨削會(huì)產(chǎn)生很大影響，如多臂裝置凸輪機(jī)構(gòu)中凸輪因材質(zhì)不均、內(nèi)部缺陷而出現(xiàn)磨削裂紋。如多臂凸輪機(jī)構(gòu)的凸輪材料選用40Cr材料中碳含量偏低時(shí)，將影響滲碳淬火的硬度，并可能存在調(diào)質(zhì)后凸輪工作表面出現(xiàn)較嚴(yán)重脫碳，以致高頻淬火后，硬度下降，達(dá)不到工作表面設(shè)計(jì)所需的硬度要求。對(duì)于此類問題可通過對(duì)每批進(jìn)購材料進(jìn)行嚴(yán)格的材質(zhì)、成分檢驗(yàn)和挑選來解決，即采用許用接觸應(yīng)力這一指標(biāo)作為選擇凸輪、凸輪滾子材料的重要依據(jù)。
b． 切削量不能有效控制
凸輪制造的最關(guān)鍵步驟就是數(shù)控加工。其中磨削主要問題是在于凸輪曲線的磨削余量不能有效控制，磨削余量可能會(huì)有所偏差，出現(xiàn)有些部位的余量很大，但有些部位余量小，從而影響磨削的效率，使得成本顯著增長。對(duì)于余量大的部分，會(huì)有比較大的切削量，產(chǎn)生大量熱量，且磨削后凸輪工作表面硬度值降低HRC3～5，時(shí)常會(huì)使加工表面產(chǎn)生裂紋，從而導(dǎo)致報(bào)廢，無論對(duì)己對(duì)公都產(chǎn)生較大損失。切入式成型磨削徑向切削力較大，發(fā)熱多、散熱差，容易燒傷工件表面及產(chǎn)生微裂紋，因而需要有合理的壓力和流量的冷卻液對(duì)其進(jìn)行冷卻；可通過采取一些措施來改善余量不均的現(xiàn)象，首先在磨削的前道銑削粗、精加工1．序中盡可能保證凸輪待磨削余量均勻；其次，通過改善熱處理工藝，減小熱處理產(chǎn)生的變形；另外，選硬度軟、粒度粗的砂輪，并相應(yīng)減少切削深度，降低進(jìn)給量。為降低凸輪成型面粗糙度，應(yīng)在最后一次精磨削循環(huán)中進(jìn)一步降低進(jìn)給速度，并在到達(dá)程序尺寸后進(jìn)行2～4次無進(jìn)給磨削(磨光)，成型面粗糙度可以達(dá)到Ra0．4。選用砂輪時(shí)，砂輪的半徑應(yīng)小于凸輪輪廓曲線最小曲率半徑，以保證磨削正常進(jìn)行。
c．熱處理問題
通常，凸輪副主要失效形式是因接觸疲勞而引起的凸輪輪廓表面疲勞點(diǎn)蝕和粘著磨損，因此對(duì)于凸輪的表面我們需要更高的硬度要求，硬度應(yīng)達(dá)HRC61～65；然而，在高速噴氣織機(jī)的實(shí)際使用中引起開口機(jī)構(gòu)凸輪失效的主要原因是(沖擊載荷)交變接觸應(yīng)力。原因是操作工人在操作噴氣織機(jī)時(shí)，為了不影響布品的致密度，在織機(jī)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要在幾分之一秒內(nèi)完成停機(jī)和開機(jī)的操作，噴氣織機(jī)綜框的巨大運(yùn)動(dòng)慣量對(duì)凸輪造成較大的沖擊，而共扼凸輪的凸輪厚度一般為5～7mm，因?yàn)闆_擊而產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力，加上一般織機(jī)都是二十四小時(shí)不間斷工作，凸輪要不停的承受交變載荷和局部應(yīng)力，其工作情況是非常惡劣的；故對(duì)凸輪熱處理要求：在滿足耐沖擊的前提下，應(yīng)盡量選擇耐疲勞度較大的材料，并盡可能提高其表面硬度，對(duì)淬火后的金相組織提出較嚴(yán)格的要求，同時(shí)應(yīng)對(duì)回火溫度和時(shí)問進(jìn)行控制。如材料為GCrl5凸輪經(jīng)真空淬火、回火后主要組織成分為隱針狀回火馬氏體和均勻分布的細(xì)小碳化物顆粒，可有少量的殘余奧氏體。實(shí)際操作中存在的問題，主要表現(xiàn)在凸輪在高頻淬火時(shí)淬硬層深淺不一，致使硬度層間產(chǎn)生較大的淬火內(nèi)應(yīng)力，造成凸輪工作表面磨削時(shí)產(chǎn)生開裂或裂紋。凸輪會(huì)因熱處理硬度過高而出現(xiàn)裂紋情況；同樣熱處理硬度過高，出現(xiàn)磨削裂紋等缺陷。對(duì)于火焰淬火和鹽浴表面滲碳淬火等，在淬火過程的開始和終了時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)軟化區(qū)，這一軟化區(qū)應(yīng)放在凸輪停留區(qū)內(nèi)?！?5】
在這個(gè)問題上面,對(duì)于非均勻控制磨削量,可以通過實(shí)施合理的加工方案,實(shí)現(xiàn)獨(dú)立、粗糙和精加工工藝,選擇合理的切削用量,安排正確的流程跟蹤,甚至可以利用一些切削參數(shù)的CAD / CAM軟件的數(shù)控加工軌跡優(yōu)化功能安排,避免錯(cuò)誤重新運(yùn)行現(xiàn)象,剛性好的數(shù)控機(jī)床是用于提高凸輪的加工精度和工作表面粗糙度。至于原料的選擇、熱處理和磨削砂輪,可安排在工作程序和嚴(yán)格的門,得到有效的控制。在數(shù)控加工,使用CAD / CAM自動(dòng)編程軟件,可以大大提高復(fù)雜零件的數(shù)控加工編程,編程不僅可以縮短時(shí)間,但是更重要的是有助于提高精密零件加工。和數(shù)控加工的刀具形狀的需求很低,并不一定需要成型刀具,可采甩普通數(shù)控機(jī)床在切削工具,如雪崩球頭刀加工,從而為快速屈原間接降低制造成本;各種曲面、平面、圓柱、孔加工類似于普通零件加工過程,也需要兩個(gè)過程在粗加工和精加工。粗糙和精加工,重點(diǎn)的工作內(nèi)容是不同的,主要考慮的是粗處理效率,由于部分空白表0 ~ 70%以上的加工余量是去除在粗加工,即如何實(shí)現(xiàn)最短的加工時(shí)間最大的余量,同時(shí),應(yīng)盡可能使加工余量均勻,理想的低年代價(jià)值當(dāng)粗加工、大切削深度和更大的通過F值A(chǔ)p;完成的目的,是通過完成得到【46】【47】。
4.2 凸輪加工工藝分析
4.2.1凸輪加工要求
本次凸輪加工的主要部位在于：1基圓，2三個(gè)定位孔，3凸輪外輪廓，4端面的處理。
在加工時(shí)，基圓與三個(gè)定位孔使用鉆孔加工，在確定三個(gè)孔以后，利用基圓來進(jìn)行裝夾，將外輪廓和端面磨削加工，從而完成整個(gè)凸輪的加工過程。
4.2.2凸輪輪廓工藝路線
參考盤狀零件的加工工藝，凸輪組件的制造工藝過程可分為以下幾個(gè)步驟：
l、下料、調(diào)質(zhì)處理，
2、磨削加工凸輪片端面，
3、加工內(nèi)孔、外圓，
4、將凸輪毛坯放置在數(shù)控機(jī)床上加工，加工工藝定位孔φ60，打入定位銷后加工3—φ11螺栓孔、凸輪廓形。最后加工配重孔，倒鈍尖角。數(shù)控機(jī)床上的夾具一定要解決好定位精度問題。與凸輪內(nèi)孔配合的芯軸的直徑為基準(zhǔn)，確定工件加工原點(diǎn)，加工定位孔φ60，以后的加工，就用該定位孔φ60對(duì)刀，確定原點(diǎn)，
5、凸輪廓形表面高頻淬火HRC≥45，
6、廓形精加工，
4.2.3夾具的設(shè)計(jì)
銑削加工凸輪廓形時(shí)，因?yàn)橛卸ㄎ缓脱b夾的問題，所以要設(shè)計(jì)凸輪廓形加工的夾具。凸輪進(jìn)行裝夾時(shí)，首先要解決定位的問題，然后要解決加緊的問題，因此在夾具的設(shè)計(jì)上，我們先用夾緊裝置鉆孔，得到φ60和3-φ11。然后，我們選用φ60基圓為定位進(jìn)行夾緊，進(jìn)行外輪廓的加工。
4.2.4精加工切削參數(shù)的選擇
凸輪廓形的精加工選用的銑刀和粗加工選用的銑刀相同，均選用φ10高速鋼平底立銑刀。銑削加工中的切削參數(shù)包括：軸向切深、徑向切深、進(jìn)給速度和切削
速度，切削速度的直接表現(xiàn)為主軸轉(zhuǎn)速。軸向切深、徑向切深和進(jìn)給速度的增加均會(huì)引起加工誤差的增加，而主軸轉(zhuǎn)速的增加則可以使加工誤差降低。為提高加工精度，可以提高主軸轉(zhuǎn)速，減小軸向切深、徑向切深和進(jìn)給速度。綜合考慮加工精度和加工效率，選擇的切削參數(shù)為：軸向切深5mm，徑向切深0．2mm，進(jìn)給速度15mm／min，主軸轉(zhuǎn)速1000r／min，加切削液加工。
4.3 Pro/E模擬加工過程
Pro/E不僅是一款繪圖軟件，其他模塊的能力也很強(qiáng)大，此次凸輪的數(shù)控編程，我們就利用了Pro/E的數(shù)控加工模塊。
首先將凸輪原件導(dǎo)入Pro/E，同時(shí)設(shè)置工件，如圖4-1所示，形成工件包裹住整個(gè)凸輪的形態(tài)。
圖4-1 工件包裹凸輪示意圖
首先對(duì)于機(jī)床進(jìn)行選擇，選擇三軸銑床作為所用機(jī)床(圖4-2)，將機(jī)床設(shè)定后進(jìn)入數(shù)控的過程編輯。
圖4-2 機(jī)床選擇
針對(duì)于凸輪的加工方式，先對(duì)于基圓孔和定位孔進(jìn)行加工，然后在進(jìn)行外輪廓加工和端面的處理。而根據(jù)所選加工部位的不同，此次加工一共要設(shè)定三把銑刀。同時(shí)還要對(duì)于不同的加工進(jìn)行不同的加工參數(shù)設(shè)定（圖4-3）
圖4-3 切削參數(shù)設(shè)定
在將所有工序全部設(shè)定完畢以后，對(duì)于整個(gè)加工的動(dòng)畫進(jìn)行仿真，測試所設(shè)定的工序是否可以正常運(yùn)行，圖4-4為所得的測試后的軌跡圖。
圖4-4 數(shù)控加工仿真
在正式加工之前，為確保達(dá)到要求的加工精度，先運(yùn)用數(shù)控系統(tǒng)的仿真運(yùn)行功能，在軟件上仿真加工這個(gè)工件。經(jīng)檢驗(yàn)，加工程序計(jì)算出來的形狀與理論計(jì)算的結(jié)果完全相符。這就明了程序的轉(zhuǎn)化是準(zhǔn)確無誤的。
由于工藝方案的正確選擇，程序的準(zhǔn)確無誤，加上機(jī)床本身具有的較高的精度及優(yōu)良的性能，使得凸輪輪廓曲線的加工可以得到令人滿意的結(jié)果。通過合理的選擇刀具幾何參數(shù)和加工切削用量，凸輪輪廓曲線的表面粗糙度也完全能達(dá)到要求。
共軛凸輪加工代碼見附錄。
4.4本章小結(jié)
本章著重對(duì)于數(shù)控加工現(xiàn)階段的優(yōu)勢(shì)和缺陷進(jìn)行了分析，同時(shí)還以本次設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的凸輪為模型，利用Pro/E對(duì)于凸輪的數(shù)控加工進(jìn)行了仿真，最后得到仿真效果圖。
第5章 結(jié)論
高速噴
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