采用凸輪驅動的QFP電路分離模具

李慶生，汪宗華，汪宗寶

(1.銅陵文一三佳科技股份有限公司，安徽 銅陵244000；2.安徽荻港海螺水泥股份有限公司，安徽 蕪湖241200)

在使用引線框架封裝的電路中，QFP類產品采用四邊管腳的封裝方式。基于QFP產品的這種特點，它只能采用吸盤吸住產品的方式從引線框架上分離，用裝盤的方式來收料(Tray off）。其所使用的分離模具雖然需承載的負荷不高（2 000～3 000 N），但要求穩定可靠，在一個沖切周期內完成檢測、定位分離、保持、復位等動作。為此，模具不但需要上下模都能動作，而且相互之間的運動關系必須滿足時序要求。一般考慮的是用兩套伺服電機來驅動，通過PLC協調上下模之間的運動來實現。考慮到模具的負荷不高，通過一套伺服電機驅動一對凸輪的方式來實現上下模的時序關系，雖然設計上凸輪機構更復雜一些，但整個機構能做到更緊湊，成本更低，也更加穩定可靠。

1 模具結構

模具的整體結構如圖1所示，整幅模具分為上下模兩部分，采用下置式驅動。模具安裝到裝置上時，裝置上的“頂出塊連接鉤”（件17）和“拉桿連接鉤”（件18）分別扣住模具上的“頂出塊”（件14）和“拉桿”（件15）。生產過程中，“頂出塊連接鉤”先行動作，由“頂出塊”推動下模向上運動，完成檢測定位動作。此時，上模由“拉桿”帶動，向下運動到產品的分離位置，然后由下模再次向上運動完成產品的分離[1]。

圖1 分離模具結構

2 時序關系分析

如圖2所示，模具在從“開模位置”向上運行3.2 mm到達“檢測位置”的過程中，“檢測針”插入引線框架相應的孔內，完成檢測和最初的定位。如果產品沒有處于正確的位置，檢測針就進不了框架相應的孔內，從而觸發“檢測針傳感器”完成檢測。在從“檢測位置”運行到“分離開始位置”的過程中，上模向下運行4.5 mm，使“分離凹模”（件4）到達產品的分離位置，同時下模繼續向上運行5.8 mm，使“分離凸模”（件10）含住產品的下膠體，完成分離動作前的準備工作。“分離凸模”（件10）從“分離開始位置”繼續向上推動1.5 mm，切斷引線框架和產品的連接部分（tiebar），把產品從引線框架上分離。然后，模具會處于一種保持狀態，等待吸盤從模具中吸出分離后的產品，待產品從模具中吸出后，模具才會復位，從而完成一個沖切循環。

圖2 時序關系分析圖

3 凸輪時序設計

有了時序關系分析，就可以設計實現時序關系的凸輪機構。其中最關鍵的是要繪制凸輪時序圖，如圖3所示。除了要滿足動作之間的邏輯關系，還需要分配好每個動作所花費的時間。假設設計的分離速度為60次/min，那么凸輪每轉一度所需的時間就是2.78 ms。例如，分配給檢測動作的區間角度是0°～36°，那么所分配的時間就是100 ms。合理的時序分配，需要遵循下面3個原則：

圖3 凸輪時序圖

(1)如果從動件需要做邏輯判斷，譬如說檢測位傳感器需要給出檢測信號時，需要給從動件留出足夠的信號檢測及反饋時間；

(2)避免從動件運行過程中出現過大的壓力角，每種類型的加速度曲線都有最大壓力角限制；

(3)需要考慮其他部件執行所需要的時間。譬如上推凸輪中的120°～156°區間是模具的保持段，在這段時間內模具保持產品的分離狀態不動，以配合裝置的吸盤從模具中吸出產品。

4 凸輪從動件運動規律的選擇

在選擇凸輪從動件運動規律時，應該避免由于速度突變引起剛性沖擊和加速度突變引起的柔性沖擊。在目前常用的多項式運動規律和組合運動規律中，要求最大速度、最大加速度、最大躍度都是最小值的運動規律是沒有的，應根據不同的情況進行選擇，但需遵循下列原則：

(1)高速輕載，優先選擇加速度比較小的改進梯形運動規律；

(2)低速重載，優先選擇速度比較小的改進等速運動規律；

(3)中速中載，優先選擇速度、加速度、躍度都比較合適的改進正弦加速度運動規律。

在本文中，選擇的是改進正弦加速度運動規律，因為這種運動規律無沖擊，行程始末采用周期較短的正弦加速度，同時行程中部速度和加速度變化比較平緩，速度及轉矩小，比較適合模具的負荷較小，速度也相對不高，但要求運行平穩。變形正弦加速度區間行程公式如式（1）：

式(1)中，s為凸輪的行程，β1為凸輪運行的區間角度，h為凸輪的升程或回程，θ為凸輪運行的角度。

5 用Pro/e軟件自動生成凸輪輪廓曲線

以驅動上模的下拉凸輪為例，從參數規劃開始，利用Pro/e強大的參數化能力，設計一個由布局驅動的單停留改進正弦加速度盤型凸輪。

5.1 參數規劃

Pro/e通過“布局”來定義參數和參數的傳遞。在“布局”中，以概念的方式來定義參數和注釋零件，通過圖表和草繪參照，可清晰地建立各項參數和關系。在零件設計中，通過聲明“布局”來獲取相關的參數，這樣可以很好地管理數據，優化設計流程。同時，可通過直接修改“布局”中的參數來驅動零件的更改，實現了自動生成同族零件的功能。如圖4、表1所示，利用Pro/e自帶的“布局”功能，在“布局”內對凸輪進行參數規劃，并對各項參數進行賦值并設置關系。

圖4 布局及參數定義

表1 布局參數表及參數關系設置

5.2 凸輪設計

在Pro/e中，使用“零件”模塊來設計凸輪，首先在零件模塊中聲明先前建立的“布局”，來獲取“布局”中的參數（同一個布局中的參數可以傳遞到不同的零件）。在球坐標系中通過關系來生成滾輪中心的運行曲線，也就是凸輪的理論輪廓線，凸輪的實際輪廓是由理論輪廓偏置滾輪半徑來實現，如圖5所示。下面是生成凸輪理論輪廓線的程序清單：

/*定義升程段曲線第一區間，采用球坐標系（rho，theta，phi)

t1_a=0.125*theta_a21*t /*t1_a，升程區間一，0～1/8 theta_a21

k1=rh_a/(4+pi)

k2=pi*t1_a/theta_a21

/*定義升程段第一區間的曲線方程

rho=rs+k1*(k2-0.25*sin(4*k2*(180/pi))) /*(180/pi)是將弧度轉換成度

theta=90

phi=theta_a1+t1_a

/*定義升程段曲線第二區間

t1_a=1/8*theta_a21+3/4*theta_a21*t/*t1_a，升程區間二，（1/8～7/8）theta_a21

k1=rh_a/(4+pi)

k2=pi*t1_a/theta_a21

/*定義升程段第二區間的曲線方程

rho=rs+k1*(2+k2-2.25*sin((pi/3+(4/3)*k2)*(180/pi)))

theta=90

phi=theta_a1+t1_a

/*定義升程段曲線第三區間

t1_a=7/8*theta_a21 +1/8*theta_a21*t/*t1_a，升程區間三，（7/8～1）theta_a21

k1=rh_a/(4+pi)

k2=pi*t1_a/theta_a21

/*定義升程段第三區間的曲線方程

rho=rs+k1*(4+k2-1/4*sin(4*k2*(180/pi)))

theta=90

phi=theta_a1+t1_a

/*定義回程段曲線第一區間

t1_a=1/8*theta_a43*t /*t1_a，回程區間一，（1～7/8）theta_a43

k1=rh_a/(4+pi)

k2=pi*t1_a/theta_a43

/*定義回程段第一區間的曲線方程

rho=(rs+rh_a)-k1*(k2-1/4*sin(4*k2*(180/pi)))

theta=90

phi=theta_a3+t1_a

/*定義回程段曲線第二區間

t1_a=1/8*theta_a43+3/4*theta_a43*t /*t1_a，回程區間二，（7/8～1/8）theta_a43

k1=rh_a/(4+pi)

k2=pi*t1_a/theta_a43

/*定義回程段第二區間的曲線方程

rho=(rs+rh_a)-k1*(2+k2-2.25*sin((pi/3+(4/3)*k2)*(180/pi)))

theta=90

phi=theta_a3+t1_a

/*定義回程段曲線第三區間

t1_a=7/8*theta_a43+1/8*theta_a43*t /*t1_a，升程區間三，（1/8～0）theta_a43

k1=rh_a/(4+pi)

k2=pi*t1_a/theta_a43

/*定義回程段第三區間的曲線方程

rho=(rs+rh_a)-k1*(4+k2-1/4*sin(4*k2*(180/pi)))

theta=90

phi=theta_a3+t1_a

6 結束語

由于是通過程序直接生成凸輪輪廓，消除了通常通過取點方式來擬合所生成輪廓的誤差。在實際加工中，CNC或線切割工序可以直接調用Pro/e文檔來加工凸輪。在本文所涉及的QFP類分離模具中，由于時序關系是固定的，使用了一對凸輪機構來實現對原有伺服系統的替代。實際生產中該凸輪機構運行穩定可靠，完全能夠滿足使用要求。說明在某些時序固定的情況下，用凸輪機構取代昂貴的伺服系統來實現特定的運動要求，是完全可以實現的。