一種鋰電池極耳折彎的凸輪機構設計

黃國勇

摘 要：本文主要通過用一個實戰項目：鋰電池極耳折彎的機構設計，來通俗易懂的介紹下凸輪在非標機械中的設計思路流程及注意事項，隨著現代計算機技術的發展，曹西京等[1]使用了計算機編程輔助技術，對擺動運動規律和直動運動規律的組合聯動圓柱凸輪組合機構，進行了可視化設計，本文也會借助AutoCAD及SolidWorks二維和三維軟件進行講解說明。

關鍵詞：凸輪機構;工藝流程;機構簡圖;時序圖

1? 一般凸輪機構設計包含哪些內容

凸輪機構是一種高副機構，由三個基本構件組成，分別是：凸輪、凸輪從動件和機架[2]。目前國內一般本科機械專業的學校都會有專門一章教凸輪設計[3]，但都太理論太基礎，學完后并不能進行凸輪的實戰設計，而對于剛從事機械設計不久的從業人員，如果沒有人專門在凸輪設計這個領域帶過，同樣對凸輪設計也是一頭霧水。那能夠實戰的一個凸輪機構設計到底該怎么進行呢？本文將以一個案例的方式介紹凸輪機構設計的流程：

第一，首先需要對當前的需求進行工藝動作分解，工藝動作分解的目的是確定動作源數和初步行程范圍。動作源數就是要完成當前的功能，需要多少個獨立的動力動作，譬如一個折疊動作，把它分解，可能需要3個或4個動作，且每個動作都是獨立的，我們把這樣的獨立動作成為一個動作源，它決定了需要設計幾個凸輪數。行程范圍是根據產品工藝所需要的動作，分析出動作的幅度，這個幅度決定了凸輪的升程/降程。

第二，在一個凸輪機構的繪制中，一般都有多個凸輪系組成，所需要明確的數據及位置關系很多，給記憶和理解他們之間的尺寸和位置關系帶來很大挑戰，為了明確凸輪與執行機構之間的位置關系，用機構簡圖的方式呈現出來，方便校核和理解。機構簡圖的主要目的是為了確定動作的起始位置關系和確定連桿機構放大的比例，也就基本確認了凸輪的基圓大小和連桿的尺寸大小。

第三，單個凸輪在360度角度范圍內有推程、遠休、回程及近休四個動作，反應到執行機構上就是一個執行動作的周期，如果只有一個執行機構，那理解起來比較容易，但實戰中往往由幾個凸輪組成一個凸輪組，甚至復雜點的機構，由幾個凸輪組組成一個復雜的凸輪系，這時候要理解他們之間動作的先后順序關系就非常困難了。利用一個工具，把所有凸輪在一個周期內的所有動作先后次序都呈現出來，一來方便理解記憶，因為后期細化單個凸輪機構時需要用到;二來在細化時，有些凸輪因壓力角過大或尺寸過大，這時候時序可能需要修改，有一個整體的時序圖就方便隨時查看修改，以達到凸輪系內部相對理想的狀態。

第四，凸輪簡圖是在繪制凸輪時序圖之后的細化，也是為了更方便直觀的繪制凸輪3D圖。單個凸輪簡圖就是把單個凸輪的主要參數用簡圖的方式呈現出來，譬如：基圓是多少、近休止角多大、遠休止角多大、升程角多大及回程角多大、凸輪的轉動方向標識以及起始點標識等等。

第五，繪制凸輪3D圖就是把繪制好的當個凸輪簡圖在3D軟件上呈現出來。呈現出來的包含此凸輪所有的細節，譬如厚度、升降程凸輪曲線的選擇、凸輪的慣量平衡、固定方式以及凸輪槽深等等。

最后，在凸輪3D繪制好后，根據機構簡圖就可以細化此凸輪機構的周邊機構了，譬如連桿機構、執行機構、動力源機構等等，構成一個完整的凸輪機構設計。

2? 如何實戰設計一個凸輪機構

2.1分析動作流程

如圖1所示，為此案例的一個實戰項目，對動力軟包鋰電池的極耳按客戶的要求進行折彎，以其中一個正極極耳折彎為案例，材料為銅，厚度0.4毫米，需要折成如圖所需形狀。首先，如果要一次性折成最終形狀，通過分析比較困難，把它分解成兩步，第一步向上折成45度，第二步向下沖折成90度就是我們所需要的形狀。同時我們通過對產品性能工藝的理解，了解到在沖折時會對電池極耳根部造成拉扯，可能會對電池造成傷害，所以，在沖折之前有必要對根部極耳進行壓住的動作。最后，把每一步動作進行分解，得到如右圖所示的6步，實現一個完整的沖折周期。所以，凸輪設計不是憑空想象的，它一定得有具體的研究對象，具體的產品工藝限制要求，有針對性的設計。而且因每個人對工藝的理解是不一樣的，所以不同的人對同一工藝要求的凸輪機構設計可能是不一樣的，譬如，對行程的定義，對連桿機構的定義等等，不同的人有不同的理解，但，只要理解透徹，都能實現功能。

分析動作流程就是對產品工藝深入的理解，理解它的材料特性，理解它的實效分析，理解它的位置關系等等，這是進行凸輪機構設計的基礎，否則凸輪機構設計的再好也沒有，因為機構能達到，但工藝達不到也不行。通過深入分析完，可能會發現有些機構就不能使用凸輪機構來完成，因為凸輪機構有它使用的局限性，不是萬能的，譬如需要有兼容要求的場合，需要有較長行程的場合等等都不適用。

2.2繪制機構簡圖

如圖2所示，根據對產品的工藝分析，確定了執行機構的動作幅度和大致位置關系，就可以根據自己對位置空間的理解畫出它的機構簡圖。這邊定義的是放大機構，放大的倍數為2倍。經過分析，得到的動力源應該為5個，但我們通過機構合并分析，把下頂升預壓極耳的動作與下沖壓模設計成一體的，因為從尺寸上看預壓比下模高，先接觸。把上預壓的與上一次沖壓的合并，因為上極耳需要先預壓到，但上一次沖模需要一定的過沖，故尺寸不好控制，所有這里上預壓采用彈簧的方式，隨一次上沖模一起下，先預壓接觸直至一次沖壓完成。 由此，動力源縮小為3個，各個行程如圖，通過杠桿反饋到凸輪上的幅度減半。

繪制機構簡圖能夠幫助我們很好的分析凸輪機構各個機構位置之間的關系，確定相對應的位置行程。有機構簡圖，我們就很方便的規劃出整個凸輪機構的全貌，接下來就是考慮如何細化結構了。同樣，不同的人，繪制出的機構簡圖也是不一樣的，合理能滿足功能需求即可。有一定經驗的工程師可能規劃出的機構簡圖比較協調，相對穩定性也會高些，這個只能通過不斷的試錯總結才能提高認知。

2.3繪制凸輪機構時序圖

如圖3所示，我們把轉軸的360度內的動作進行分解，確定Cam1與Cam2兩個凸輪的動作是同時進行的，只不過機構的位置不一樣，也就是說底模上升和一次沖壓是同時動作的，先極耳壓緊，再一次沖壓成形。等二次沖壓Cam3完成退回后，一次沖壓機構才能退回，所以動作順序之間的關系就很清楚了。但是，為了不讓凸輪機構升降的太快，以免凸輪的壓力角太大導致凸輪的穩定性差，我們在給升降行程分配的角度盡量大些，讓凸輪升降盡可能的平滑些，增加穩定性。凸輪機構的時序圖的橫軸是以時間（角度）為參考基準，縱軸為幅度參考基準，繪制出的具有表達動作先后順序的邏輯圖，它只與時間（角度）有關，不考慮動作的起始位置。

由于沖壓的時候，考慮到成型工藝，需要在沖到底的時候，希望能有一個保持動作的時間，以保證最終的成型效果，所以在Cam3沖到底的時候，在時序上有一小段平滑線，就是為了保證工藝。

繪制凸輪機構時序圖，可以說是凸輪機構的重中之重，是決定凸輪機構的可行性和穩定性最重要的因素。這個案例的凸輪數量并不多，還好理解和分析，但如果凸輪數量較多，要厘清他們之間的關系就需要經過多次反復的修改才能達到設計要求。同樣，不同的人，繪制的時序圖也不盡完全一樣，大的先后順序是相同的，但一些細節基本不可能一樣，譬如對角度大小的分配等等，所以凸輪時序圖的設計是非常定制化的。

2.4繪制凸輪簡圖

如圖4所示，Cam1凸輪為底模升降的，為順時針旋轉，根據時序圖的角度分配可知，近休止角為45度，升程角為67.5度，遠休止角為180度，回程角也為67.5度，起始點如圖表四為坐標正下方;同時，基圓半徑為60毫米，升程和回程均為7.5毫米。

Cam2凸輪為上一次沖壓模的，從背面看的話，與Cam1相反為逆時針旋轉，根據時序圖的角度分配可知，與Cam1一致，近休止角為45度，升程角為67.5度，遠休止角為180度，回程角也為67.5度，起始點如圖為坐標正上方;同時，基圓半徑為60毫米，升程和回程均為7.5毫米。

Cam3凸輪為上二次沖壓模的，為順時針旋轉，根據時序圖的角度分配可知，近休止角為180度，升程角為75度，遠休止角為30度，回程角也為75度，起始點如圖為坐標正上方，在近休止角的中間位置;同時，基圓半徑為60毫米，升程和回程均為9毫米。

繪制完凸輪簡圖之后，就可以大致的可以看清每個凸輪應有的曲線圖，也就是凸輪軌跡線，可以很清晰的辨識出基圓大小、各個角度的分配和前后順序關系、升降幅度（也就是凸輪的升程和回程）以及起始點和旋轉方向。這樣做的目前是便于記錄和分析，因為在繪制凸輪機構時，所需要的信息還是比較多的，如果沒有一個較好的記錄，在繪制時很多信息會較容易斷，導致凸輪無法繼續細化呈現出來。

2.5如何繪制凸輪3D圖

根據凸輪簡圖就可以在3D設計軟件上把所需要的凸輪細致地畫出來，目前主流的工業制圖軟件都能實現這個功能，也有一些外掛插件可以直接通過輸入參數的方式直接生成，譬如三維軟件SolidWorks，就有邁迪工具箱這個插件。

特別要說明的是，此次我們把Cam1和Cam2兩個凸輪合并在一個凸輪上了，即在一個凸輪的正反面沉出凸輪軌跡槽。為了減少凸輪的轉動慣量，提高穩定性，在對凸輪進行慣量分析后，可適當的對凸輪進行減材動作;還可以在凸輪上刻畫出轉動方向和起始點，方便在編程、調試或檢查時快速識別出轉動方向是否錯誤。此次我們把凸輪和軸的固定方式設計為漲緊軸套的方式，方便拆卸和調整初始角度。

2.6繪制凸輪周邊機構3D圖

如下圖5所示，單個凸輪繪制完成后，就可以綜合凸輪機構簡圖擴展細化其他外圍周邊機構，譬如此案例中的連桿放大機構，沖壓模具工作頭機構，動力單元等等;最后就是總裝優化，譬如干涉分析，動作仿真驗證時許的正確性，動力學分析，以及外罩修飾等，經過以上動作，一套完整的凸輪機構設計就完成了，接下來就是出圖采購加工及安裝調試了。

3 結語

本文通過以一個項目中的實際案例的方式，介紹凸輪機構的設計全過程，從最開始的產品工藝流程分析，到繪制凸輪機構簡圖，到繪制凸輪時序圖，及凸輪簡圖和凸輪3D圖，到最后的繪制凸輪周邊3D圖。希望通過實戰的方式，基于大學學的理論又高于理論，讓讀者能直觀的感受到在實際的工業應用中，一個凸輪機構是怎么從構思到產品的過程。當然，鑒于編者水平有限，如有不當疏漏之處，還望大家指正。

參考文獻：

[1] CHOY F K， TU Y K， SAVAGE M， et al. Vibration signature and modal analysis of multi-stage gear transmission [J]. Journal of the Franklin Institute， 1991， 328（2-3）：281-298.

[2] 趙重年，賈楠等. 一種高速凸輪機構的設計與仿真[J].內燃機與配件，2018，（11）

[3] 楊可楨，程光蘊，李仲生，等. 機械設計基礎[M]. 6 版. 北京：高等 教育出版社，2013.