淺談圖譜分析法在凸輪插針機的應用

許勇堅

（廣東省粵東高級技工學校，廣東 汕頭 515041）

凸輪插針機是一個復雜的精密儀器，主要由塑料送膠機構、塑料遮光SENSRO組成機構、塑料流道機構、空錯位塑膠機構、塑料送膠絲桿機構、凸輪機構等等組成。采用插針機可以大大的降低人工成本并且能提高產品的質量。在深圳，許多電子生產廠家使用插針機來提高產品的競爭力，并且加工成本大大降低。2005年，胡達年對插針機的整體結構進行了動力學分析，并且著重研究了整個機構的同軸度以及其整體強度。因此采用圖譜對凸輪的運動進行分析具有非常重要的意義。

1 圖譜對應凸輪機構運動方法

凸輪曲線主要包括三個部分，分別是基圓、上升段和下降段組成，當凸輪曲線處在上升段時表示凸輪正在緩沖階段，當凸輪處在下降段時表示其已經回歸正常的工作。每個工作段都對應了凸輪的工作情況，而且每段都分別對應了其相應的速度和工作狀況。不同的凸輪機構對應的工作狀況也各不相同，因此對應的凸輪曲線也不一致，凸輪圖譜對凸輪的設計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轉情況。因此在設計凸輪時，根據實際需要對凸輪結構進行旋轉，比如當凸輪機構在頂端時需要停頓幾秒或者要延長其下降緩沖段。本次采用的凸輪插針機，轉速為650r/min，以FPC 80pin產品為例，完成1個產品所需的時間約為7.4s。對凸輪部分的維護為每周1次，每次所需時間4小時。因此節省其維護時間和提高工作效率就是改善凸輪的設計，從而對凸輪圖譜進行分析找出其原因，進行最優化設計是重中之重。因此我們在對FPC凸輪插針機進行設計時，根據圖譜分析主要有以下原則：（1）應該盡量減少在頂端時間。（2）減少緩沖階段。高速FPC凸輪插針機的產品建模是典型的復雜工程領域信息技術應用問題。高速FPC凸輪插針機結構復雜、精度要求高，產品研發涉及多個學科，其設計關注的核心技術是凸輪運動副拓撲結構及其精度性能。而高速FPC凸輪插針機的產品信息建模技術必須具有模型描述和軟件架構的一致性，才能適應此類復雜裝備的多維信息及其精度鏈等專業技術問題的一致性表示和處理要求。在凸輪設計時，可以對其曲線的各個工作狀態根據規律列相應的函數關系式，根據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，這是一個重要的參數，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，但是其得出的結果不一定是正確的，因此只能通過對P0和q的參數進行重新設定，才能得到其結果。通過上式可以得到在其緩沖階段，基本相當于一條直線。因此為了保持曲線的連續性，還需對凸輪曲線應該保持其二階函數的一致性，因此對其二階函數可進行求導。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關于凸輪所運轉的角度的一階函數（mm/rad）；

hro11——凸輪曲線hro關于凸輪所運轉的角度的二階函數（mm/rad）；

hR——凸輪曲線緩沖末端（mm）；

B1——比例系數， B1=φ1/φ0；

φ0——緩沖段張角（rad）。

在凸輪機構的整個圖譜中，其函數關系表達式一般是對應的多階函數。因為整個凸輪機構在運轉時并不是一段光滑的曲線，其是一種分段式運動，每一段對應了不同的高階方程。函數式一般可取3.26項。高次多項式凸輪型線可以表示為：

或y=C+Cx2+Cxp+Cxq+Cxr+Cxs02pqrs

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

對五項式：

高次多項式凸輪的挺柱工作升程圖豐滿系數b和挺柱最大負加速度ymaxΘ為：

圖1 凸輪運動圖譜

2 凸輪插針機在圖譜中對應的運動方式

凸輪插針機結構復雜，有幾百個零部件，本次設計著重考慮凸輪機構的性能和其結構組成，凸輪機構是整個設備最核心的部件。凸輪機構首先通過夾持機構運動將端子料帶固定，然后由裁切機構進行裁切，然后通過預插機構將端子預插入塑膠中，最后通過壓入機構將端子壓入到塑膠中的最終位置。整個凸輪插針機構由電機、皮帶、皮帶輪、激光傳感器、遮光片、凸輪軸、預插凸輪、夾持凸輪、裁切凸輪、壓入凸輪、預插機構、夾持機構、裁切機構、壓入機構等組成。凸輪機構的各個機構工作方式主要在凸輪的時序圖中得到反映，在凸輪軸25°時夾持凸輪開始帶動夾持機構運動，到70°時達到位移終點。此時夾持刀頂住端子料帶。

裁切凸輪在凸輪軸75°時開始帶動裁切機構運動，在凸輪軸130°時達到位移終點；夾持凸輪在凸輪軸97°時帶動夾持機構往回運動，與裁切機構一起完成裁切動作，在凸輪軸125°時停止。此時裁切刀將端子從料帶上裁下，并與夾持刀一起將端子夾住。預插凸輪在凸輪軸150°時開始帶動預插機構運動，在凸輪軸210°時達到位移終點，此時預插凸輪帶動預插機構將端子預插到塑膠中。壓入凸輪在凸輪軸165°時開始帶動壓入機構運動，在凸輪軸285°時達到位移終點。此時將端子壓入到塑膠中的最終位置，完成插入動作。裁切凸輪在凸輪軸235°時帶動裁切刀往回運動，在凸輪軸250°時停止，防止裁切刀與壓入刀撞刀。在凸輪軸250°～360°時，所有凸輪復位，此時一個動作循環完成。

3 結語

針對目前插針機存在的難題，對插針機凸輪機構運動圖譜進行分析，通過其圖譜可以了解各個機構的運動狀態。