北斗监管终端的推杆设计及优化仿真

0引言

近年来,北斗卫星导航系统逐步建设完成,相关终端产品已广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监 测、气象预报、测绘地理信息、森林防火、通信系统、 电力调度、救灾减灾、应急搜救、保密管理等领域。随着信息化建设在国内各行业的开展,信息泄露和敏感载体丢失等安全问题日益突出。光盘因其特有性质,成为多数涉密单位在工作中进行敏感数据信息存储和交换的主要方式之一。军工、科研院所等作为 涉密单位,由于工作和项目需要,在日常工作中会经常接触、使用和携带存储涉密信息的光盘外出。 目前,军工、科研院所等重要涉密单位在涉密光盘管理方面主要包括内部管理和出差在外管理两部分,一般内部管理有较为完善的管理流程,而出差在外管理监控手段相对缺失。因此,加强对光盘等敏感载体的外出过程监管十分必要和紧迫。根据此需求,设计出针对光盘外出的北斗监管装置。

1 终端概述

光盘外出监管装置内设有控制器以及与控制器相连的RFID读卡单元、用于接收和发送数据的4G通信单元、用于室内定位的wi—Fi单元、用于开关盒监测的霍尔传感器、用于与手机蓝牙通信以进行距离监测和防丢预警的蓝牙模块、用于确定位置的北斗 GNSS定位模块,在光盘上粘贴有与RFID读卡单元相配套的RFID标签,能实现光盘外出监管装置对光盘的位置追踪、历史轨迹查询、防丢分离报警、光盘放入与取出过程记录、载体容器打开/关闭记录、异常活动轨迹报警等全程动向管理。

2推杆装置设计

2.1设计分析和设计思路

北斗监管终端内设计放置4张光盘,当终端盖打开时,光盘为堆叠放置,如图1所示,单张取出困难。为方便光盘的拿取,设计光盘推杆装置,推动光盘呈阶梯状推出,光盘被推出时,每个光盘间隔1 cm的距离。为减小推杆装置,设计自上向下第一张光盘被推出0.5 cm,第二张光盘被推出1.5 cm,第三张光盘被推出2.5 cm,第4张光盘被推出3.5 cm,效果如图2所示。终端在整体设计时有尺寸限制,所以内部空间很小,考虑从侧边设计连杆机构。

连杆机构设计是根据给定的要求选定机构的形式,确定各构件的尺寸,同时还要满足结构条件、动力条件和运动条件等。一般要求如下:

第一,满足预定的连杆位置要求;第二,满足预定的运动规律要求;第三,满足预定的轨迹要求^[1]。

推杆装置设计中主要考虑连杆的位置要求,综合考虑空间和运动需求,决定采用曲柄滑块机构来实现光盘的侧面推出。

曲柄滑块机构具有结构简单、运动传递稳定、运动副寿命长等特点^[2],主要由曲柄、连杆、滑块等组成部分构成基本的运动副。曲柄滑块机构中,若以曲柄作为原动件,则机构将曲柄的旋转运动转化为滑块的直线运动;若以滑块作为原动件,则机构将滑块的直线运动转化为曲柄的旋转运动。该监管终端推杆装置设计中,选择滑块作为原动件。

推杆装置主要由滑块、连杆、曲柄推杆组成,如图3所示,推动光盘时,滑块向上竖直移动,通过连杆将动力传输到曲柄推杆上,通过曲柄推杆的圆周运动推动光盘向外移动,将光盘推出。

2.2 一般工程学原理

推杆装置中机构的原动件数为1,活动构件数(包括光盘)n=4,低副数P_L=5,高副数P_H=1(曲柄与光盘的接触为线接触),故机构的自由度为:F=3n—2P_L—P_H=3 × 4—2 × 5—1=1。原动件数目等于机构的自由度数目,所以该机构具有确定的运动^[3]。

2.3推杆装置具体设计

采用作图法对推杆装置进行设计,作图法就是利用各铰链之间的相对运动几何关系,通过作图确定各铰链的位置,从而确定各杆件的长度。作图法的优点是直观、简单、快捷^[3]。

外壳结构设计出限位槽,使滑块在外壳右侧上下滑动。曲柄推杆和滑块间通过连杆连接,连杆与滑块、连杆与曲柄推杆之间采用铰链连接。具体实施时,铰接位置通过金属轴销连接。金属轴销一端做滚花处理,未滚花部分为转动轴。滚花处理后的轴销安装后牢固可靠,不会脱出。相对于带帽轴销与开口销配合使用,滚花轴销具有安装简单、结构紧凑、成本低等优点。

在初始位置,设计曲柄推杆光盘接触的CD部分位置水平,一方面可以减少占用空间,另一方面也可以有效减小光盘两侧的摩擦阻力,从而减小推出光盘的力。曲柄推杆的BC与CD呈钝角的弯折结构。

为了满足光盘被阶梯状推出的要求,曲柄推杆设计为阶梯形。最下侧光盘被推出的距离最远,对应曲柄推杆上最长的端点D点。采用作图法,通过光盘被推出后的位置设计出曲柄推杆的阶梯尺寸,如图4所示,E、F、G三点为曲柄推杆上分别与第二张、第三张、第四张光盘接触的位置。

曲柄推杆的旋转中心是相对固定的,它通过外壳上的凸起轴限位在确定位置。设计推杆装置如图5所示。

3推杆装置理论分析优化

初步设计中存在的问题:做出样机后测试,推出光盘滑块需要的力很大,存在小力推不出,大力推将光盘飞出去的情况。最主要问题在于连杆结构设计不合理,需要的推力大。优化方向是减小推出光盘时滑块上的力^[4]。

根据初步样机测试情况,主要须克服光盘被推动前的静摩擦力、光盘与终端支架的静摩擦力、滑块与外壳的静摩擦力、滑块与连杆铰接的静摩擦力、连 杆和曲柄连接处铰接的静摩擦力和曲柄旋转轴的静摩擦力。

对机构进行力矩平衡计算,偏心距为e,滑块、连杆和曲柄推杆件全部采用普通塑料材质,质量小,在分析时,忽略杆件自重。通过对样机测试可知,推出光盘的过程中,刚开始推动时所需的力是最大的。为简化计算,分析只有一张光盘的情况。曲柄推杆在推动光盘的过程中,与光盘接触的点是变化的,为简化模型,调整模型如图6所示。

根据简化机构模型,列力矩平衡公式如下:

式中:F_A为滑块位置施加的推力;F_f为光盘与外壳、滑块与外壳以及推杆装置中杆件铰接处的摩擦力之和;c为曲柄推杆CD部分的长度;b为曲柄推杆BC部分的长度;β为连杆AB与曲柄推杆BC部分夹角的补角;α为连杆AB与右侧竖直外壳的夹角,也是曲柄滑块机构的压力角。

从方程式可以看出,c值减小、b值增大、β值增大、α值减小都可以减小滑块的推力。b和c的值主要由曲柄旋转中心的位置决定。偏心距越大,c值越小,b值越大。同时B点位置越靠近边缘,b值越大,此时压力角α越小。根据机械原理知识,在连杆机构中常用传动角的大小及其变化情况来衡量机构传力性能的好坏,压力角和传动角互为余角,传动角越大,即压力角越小,对机构的传力越有利,与理论知识相符。为使压力角减小,滑块A的位置尽量靠下,在保证能将光盘推出足够距离的前提下曲柄旋转中心的位置向左移动,相应的曲柄推杆装置CD部分尺寸减小, BC部分尺寸增大;同时,为保证光盘被推出后,BC部分未超出终端外壳,与外壳内表面平行,∠BCD减小。优化后的结构如图7所示。

4推杆装置ADAMS仿真验证

从理论分析来看,调整后的结构可以有效减小推杆装置推动光盘时的推力。为验证其有效性,利用 Creo软件设计出光盘载体终端的三维模型,导出x_t格式三维模型文件,再将文件导入仿真软件ADAMS 中,如图8所示。

在各杆件铰接处添加旋转副,在滑块处添加移动副,移动副位置分别选定滑块和地面,运动副添加完毕后,在滑块中心处的移动副上添加移动副驱动,在光盘上添加摩擦力。仿真运行一次,光盘被推出,然后进行仿真验证^[5]。

施加相同负载下,优化前和优化后的推力仿真结果分别如图9和图10所示。从仿真结果看,优化后的推力明显减小,仿真结果与计算一致,证明了理论分析正确,光盘推杆装置优化具有很好的有效性。

5 结论

光盘推杆装置采用了曲柄滑块机构,将滑块的直线移动转化为曲柄推杆的圆周运动,曲柄推杆在转动过程中把光盘推出。本文通过作图法对各杆件进行设计,尤其对曲柄推杆进行了详细设计,实现了光盘被阶梯推出的需求。

通过计算分析,对曲柄旋转中心的位置和曲柄推杆的形状进行了优化,减小了滑块推力,并通过 ADAMS软件进行了验证,优化后的推杆装置满足设计要求。

[参考文献]

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2024年第22期第9篇