采用凸轮驱动的QFP电路分离模具

李庆生，汪宗华，汪宗宝

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

在使用引线框架封装的电路中，QFP类产品采用四边管脚的封装方式。基于QFP产品的这种特点，它只能采用吸盘吸住产品的方式从引线框架上分离，用装盘的方式来收料(Tray off）。其所使用的分离模具虽然需承载的负荷不高（2 000～3 000 N），但要求稳定可靠，在一个冲切周期内完成检测、定位分离、保持、复位等动作。为此，模具不但需要上下模都能动作，而且相互之间的运动关系必须满足时序要求。一般考虑的是用两套伺服电机来驱动，通过PLC协调上下模之间的运动来实现。考虑到模具的负荷不高，通过一套伺服电机驱动一对凸轮的方式来实现上下模的时序关系，虽然设计上凸轮机构更复杂一些，但整个机构能做到更紧凑，成本更低，也更加稳定可靠。

1 模具结构

模具的整体结构如图1所示，整幅模具分为上下模两部分，采用下置式驱动。模具安装到装置上时，装置上的“顶出块连接钩”（件17）和“拉杆连接钩”（件18）分别扣住模具上的“顶出块”（件14）和“拉杆”（件15）。生产过程中，“顶出块连接钩”先行动作，由“顶出块”推动下模向上运动，完成检测定位动作。此时，上模由“拉杆”带动，向下运动到产品的分离位置，然后由下模再次向上运动完成产品的分离[1]。

图1 分离模具结构

2 时序关系分析

如图2所示，模具在从“开模位置”向上运行3.2 mm到达“检测位置”的过程中，“检测针”插入引线框架相应的孔内，完成检测和最初的定位。如果产品没有处于正确的位置，检测针就进不了框架相应的孔内，从而触发“检测针传感器”完成检测。在从“检测位置”运行到“分离开始位置”的过程中，上模向下运行4.5 mm，使“分离凹模”（件4）到达产品的分离位置，同时下模继续向上运行5.8 mm，使“分离凸模”（件10）含住产品的下胶体，完成分离动作前的准备工作。“分离凸模”（件10）从“分离开始位置”继续向上推动1.5 mm，切断引线框架和产品的连接部分（tiebar），把产品从引线框架上分离。然后，模具会处于一种保持状态，等待吸盘从模具中吸出分离后的产品，待产品从模具中吸出后，模具才会复位，从而完成一个冲切循环。

图2 时序关系分析图

3 凸轮时序设计

有了时序关系分析，就可以设计实现时序关系的凸轮机构。其中最关键的是要绘制凸轮时序图，如图3所示。除了要满足动作之间的逻辑关系，还需要分配好每个动作所花费的时间。假设设计的分离速度为60次/min，那么凸轮每转一度所需的时间就是2.78 ms。例如，分配给检测动作的区间角度是0°～36°，那么所分配的时间就是100 ms。合理的时序分配，需要遵循下面3个原则：

图3 凸轮时序图

(1)如果从动件需要做逻辑判断，譬如说检测位传感器需要给出检测信号时，需要给从动件留出足够的信号检测及反馈时间；

(2)避免从动件运行过程中出现过大的压力角，每种类型的加速度曲线都有最大压力角限制；

(3)需要考虑其他部件执行所需要的时间。譬如上推凸轮中的120°～156°区间是模具的保持段，在这段时间内模具保持产品的分离状态不动，以配合装置的吸盘从模具中吸出产品。

4 凸轮从动件运动规律的选择

在选择凸轮从动件运动规律时，应该避免由于速度突变引起刚性冲击和加速度突变引起的柔性冲击。在目前常用的多项式运动规律和组合运动规律中，要求最大速度、最大加速度、最大跃度都是最小值的运动规律是没有的，应根据不同的情况进行选择，但需遵循下列原则：

(1)高速轻载，优先选择加速度比较小的改进梯形运动规律；

(2)低速重载，优先选择速度比较小的改进等速运动规律；

(3)中速中载，优先选择速度、加速度、跃度都比较合适的改进正弦加速度运动规律。

在本文中，选择的是改进正弦加速度运动规律，因为这种运动规律无冲击，行程始末采用周期较短的正弦加速度，同时行程中部速度和加速度变化比较平缓，速度及转矩小，比较适合模具的负荷较小，速度也相对不高，但要求运行平稳。变形正弦加速度区间行程公式如式（1）：

式(1)中，s为凸轮的行程，β1为凸轮运行的区间角度，h为凸轮的升程或回程，θ为凸轮运行的角度。

5 用Pro/e软件自动生成凸轮轮廓曲线

以驱动上模的下拉凸轮为例，从参数规划开始，利用Pro/e强大的参数化能力，设计一个由布局驱动的单停留改进正弦加速度盘型凸轮。

5.1 参数规划

Pro/e通过“布局”来定义参数和参数的传递。在“布局”中，以概念的方式来定义参数和注释零件，通过图表和草绘参照，可清晰地建立各项参数和关系。在零件设计中，通过声明“布局”来获取相关的参数，这样可以很好地管理数据，优化设计流程。同时，可通过直接修改“布局”中的参数来驱动零件的更改，实现了自动生成同族零件的功能。如图4、表1所示，利用Pro/e自带的“布局”功能，在“布局”内对凸轮进行参数规划，并对各项参数进行赋值并设置关系。

图4 布局及参数定义

表1 布局参数表及参数关系设置

5.2 凸轮设计

在Pro/e中，使用“零件”模块来设计凸轮，首先在零件模块中声明先前建立的“布局”，来获取“布局”中的参数（同一个布局中的参数可以传递到不同的零件）。在球坐标系中通过关系来生成滚轮中心的运行曲线，也就是凸轮的理论轮廓线，凸轮的实际轮廓是由理论轮廓偏置滚轮半径来实现，如图5所示。下面是生成凸轮理论轮廓线的程序清单：

/*定义升程段曲线第一区间，采用球坐标系（rho，theta，phi)

t1_a=0.125*theta_a21*t /*t1_a，升程区间一，0～1/8 theta_a21

k1=rh_a/(4+pi)

k2=pi*t1_a/theta_a21

/*定义升程段第一区间的曲线方程

rho=rs+k1*(k2-0.25*sin(4*k2*(180/pi))) /*(180/pi)是将弧度转换成度

theta=90

phi=theta_a1+t1_a

/*定义升程段曲线第二区间

t1_a=1/8*theta_a21+3/4*theta_a21*t/*t1_a，升程区间二，（1/8～7/8）theta_a21

k1=rh_a/(4+pi)

k2=pi*t1_a/theta_a21

/*定义升程段第二区间的曲线方程

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

theta=90

phi=theta_a1+t1_a

/*定义升程段曲线第三区间

t1_a=7/8*theta_a21 +1/8*theta_a21*t/*t1_a，升程区间三，（7/8～1）theta_a21

k1=rh_a/(4+pi)

k2=pi*t1_a/theta_a21

/*定义升程段第三区间的曲线方程

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

theta=90

phi=theta_a1+t1_a

/*定义回程段曲线第一区间

t1_a=1/8*theta_a43*t /*t1_a，回程区间一，（1～7/8）theta_a43

k1=rh_a/(4+pi)

k2=pi*t1_a/theta_a43

/*定义回程段第一区间的曲线方程

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

theta=90

phi=theta_a3+t1_a

/*定义回程段曲线第二区间

t1_a=1/8*theta_a43+3/4*theta_a43*t /*t1_a，回程区间二，（7/8～1/8）theta_a43

k1=rh_a/(4+pi)

k2=pi*t1_a/theta_a43

/*定义回程段第二区间的曲线方程

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

theta=90

phi=theta_a3+t1_a

/*定义回程段曲线第三区间

t1_a=7/8*theta_a43+1/8*theta_a43*t /*t1_a，升程区间三，（1/8～0）theta_a43

k1=rh_a/(4+pi)

k2=pi*t1_a/theta_a43

/*定义回程段第三区间的曲线方程

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

theta=90

phi=theta_a3+t1_a

6 结束语

由于是通过程序直接生成凸轮轮廓，消除了通常通过取点方式来拟合所生成轮廓的误差。在实际加工中，CNC或线切割工序可以直接调用Pro/e文档来加工凸轮。在本文所涉及的QFP类分离模具中，由于时序关系是固定的，使用了一对凸轮机构来实现对原有伺服系统的替代。实际生产中该凸轮机构运行稳定可靠，完全能够满足使用要求。说明在某些时序固定的情况下，用凸轮机构取代昂贵的伺服系统来实现特定的运动要求，是完全可以实现的。