这套机构要服务的是冲压加工。模具合拢完成加工动作,开模、退料、工位间传递和机构避让则为下一次冲压做好准备。理解凸轮的作用,应把这些动作放进完整冲压循环,而不只看工件怎样从一个位置移到另一个位置。

凸轮怎样把连续运动变成有先后次序的动作?

以旋转凸轮为例:主轴持续转动,接触凸轮的滚子或其他从动件沿轮廓运动,从而产生往复直线运动或摆动。轮廓变化决定从动件何时开始移动、移动多少、何时停住以及何时返回。卡内基梅隆大学的机构学教材把一个凸轮运动循环概括为升程、停歇与回程。[1]

这里的“停歇”是指输入仍在运动,而某个从动件在设计区间内保持位置。它给其他动作留下时间。例如,送进方向可以暂时不动,让工件先被抬离定位部位;到达下一工位后,也可以先保持水平位置,再完成放下和松开。

从动件的运动还需要经过机构转换。摆臂长度、连杆布置和导向方向会影响夹爪的实际行程,因此,凸轮轮廓的高度变化不一定等于工件最终的移动距离。

在一套机械驱动方案中,可以用不同凸轮或不同运动支路控制送进、升降与夹持。各支路相对于共同输入的先后关系,就是时序设计的重要部分。不能仅凭外观看到一个凸轮,就认定所有动作都由它单独完成。

整套冲压循环中,模具动作与凸轮怎样配合?

完整冲压循环六状态示意:上模打开,工件从A传递到B,机构退出,上模下行完成下一次冲压。
冲压循环示意,不按比例。1开模与释放,2夹取并抬升,3送进,4在B落座并松开,5机构退出、空载返回,6合模冲压。灰色表示模具,实心圆跟踪工件位置,橙色括形表示夹持状态,虚线举例说明空载返回路径;红箭头表示冲压下行方向,不表示力值。图中不指定具体冲裁或成形工序,也不复原实机结构、凸轮角度或动作重叠。

先看压力机与模具:一次冲压结束后,模具打开,工件需要脱离上一工序的约束;传递机构再把工件送到下一工位。工件可靠落座、传递机构让开之后,模具才能按设计条件进行下一次冲压。工位间传递是冲压生产中的配合动作,冲压本身才是加工动作。

图中跟踪同一工件从A到B,并明确画出上模、下模和合模冲压。六格用于解释动作先后,不表示六个等长时间段,也不复原视频中设备的精确轨迹。开模、退料、夹取、抬升、送进与退出是否能重叠,要看实际模具和机构条件。AIDA所引用的伺服传递设备也分别列出送进、升降和夹持时机,需放在一起评审。[2]

凸轮轮廓及相连机构可以规定从动件的位移和停歇。应把它们与滑块行程、压料或顶料部件释放、工件落座及机构退出放在同一时序中核对。具体哪条支路驱动哪种动作,应结合装配关系确认;不能仅凭看到凸轮,就认定冲压力也由它提供。[1]

把冲压行程与配合动作放在同一循环中检查
动作工件和机构在做什么进入下一动作前要确认什么
1. 开模与释放上模打开,上一工序释放工件。检查退料和工件释放,不能只看上模高度。
2. 夹取并抬升机构夹住工件,使其离开支承和定位部位。确认夹持可靠,并越过定位件及成形轮廓。
3. 送进带着工件从A送向B。核对工件和机构经过整个路径时的空间。
4. 落座并松开工件进入B工位的支承和定位位置,再解除夹持。确认工件得到可靠支承和定位后再松开。
5. 退出与回程空载机构退出冲压工作范围,并按设计路径返回。确认合模前机构已到规定的安全位置。
6. 合模冲压模具合拢,完成下一道冲压加工。确认工件位置与设计的合模条件,并在约定试模条件下验证整个循环。

停歇与相位,为什么比“看起来很顺”更重要?

实拍片段二:同一装置的另一段近景,可观察机构与一列模具工位的相对运动。

两个动作各自都能完成,并不代表接在一起就能工作。夹爪尚未夹稳就开始抬升,工件可能滑落;尚未越过定位销就送进,可能发生刮碰;工件还没有可靠落座就松开,则可能偏离下一工位的定位位置。

评审时,可以把压力机滑块、压料或顶料部件、传递机构的各个运动,都放在同一条时间轴或主轴角度轴上。除了检查每个动作的终点,还要检查动作之间的交接:上一动作完成到什么程度,下一动作才可以开始?

“上模已经抬起来”只是一个条件。还要看工件能否取出、压料部件是否释放,以及夹爪连同工件经过整个路径时有无足够空间。实际安全窗口由模具和设备共同决定,不能为所有传递模套用一组固定角度。

机械同步使各支路具有确定的名义运动关系,但磨损、间隙、弹性变形和工件变化仍可能影响运行。设计中的时序关系,需要在装配和试模阶段得到验证。

同样一条路径,为什么提高速度后可能不稳定?

路径决定“经过哪里”,运动规律还决定“怎样到达”。如果速度突然改变,机构就需要很大的加速度,惯性载荷和振动也会随之增加。凸轮教材特别指出,简单的等速运动在起止端存在速度突变,不适合直接作为高速运行的理想方案。[1]

可以用一个关系理解提速的影响。设某段运动的行程为 h,完成时间为 T,运动写为 s=h·f(t/T),其中 f 表示不变的归一化运动规律。对时间求导可得:速度随 h/T 变化,加速度随 h/T² 变化。

因此,在行程和运动规律都不变时,把这段动作的完成时间减半,峰值加速度会变为原来的四倍。 如果运动质量也不变,相应的惯性力分量同样增大到四倍。这是运动学关系,不代表机构总受力、磨损或整机产量都按四倍变化。

这也解释了为什么手动转动或低速空跑能够说明基本路径,却不足以证明目标节拍下的带料稳定性。提速后还要观察夹持是否可靠、送料杆是否振动、零件是否弹跳,以及到位后是否有足够时间稳定下来。

从能运动到能生产,还要检查哪些结构?

除了移动距离,还需要评审从动件约束、受力传递,以及夹持到工位定位之间的交接。

从动件怎样贴合凸轮,并完成回程

弹簧、重力、沟槽或共轭凸轮都可能用于维持从动件与凸轮之间的约束。采用弹簧回程时,必须结合惯性、摩擦和工作载荷检查接触能否保持;采用沟槽或共轭结构时,则还要考虑间隙、润滑、接触状态和装配误差。[1]

回程方式应和工作方向一起看。仅检查凸轮“推得出去”,还不能说明机构在整个循环中都能按要求返回。

压力角、导向与接触部位是否合适

压力角描述接触力的作用方向与从动件运动方向之间的关系。对移动从动件而言,较大的压力角通常会增加侧向载荷,使导向部位更容易承受额外负担。允许范围要结合机构形式、速度、摩擦和载荷确定,不能只凭一个通用角度判断合格。[1]

若采用滚子从动件,还需区分滚子中心的轨迹与实际加工的凸轮轮廓。两者并不相同,不能把滚子中心轨迹直接当作凸轮外形。教材中的滚子凸轮设计也先确定节曲线,再求实际工作轮廓。[1]

夹持与定位分别由谁完成

夹爪首先要保证搬运过程中工件姿态受控。到达下一工位后,最终加工位置可能由模内定位销、定位面、型腔或专用夹具确定,具体分工取决于方案。

评审时应说清楚:夹爪把零件送到哪里,由哪些部位接住和定位,何时允许松开。薄壁、已成形或有外观要求的零件,还要检查夹持力和接触位置,避免为了“夹得更牢”而压伤或夹变形。

传递机构、级进模送料和模内斜楔,要分清用途

模内侧向机构可以用于侧冲孔或侧成形,它与搬运工件的传递机构承担不同任务。两者可以出现在同一套模具中,也都需要时序配合,但不能因为都使用了凸轮原理,就把它们视为同一类动作。

三类机构的不同用途
对象主要解决的问题评审重点
传递机构把已分离的坯料或工件在工位之间搬运夹持、路径、支承与定位交接、合模避让
级进模料带送料让料带连同尚未切离的零件依次通过工位步距、载带支撑、送料与导正配合
模内斜楔或侧向凸轮机构把驱动运动转为侧向或倾斜方向的工作运动工作行程、受力、导向、回程与成形干涉

评审传递方案时,要求看到什么?

一段连续运转的演示有助于理解动作。要判断方案能否用于指定零件,还应把运动、模具和实际工件联系起来检查:

这些资料能把“动作能做出来”进一步落实为“在约定条件下能重复地交接工件”。合格判据和试验范围应在验证前约定,不能只靠一段顺畅运行的视频代替。

  • 工位与工件状态图。 每一站放什么形状的工件,在哪里夹持,在哪里支承和定位。
  • 统一的动作时序图。 压力机、压料或顶料部件、夹持、升降和送进怎样配合,哪些区间允许动作重叠。
  • 完整的干涉检查。 包括带料前进、落座、松开和空载返回;同时考虑工件尺寸变化、夹具突出部位和所需间隙。
  • 约定条件下的带料试验记录。 标明零件与图纸版本、材料、设备设置、运行节拍、观察范围和发生的问题。检查结果既包括搬运,也包括后续加工的尺寸与表面状态。
  • 异常检测与维护安排。 明确缺料、未取到件、未到位等状态怎样检测和处理,以及滚子、导向、夹爪等部位怎样检查和维护。