基于ADAMS的端面凸輪下壓機構仿真分析*

蘆 俊，張佳佳，李 丹，潘小華

（中國電子科技集團第五十八研究所華普公司，江蘇無錫 214035）

轉塔式集成電路測試打標檢查編帶一體機（簡稱轉塔機）用于對超小型封裝形式的集成電路如QFN、SOP、SOT等進行電信號測試、打印標識、外觀檢查和分選編帶[1]。轉塔機具有技術性能先進、功能集成度高、穩定性高、測試效率高的特點，大大地提高集成電路測試速度、降低其測試成本，是未來高端集成電路測試設備發展的趨勢。

轉塔機通過端面凸輪下壓機構的下壓、上抬運動和主轉盤的旋轉將集成電路由一個工位搬運到下一個工位，凸輪下壓機構的運行速度和穩定性決定了轉塔機的性能。端面凸輪機構的設計，對提高超小型集成電路生產的自動化程度，起到重要作用。

1 端面凸輪機構

轉塔機端面凸輪下壓機構由連接在伺服電機輸出軸上的端面凸輪和固定在下壓塊上的隨動軸承（滾子直動推桿）組成，其中下壓塊和機座通過線性導軌和封閉彈簧連接，下壓塊可沿線性導軌作上下滑動。具體工作原理如下：在封閉彈簧預緊力的作用下隨動軸承與端面凸輪的端面保持接觸，伺服電機帶動端面凸輪旋轉，在隨動軸承與端面凸輪接觸力的作用下，下壓塊克服封閉彈簧的阻力下移，即固定在下壓塊上的頂桿下移，同時封閉彈簧產生壓縮變形。隨后端面凸輪回轉，下壓塊在封閉彈簧壓縮力的作用下上升。設計時應選用合適的彈簧及端面凸輪轉速，保證下壓、上抬過程中隨動軸承與凸輪時刻保持接觸，否則有沖擊噪聲產生，加劇凸輪副的磨損。

轉塔機的端面凸輪下壓機構如圖1所示，其中端面凸輪最小半徑5.5 mm，滾子寬度2 mm，升程5.5 mm；隨動軸承半徑3 mm；封閉彈簧剛度系數0.63 N/mm。

圖1 轉塔機端面凸輪下壓機構

端面凸輪和隨動軸承材料特性如表1所示。

2 仿真分析

2.1 接觸定義

ADAMS軟件采用基于碰撞函數的 接 觸 算 法[2～3]，其接觸模型如圖2所示，當I和J距離下降至名義自由長度x1，2個物體開始接觸。接觸力由2部分組成，彈性力和阻尼力。彈性力與k成正比，是關于I點與J點在自由長度范圍內穿透量的函數。阻尼力是關于穿透速度的函數，方向與相對運動方向相反。

表1 材料特性

圖2 ADAMS接觸力模型

接觸力定義為

其中：x——兩物體接觸（碰撞）過程的實際距離；

x?——相對于位移的碰撞速度；

x1——表示位移x自有長度的正實數變量，如果x＜x1，則力賦一個正值，否則力值為0；

e——力的變形特征指數，金屬與金屬材料取1.5；

C——阻尼系數，通常取剛度值的0.1～1%；

d——施加全阻尼時的邊界穿透量，其合適值為0.1 mm；

k——剛度值，取決于接觸物體的材料和結構形狀。

R1，R2——兩接觸物體在接觸點的接觸半徑（如果接觸面為平面，則接觸半徑為無窮大）；

μ1，μ2——兩個接觸物體的泊松比；

E1，E2——兩個接觸物體的彈性模量。

根據表1的材料特性，計算得到k=100 000 N/mm，取阻尼系數C=50 Ns-1/mm，變形指數e=1.5，穿透深度d=0.1 mm。

2.2 凸輪運動參數的確定

定義端面凸輪與隨動軸承的接觸后，再確定端面凸輪的運動參數。一般設計中，默認端面凸輪為勻速運動，而本文中的轉塔機端面凸輪下壓機構的下壓和上抬運動受伺服電機控制，以實現間歇性往復運動，設計端面凸輪下壓機構的下壓時間40 ms，上抬時間40 ms，端面凸輪的角速度曲線如圖3所示。

圖3 端面凸輪的角速度曲線

在ADAMS中用IF函數描述端面凸輪的角加速度曲線，IF函數為判斷函數，可嵌套使用。端面凸輪的角加速度函數如下：

2.3 仿真比較

凸輪機構中推桿運動規律的選擇，關系到凸輪機構的工作質量。凸輪機構的型式、有關基本尺寸確定后，根據選定的推桿的運動規律設計出凸輪應有的輪廓尺寸[4～5]。推桿的運動規律是指推桿的位移s、速度v和加速度a隨時間t變化的規律。

當凸輪勻速轉動時，推桿常用運動規律有等速運動、等加速運動、余弦加速度、正弦加速度、正弦-拋物線-正弦（改進梯形）加速度，其中正弦加速度凸輪和改進梯形加速度凸輪的加速度從零開始增大，沒有突變，適用于高速場合，且無沖擊。

本文采用ADAMS軟件對推桿運動規律為正弦加速度和改進梯形加速度的端面凸輪下壓機構進行仿真分析，研究端面凸輪勻加速轉動時端面凸輪下壓機構的運動學動力學特性。取仿真時間80 ms，步數8 000步。

圖4 正弦加速度運動規律端面凸輪

（1）正弦加速度運動規律

如圖4所示，使用Solidworks軟件建立正弦加速度運動規律端面凸輪下壓機構，導入AD?AMS，添加運動副和接觸[6-7]，設置參數后先進行靜平衡分析，再進行仿真，結果如圖5、圖6所示。

圖5 速度、加速度曲線

由圖可知正弦加速度運動規律的端面凸輪機構加速度最大值為70 300 mm/s2，碰撞力最大值為11.42 N，且在0.06 s左右，即下壓塊上抬階段，接觸力等于零，說明隨動軸承和凸輪脫離，之后接觸力迅速增大，產生振動及噪聲。

（2）改進梯形加速度運動規律

如圖7所示，使用Solidworks軟件建立改進梯形加速度運動規律端面凸輪下壓機構，導入ADAMS，添加運動副和接觸，設置參數后先進行靜平衡分析，再進行仿真，結果如圖8、圖9所示。

改進梯形加速度運動規律的端面凸輪機構加速度最大值為41 800 mm/s2，碰撞力最大值為8.67 N，且運動過程中端面凸輪和隨動軸承始終保持接觸。

由于最大加速度值的大小，會直接影響從動件系統的慣性力，從動件與凸輪的接觸應力，從動件的強度等。從動件（下壓塊）在運動過程中的最大加速度值越小越好。

圖7 改進梯形加速度運動規律端面凸輪

圖8 速度、加速度曲線

圖9 位移、接觸力曲線

對比可知，當端面凸輪的轉速曲線為三角波時，仿真得到的改進梯形加速度運動規律的端面凸輪下壓機構力曲線優于正弦加速度的力曲線，即碰撞力較小，且沒有沖擊噪聲，故本轉塔機設計采用改進梯形運動規律的端面凸輪。

3 結論

本文主要研究端面凸輪下壓機構的運動學和動力學問題。轉塔機工作時要求下壓塊（從動件）高速、平穩地運動，并能夠保證凸輪機構在沖擊、精度及壽命等方面的要求。因而力學性能較好的從動件為改進梯形加速度運動規律的端面凸輪。

［1］蘆俊，曹盤江，皮志松，等.轉盤式分選機中高速旋轉真空吸盤的動力學分析及計算［J］.機械設計，2011（12）：35-38.

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