淺談圖譜分析法在凸輪插針機(jī)的應(yīng)用

許勇堅(jiān)

（廣東省粵東高級(jí)技工學(xué)校，廣東 汕頭 515041）

凸輪插針機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的精密儀器，主要由塑料送膠機(jī)構(gòu)、塑料遮光SENSRO組成機(jī)構(gòu)、塑料流道機(jī)構(gòu)、空錯(cuò)位塑膠機(jī)構(gòu)、塑料送膠絲桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等等組成。采用插針機(jī)可以大大的降低人工成本并且能提高產(chǎn)品的質(zhì)量。在深圳，許多電子生產(chǎn)廠家使用插針機(jī)來提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，并且加工成本大大降低。2005年，胡達(dá)年對(duì)插針機(jī)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，并且著重研究了整個(gè)機(jī)構(gòu)的同軸度以及其整體強(qiáng)度。因此采用圖譜對(duì)凸輪的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析具有非常重要的意義。

1 圖譜對(duì)應(yīng)凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方法

凸輪曲線主要包括三個(gè)部分，分別是基圓、上升段和下降段組成，當(dāng)凸輪曲線處在上升段時(shí)表示凸輪正在緩沖階段，當(dāng)凸輪處在下降段時(shí)表示其已經(jīng)回歸正常的工作。每個(gè)工作段都對(duì)應(yīng)了凸輪的工作情況，而且每段都分別對(duì)應(yīng)了其相應(yīng)的速度和工作狀況。不同的凸輪機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)的工作狀況也各不相同，因此對(duì)應(yīng)的凸輪曲線也不一致，凸輪圖譜對(duì)凸輪的設(shè)計(jì)和凸輪的性能都有最直觀的反映，反映了凸輪在不同階段的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。因此在設(shè)計(jì)凸輪時(shí)，根據(jù)實(shí)際需要對(duì)凸輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，比如當(dāng)凸輪機(jī)構(gòu)在頂端時(shí)需要停頓幾秒或者要延長(zhǎng)其下降緩沖段。本次采用的凸輪插針機(jī)，轉(zhuǎn)速為650r/min，以FPC 80pin產(chǎn)品為例，完成1個(gè)產(chǎn)品所需的時(shí)間約為7.4s。對(duì)凸輪部分的維護(hù)為每周1次，每次所需時(shí)間4小時(shí)。因此節(jié)省其維護(hù)時(shí)間和提高工作效率就是改善凸輪的設(shè)計(jì)，從而對(duì)凸輪圖譜進(jìn)行分析找出其原因，進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)是重中之重。因此我們?cè)趯?duì)FPC凸輪插針機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)圖譜分析主要有以下原則：（1）應(yīng)該盡量減少在頂端時(shí)間。（2）減少緩沖階段。高速FPC凸輪插針機(jī)的產(chǎn)品建模是典型的復(fù)雜工程領(lǐng)域信息技術(shù)應(yīng)用問題。高速FPC凸輪插針機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高，產(chǎn)品研發(fā)涉及多個(gè)學(xué)科，其設(shè)計(jì)關(guān)注的核心技術(shù)是凸輪運(yùn)動(dòng)副拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其精度性能。而高速FPC凸輪插針機(jī)的產(chǎn)品信息建模技術(shù)必須具有模型描述和軟件架構(gòu)的一致性，才能適應(yīng)此類復(fù)雜裝備的多維信息及其精度鏈等專業(yè)技術(shù)問題的一致性表示和處理要求。在凸輪設(shè)計(jì)時(shí)，可以對(duì)其曲線的各個(gè)工作狀態(tài)根據(jù)規(guī)律列相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式，根據(jù)緩沖階段建立其方程式如下。

從上述中可以知道，P0——上升的整個(gè)過程；α0——其夾角；。

這段緩沖段的速度，加速度曲線為：

此處，ω為凸輪旋轉(zhuǎn)角速度。

通常來講，h0和包角α0在一開始就是已知的，這是一個(gè)重要的參數(shù)，在這種情況下P0=h0，就可以得到。而在最頂端的速度就可以知道：

通過上式可以得到v0r，但是其得出的結(jié)果不一定是正確的，因此只能通過對(duì)P0和q的參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)定，才能得到其結(jié)果。通過上式可以得到在其緩沖階段，基本相當(dāng)于一條直線。因此為了保持曲線的連續(xù)性，還需對(duì)凸輪曲線應(yīng)該保持其二階函數(shù)的一致性，因此對(duì)其二階函數(shù)可進(jìn)行求導(dǎo)。在凸輪曲線中其升程hr0、速度Vr0和加速度Ar0可以通過如下方法得到。

等加速段 (0≤ φ≤φ1)：

等速段 (φ1≤ φ≤ φ0)：

式中，hro1——凸輪曲線上升hro關(guān)于凸輪所運(yùn)轉(zhuǎn)的角度的一階函數(shù)（mm/rad）；

hro11——凸輪曲線hro關(guān)于凸輪所運(yùn)轉(zhuǎn)的角度的二階函數(shù)（mm/rad）；

hR——凸輪曲線緩沖末端（mm）；

B1——比例系數(shù)， B1=φ1/φ0；

φ0——緩沖段張角（rad）。

在凸輪機(jī)構(gòu)的整個(gè)圖譜中，其函數(shù)關(guān)系表達(dá)式一般是對(duì)應(yīng)的多階函數(shù)。因?yàn)檎麄€(gè)凸輪機(jī)構(gòu)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)并不是一段光滑的曲線，其是一種分段式運(yùn)動(dòng)，每一段對(duì)應(yīng)了不同的高階方程。函數(shù)式一般可取3.26項(xiàng)。高次多項(xiàng)式凸輪型線可以表示為：

或y=C+Cx2+Cxp+Cxq+Cxr+Cxs02pqrs

式 中 冪 指 數(shù) p、q、r、s均 為 整 偶 數(shù)， 且4＜p＜ q ＜ r ＜s 。

對(duì)五項(xiàng)式：

高次多項(xiàng)式凸輪的挺柱工作升程圖豐滿系數(shù)b和挺柱最大負(fù)加速度ymaxΘ為：

圖1 凸輪運(yùn)動(dòng)圖譜

2 凸輪插針機(jī)在圖譜中對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方式

凸輪插針機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有幾百個(gè)零部件，本次設(shè)計(jì)著重考慮凸輪機(jī)構(gòu)的性能和其結(jié)構(gòu)組成，凸輪機(jī)構(gòu)是整個(gè)設(shè)備最核心的部件。凸輪機(jī)構(gòu)首先通過夾持機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)將端子料帶固定，然后由裁切機(jī)構(gòu)進(jìn)行裁切，然后通過預(yù)插機(jī)構(gòu)將端子預(yù)插入塑膠中，最后通過壓入機(jī)構(gòu)將端子壓入到塑膠中的最終位置。整個(gè)凸輪插針機(jī)構(gòu)由電機(jī)、皮帶、皮帶輪、激光傳感器、遮光片、凸輪軸、預(yù)插凸輪、夾持凸輪、裁切凸輪、壓入凸輪、預(yù)插機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、裁切機(jī)構(gòu)、壓入機(jī)構(gòu)等組成。凸輪機(jī)構(gòu)的各個(gè)機(jī)構(gòu)工作方式主要在凸輪的時(shí)序圖中得到反映，在凸輪軸25°時(shí)夾持凸輪開始帶動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，到70°時(shí)達(dá)到位移終點(diǎn)。此時(shí)夾持刀頂住端子料帶。

裁切凸輪在凸輪軸75°時(shí)開始帶動(dòng)裁切機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，在凸輪軸130°時(shí)達(dá)到位移終點(diǎn)；夾持凸輪在凸輪軸97°時(shí)帶動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)往回運(yùn)動(dòng)，與裁切機(jī)構(gòu)一起完成裁切動(dòng)作，在凸輪軸125°時(shí)停止。此時(shí)裁切刀將端子從料帶上裁下，并與夾持刀一起將端子夾住。預(yù)插凸輪在凸輪軸150°時(shí)開始帶動(dòng)預(yù)插機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，在凸輪軸210°時(shí)達(dá)到位移終點(diǎn)，此時(shí)預(yù)插凸輪帶動(dòng)預(yù)插機(jī)構(gòu)將端子預(yù)插到塑膠中。壓入凸輪在凸輪軸165°時(shí)開始帶動(dòng)壓入機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，在凸輪軸285°時(shí)達(dá)到位移終點(diǎn)。此時(shí)將端子壓入到塑膠中的最終位置，完成插入動(dòng)作。裁切凸輪在凸輪軸235°時(shí)帶動(dòng)裁切刀往回運(yùn)動(dòng)，在凸輪軸250°時(shí)停止，防止裁切刀與壓入刀撞刀。在凸輪軸250°～360°時(shí)，所有凸輪復(fù)位，此時(shí)一個(gè)動(dòng)作循環(huán)完成。

3 結(jié)語

針對(duì)目前插針機(jī)存在的難題，對(duì)插針機(jī)凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)圖譜進(jìn)行分析，通過其圖譜可以了解各個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。