黃國(guó)勇

摘 要：本文主要通過(guò)用一個(gè)實(shí)戰(zhàn)項(xiàng)目：鋰電池極耳折彎的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，來(lái)通俗易懂的介紹下凸輪在非標(biāo)機(jī)械中的設(shè)計(jì)思路流程及注意事項(xiàng)，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，曹西京等[1]使用了計(jì)算機(jī)編程輔助技術(shù)，對(duì)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和直動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的組合聯(lián)動(dòng)圓柱凸輪組合機(jī)構(gòu)，進(jìn)行了可視化設(shè)計(jì)，本文也會(huì)借助AutoCAD及SolidWorks二維和三維軟件進(jìn)行講解說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：凸輪機(jī)構(gòu);工藝流程;機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖;時(shí)序圖

1? 一般凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)包含哪些內(nèi)容

凸輪機(jī)構(gòu)是一種高副機(jī)構(gòu)，由三個(gè)基本構(gòu)件組成，分別是：凸輪、凸輪從動(dòng)件和機(jī)架[2]。目前國(guó)內(nèi)一般本科機(jī)械專(zhuān)業(yè)的學(xué)校都會(huì)有專(zhuān)門(mén)一章教凸輪設(shè)計(jì)[3]，但都太理論太基礎(chǔ)，學(xué)完后并不能進(jìn)行凸輪的實(shí)戰(zhàn)設(shè)計(jì)，而對(duì)于剛從事機(jī)械設(shè)計(jì)不久的從業(yè)人員，如果沒(méi)有人專(zhuān)門(mén)在凸輪設(shè)計(jì)這個(gè)領(lǐng)域帶過(guò)，同樣對(duì)凸輪設(shè)計(jì)也是一頭霧水。那能夠?qū)崙?zhàn)的一個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)到底該怎么進(jìn)行呢？本文將以一個(gè)案例的方式介紹凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程：

第一，首先需要對(duì)當(dāng)前的需求進(jìn)行工藝動(dòng)作分解，工藝動(dòng)作分解的目的是確定動(dòng)作源數(shù)和初步行程范圍。動(dòng)作源數(shù)就是要完成當(dāng)前的功能，需要多少個(gè)獨(dú)立的動(dòng)力動(dòng)作，譬如一個(gè)折疊動(dòng)作，把它分解，可能需要3個(gè)或4個(gè)動(dòng)作，且每個(gè)動(dòng)作都是獨(dú)立的，我們把這樣的獨(dú)立動(dòng)作成為一個(gè)動(dòng)作源，它決定了需要設(shè)計(jì)幾個(gè)凸輪數(shù)。行程范圍是根據(jù)產(chǎn)品工藝所需要的動(dòng)作，分析出動(dòng)作的幅度，這個(gè)幅度決定了凸輪的升程/降程。

第二，在一個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)的繪制中，一般都有多個(gè)凸輪系組成，所需要明確的數(shù)據(jù)及位置關(guān)系很多，給記憶和理解他們之間的尺寸和位置關(guān)系帶來(lái)很大挑戰(zhàn)，為了明確凸輪與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的位置關(guān)系，用機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖的方式呈現(xiàn)出來(lái)，方便校核和理解。機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖的主要目的是為了確定動(dòng)作的起始位置關(guān)系和確定連桿機(jī)構(gòu)放大的比例，也就基本確認(rèn)了凸輪的基圓大小和連桿的尺寸大小。

第三，單個(gè)凸輪在360度角度范圍內(nèi)有推程、遠(yuǎn)休、回程及近休四個(gè)動(dòng)作，反應(yīng)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)上就是一個(gè)執(zhí)行動(dòng)作的周期，如果只有一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，那理解起來(lái)比較容易，但實(shí)戰(zhàn)中往往由幾個(gè)凸輪組成一個(gè)凸輪組，甚至復(fù)雜點(diǎn)的機(jī)構(gòu)，由幾個(gè)凸輪組組成一個(gè)復(fù)雜的凸輪系，這時(shí)候要理解他們之間動(dòng)作的先后順序關(guān)系就非常困難了。利用一個(gè)工具，把所有凸輪在一個(gè)周期內(nèi)的所有動(dòng)作先后次序都呈現(xiàn)出來(lái)，一來(lái)方便理解記憶，因?yàn)楹笃诩?xì)化單個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)需要用到;二來(lái)在細(xì)化時(shí)，有些凸輪因壓力角過(guò)大或尺寸過(guò)大，這時(shí)候時(shí)序可能需要修改，有一個(gè)整體的時(shí)序圖就方便隨時(shí)查看修改，以達(dá)到凸輪系內(nèi)部相對(duì)理想的狀態(tài)。

第四，凸輪簡(jiǎn)圖是在繪制凸輪時(shí)序圖之后的細(xì)化，也是為了更方便直觀的繪制凸輪3D圖。單個(gè)凸輪簡(jiǎn)圖就是把單個(gè)凸輪的主要參數(shù)用簡(jiǎn)圖的方式呈現(xiàn)出來(lái)，譬如：基圓是多少、近休止角多大、遠(yuǎn)休止角多大、升程角多大及回程角多大、凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向標(biāo)識(shí)以及起始點(diǎn)標(biāo)識(shí)等等。

第五，繪制凸輪3D圖就是把繪制好的當(dāng)個(gè)凸輪簡(jiǎn)圖在3D軟件上呈現(xiàn)出來(lái)。呈現(xiàn)出來(lái)的包含此凸輪所有的細(xì)節(jié)，譬如厚度、升降程凸輪曲線(xiàn)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(jù)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖就可以細(xì)化此凸輪機(jī)構(gòu)的周邊機(jī)構(gòu)了，譬如連桿機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、動(dòng)力源機(jī)構(gòu)等等，構(gòu)成一個(gè)完整的凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2? 如何實(shí)戰(zhàn)設(shè)計(jì)一個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)

2.1分析動(dòng)作流程

如圖1所示，為此案例的一個(gè)實(shí)戰(zhàn)項(xiàng)目，對(duì)動(dòng)力軟包鋰電池的極耳按客戶(hù)的要求進(jìn)行折彎，以其中一個(gè)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(guò)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(shí)我們通過(guò)對(duì)產(chǎn)品性能工藝的理解，了解到在沖折時(shí)會(huì)對(duì)電池極耳根部造成拉扯，可能會(huì)對(duì)電池造成傷害，所以，在沖折之前有必要對(duì)根部極耳進(jìn)行壓住的動(dòng)作。最后，把每一步動(dòng)作進(jìn)行分解，得到如右圖所示的6步，實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的沖折周期。所以，凸輪設(shè)計(jì)不是憑空想象的，它一定得有具體的研究對(duì)象，具體的產(chǎn)品工藝限制要求，有針對(duì)性的設(shè)計(jì)。而且因每個(gè)人對(duì)工藝的理解是不一樣的，所以不同的人對(duì)同一工藝要求的凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可能是不一樣的，譬如，對(duì)行程的定義，對(duì)連桿機(jī)構(gòu)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(shí)現(xiàn)功能。

分析動(dòng)作流程就是對(duì)產(chǎn)品工藝深入的理解，理解它的材料特性，理解它的實(shí)效分析，理解它的位置關(guān)系等等，這是進(jìn)行凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，否則凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的再好也沒(méi)有，因?yàn)闄C(jī)構(gòu)能達(dá)到，但工藝達(dá)不到也不行。通過(guò)深入分析完，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)有些機(jī)構(gòu)就不能使用凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)完成，因?yàn)橥馆啓C(jī)構(gòu)有它使用的局限性，不是萬(wàn)能的，譬如需要有兼容要求的場(chǎng)合，需要有較長(zhǎng)行程的場(chǎng)合等等都不適用。

2.2繪制機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

如圖2所示，根據(jù)對(duì)產(chǎn)品的工藝分析，確定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作幅度和大致位置關(guān)系，就可以根據(jù)自己對(duì)位置空間的理解畫(huà)出它的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。這邊定義的是放大機(jī)構(gòu)，放大的倍數(shù)為2倍。經(jīng)過(guò)分析，得到的動(dòng)力源應(yīng)該為5個(gè)，但我們通過(guò)機(jī)構(gòu)合并分析，把下頂升預(yù)壓極耳的動(dòng)作與下沖壓模設(shè)計(jì)成一體的，因?yàn)閺某叽缟峡搭A(yù)壓比下模高，先接觸。把上預(yù)壓的與上一次沖壓的合并，因?yàn)樯蠘O耳需要先預(yù)壓到，但上一次沖模需要一定的過(guò)沖，故尺寸不好控制，所有這里上預(yù)壓采用彈簧的方式，隨一次上沖模一起下，先預(yù)壓接觸直至一次沖壓完成。 由此，動(dòng)力源縮小為3個(gè)，各個(gè)行程如圖，通過(guò)杠桿反饋到凸輪上的幅度減半。

繪制機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖能夠幫助我們很好的分析凸輪機(jī)構(gòu)各個(gè)機(jī)構(gòu)位置之間的關(guān)系，確定相對(duì)應(yīng)的位置行程。有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，我們就很方便的規(guī)劃出整個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)的全貌，接下來(lái)就是考慮如何細(xì)化結(jié)構(gòu)了。同樣，不同的人，繪制出的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖也是不一樣的，合理能滿(mǎn)足功能需求即可。有一定經(jīng)驗(yàn)的工程師可能規(guī)劃出的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖比較協(xié)調(diào)，相對(duì)穩(wěn)定性也會(huì)高些，這個(gè)只能通過(guò)不斷的試錯(cuò)總結(jié)才能提高認(rèn)知。

2.3繪制凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)序圖

如圖3所示，我們把轉(zhuǎn)軸的360度內(nèi)的動(dòng)作進(jìn)行分解，確定Cam1與Cam2兩個(gè)凸輪的動(dòng)作是同時(shí)進(jìn)行的，只不過(guò)機(jī)構(gòu)的位置不一樣，也就是說(shuō)底模上升和一次沖壓是同時(shí)動(dòng)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(jī)構(gòu)才能退回，所以動(dòng)作順序之間的關(guān)系就很清楚了。但是，為了不讓凸輪機(jī)構(gòu)升降的太快，以免凸輪的壓力角太大導(dǎo)致凸輪的穩(wěn)定性差，我們?cè)诮o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(wěn)定性。凸輪機(jī)構(gòu)的時(shí)序圖的橫軸是以時(shí)間（角度）為參考基準(zhǔn)，縱軸為幅度參考基準(zhǔn)，繪制出的具有表達(dá)動(dòng)作先后順序的邏輯圖，它只與時(shí)間（角度）有關(guān)，不考慮動(dòng)作的起始位置。

由于沖壓的時(shí)候，考慮到成型工藝，需要在沖到底的時(shí)候，希望能有一個(gè)保持動(dòng)作的時(shí)間，以保證最終的成型效果，所以在Cam3沖到底的時(shí)候，在時(shí)序上有一小段平滑線(xiàn)，就是為了保證工藝。

繪制凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)序圖，可以說(shuō)是凸輪機(jī)構(gòu)的重中之重，是決定凸輪機(jī)構(gòu)的可行性和穩(wěn)定性最重要的因素。這個(gè)案例的凸輪數(shù)量并不多，還好理解和分析，但如果凸輪數(shù)量較多，要厘清他們之間的關(guān)系就需要經(jīng)過(guò)多次反復(fù)的修改才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。同樣，不同的人，繪制的時(shí)序圖也不盡完全一樣，大的先后順序是相同的，但一些細(xì)節(jié)基本不可能一樣，譬如對(duì)角度大小的分配等等，所以凸輪時(shí)序圖的設(shè)計(jì)是非常定制化的。

2.4繪制凸輪簡(jiǎn)圖

如圖4所示，Cam1凸輪為底模升降的，為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，根據(jù)時(shí)序圖的角度分配可知，近休止角為45度，升程角為67.5度，遠(yuǎn)休止角為180度，回程角也為67.5度，起始點(diǎn)如圖表四為坐標(biāo)正下方;同時(shí)，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(huà)，與Cam1相反為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，根據(jù)時(shí)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(yuǎn)休止角為180度，回程角也為67.5度，起始點(diǎn)如圖為坐標(biāo)正上方;同時(shí)，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(shí)針旋轉(zhuǎn)，根據(jù)時(shí)序圖的角度分配可知，近休止角為180度，升程角為75度，遠(yuǎn)休止角為30度，回程角也為75度，起始點(diǎn)如圖為坐標(biāo)正上方，在近休止角的中間位置;同時(shí)，基圓半徑為60毫米，升程和回程均為9毫米。

繪制完凸輪簡(jiǎn)圖之后，就可以大致的可以看清每個(gè)凸輪應(yīng)有的曲線(xiàn)圖，也就是凸輪軌跡線(xiàn)，可以很清晰的辨識(shí)出基圓大小、各個(gè)角度的分配和前后順序關(guān)系、升降幅度（也就是凸輪的升程和回程）以及起始點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)方向。這樣做的目前是便于記錄和分析，因?yàn)樵诶L制凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，所需要的信息還是比較多的，如果沒(méi)有一個(gè)較好的記錄，在繪制時(shí)很多信息會(huì)較容易斷，導(dǎo)致凸輪無(wú)法繼續(xù)細(xì)化呈現(xiàn)出來(lái)。

2.5如何繪制凸輪3D圖

根據(jù)凸輪簡(jiǎn)圖就可以在3D設(shè)計(jì)軟件上把所需要的凸輪細(xì)致地畫(huà)出來(lái)，目前主流的工業(yè)制圖軟件都能實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，也有一些外掛插件可以直接通過(guò)輸入?yún)?shù)的方式直接生成，譬如三維軟件SolidWorks，就有邁迪工具箱這個(gè)插件。

特別要說(shuō)明的是，此次我們把Cam1和Cam2兩個(gè)凸輪合并在一個(gè)凸輪上了，即在一個(gè)凸輪的正反面沉出凸輪軌跡槽。為了減少凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高穩(wěn)定性，在對(duì)凸輪進(jìn)行慣量分析后，可適當(dāng)?shù)膶?duì)凸輪進(jìn)行減材動(dòng)作;還可以在凸輪上刻畫(huà)出轉(zhuǎn)動(dòng)方向和起始點(diǎn)，方便在編程、調(diào)試或檢查時(shí)快速識(shí)別出轉(zhuǎn)動(dòng)方向是否錯(cuò)誤。此次我們把凸輪和軸的固定方式設(shè)計(jì)為漲緊軸套的方式，方便拆卸和調(diào)整初始角度。

2.6繪制凸輪周邊機(jī)構(gòu)3D圖

如下圖5所示，單個(gè)凸輪繪制完成后，就可以綜合凸輪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖擴(kuò)展細(xì)化其他外圍周邊機(jī)構(gòu)，譬如此案例中的連桿放大機(jī)構(gòu)，沖壓模具工作頭機(jī)構(gòu)，動(dòng)力單元等等;最后就是總裝優(yōu)化，譬如干涉分析，動(dòng)作仿真驗(yàn)證時(shí)許的正確性，動(dòng)力學(xué)分析，以及外罩修飾等，經(jīng)過(guò)以上動(dòng)作，一套完整的凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)就完成了，接下來(lái)就是出圖采購(gòu)加工及安裝調(diào)試了。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)以一個(gè)項(xiàng)目中的實(shí)際案例的方式，介紹凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)全過(guò)程，從最開(kāi)始的產(chǎn)品工藝流程分析，到繪制凸輪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，到繪制凸輪時(shí)序圖，及凸輪簡(jiǎn)圖和凸輪3D圖，到最后的繪制凸輪周邊3D圖。希望通過(guò)實(shí)戰(zhàn)的方式，基于大學(xué)學(xué)的理論又高于理論，讓讀者能直觀的感受到在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中，一個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)是怎么從構(gòu)思到產(chǎn)品的過(guò)程。當(dāng)然，鑒于編者水平有限，如有不當(dāng)疏漏之處，還望大家指正。

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