用于車(chē)載加速器X射線標(biāo)定的并聯(lián)凸輪設(shè)計(jì)

陳玉梅

(同方威視技術(shù)股份有限公司,北京 100084)

0 引言

利用X射線掃描集裝箱貨物的集裝箱檢測(cè)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于海關(guān)集裝箱貨物的檢測(cè)。檢測(cè)系統(tǒng)的X射線由直線加速器產(chǎn)生，而直線加速器產(chǎn)生的X射線不是單一能量，其衰減規(guī)律是一個(gè)混合因數(shù)。所以，需要做一標(biāo)定裝置對(duì)射線進(jìn)行校正，這種矯正裝置就是X射線標(biāo)定機(jī)構(gòu)。

標(biāo)定機(jī)構(gòu)要求把不同厚度的標(biāo)定塊按固定順序置于X射線區(qū)域，而且適合車(chē)載條件：小空間、小重量。我們知道，凸輪機(jī)構(gòu)可以把簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成所需的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，只要合理地設(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線，便可以使從動(dòng)件獲得任意的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。因此，凸輪應(yīng)用非常廣泛，即使在電子技術(shù)發(fā)達(dá)的今天，傳統(tǒng)的凸輪機(jī)構(gòu)在機(jī)電控制方面也有著無(wú)可替代的作用和優(yōu)勢(shì)。利用凸輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，并考慮到車(chē)載集裝系統(tǒng)檢測(cè)用標(biāo)定裝置的限制，本文設(shè)計(jì)了用于集裝箱檢測(cè)系統(tǒng)的盤(pán)式回轉(zhuǎn)凸輪組對(duì)直線加速器系統(tǒng)X射線進(jìn)行標(biāo)定。

1 盤(pán)式回轉(zhuǎn)凸輪組結(jié)構(gòu)原理

直線加速器系統(tǒng)X射線標(biāo)定過(guò)程如圖1所示，每次將一個(gè)標(biāo)定厚度差的標(biāo)定塊推進(jìn)掃描區(qū)，標(biāo)定塊行程大于掃描區(qū)寬度。

圖1 直線加速器系統(tǒng)X射線標(biāo)定過(guò)程

圖2為盤(pán)式回轉(zhuǎn)凸輪組機(jī)構(gòu)。根據(jù)上述要求，確定凸輪的行程即為標(biāo)定塊行程，每一級(jí)標(biāo)定塊被固定在一個(gè)帶軌跡滾輪的滑軌上；每個(gè)凸輪的基圓相等，推程運(yùn)動(dòng)角、回程運(yùn)動(dòng)角相等，遠(yuǎn)、近休止角不同；所有凸輪按照運(yùn)動(dòng)順序同軸排列，每個(gè)凸輪分別與各級(jí)帶軌跡滾輪的標(biāo)定塊相配合，并在標(biāo)定塊下側(cè)分別配有復(fù)位彈簧。此外，凸輪組機(jī)構(gòu)還需要配置鏈輪傳動(dòng)及電機(jī)、行程開(kāi)關(guān)等控制元件以及附屬的X射線屏蔽等。

下面以一級(jí)標(biāo)定為例論述凸輪組工作原理。

圖2 盤(pán)式回轉(zhuǎn)凸輪組機(jī)構(gòu)

圖3為單級(jí)標(biāo)定塊運(yùn)動(dòng)原理，電機(jī)通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的凸輪通過(guò)壓下連在標(biāo)定塊上的軌跡滾輪把標(biāo)定塊壓到工作區(qū)。為使標(biāo)定塊沿豎直方向壓下，標(biāo)定塊連接在導(dǎo)向滑軌上。標(biāo)定完成后，凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入回程區(qū)，標(biāo)定塊被復(fù)位彈簧彈出，完成標(biāo)定。

同理，如果第一塊標(biāo)定塊壓下(凸輪處在遠(yuǎn)休止角內(nèi))后，凸輪軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，依次可以有更多的標(biāo)定塊被壓下(更多的凸輪處在其遠(yuǎn)休止角內(nèi))，標(biāo)定厚度也逐級(jí)改變，直至最后一級(jí)壓下，被標(biāo)定厚度達(dá)到最高；凸輪組繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入回程角，繼而到近休止角，彈簧會(huì)將所有標(biāo)定塊復(fù)位，退出射線區(qū)域。

由于標(biāo)定需要低速運(yùn)動(dòng)以采集數(shù)據(jù)并處理，因此設(shè)定20 s完成標(biāo)定，則凸輪轉(zhuǎn)速為3 r/min，可近似按靜態(tài)受力條件設(shè)計(jì)。

圖3 單級(jí)標(biāo)定塊運(yùn)動(dòng)原理

凸輪組的每個(gè)凸輪除了遠(yuǎn)休止角、近休止角以外，其他參數(shù)是相同的，考慮到設(shè)計(jì)、加工的工作量及制造成本，可以分解成幾部分進(jìn)行凸輪組的模塊化設(shè)計(jì)。

以圖4所示凸輪為例，每個(gè)凸輪分解成基圓、基礎(chǔ)塊和附加塊3個(gè)模塊，做成組件，按需要組合(凸輪組中所有凸輪由這3種零件構(gòu)成)?；A(chǔ)塊和附加塊的內(nèi)、外側(cè)為圓弧，內(nèi)側(cè)的圓弧直徑與基圓的外徑相等，所有外側(cè)圓弧的弧度相等，斜側(cè)面傾斜的角度相同。凸輪組中所有凸輪的基圓模塊完全相同，基礎(chǔ)塊是每個(gè)凸輪必須安裝的，而附加塊的安裝件數(shù)由休止角確定。圖4所示凸輪由1件基圓、1件基礎(chǔ)塊、5件附加塊以及必要的連接螺釘組成。按照機(jī)構(gòu)中標(biāo)定塊動(dòng)作順序確定基礎(chǔ)塊、附加塊的安裝位置。

2 凸輪各參數(shù)的確定

根據(jù)標(biāo)定塊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律確定為直動(dòng)凸輪，根據(jù)凸輪壓力角的許用值、安裝允許空間確定基圓半徑，根據(jù)標(biāo)定的過(guò)程確定遠(yuǎn)休止角等系列數(shù)據(jù)。

本例中，標(biāo)定塊行程h=12 m(覆蓋射線區(qū)寬度)，工作行程許用壓力角為30°～38°，遠(yuǎn)休止角≥30°，回程許用壓力角為70°～80°。根據(jù)已有產(chǎn)品的延續(xù)性，選擇軌跡滾輪直徑d=19 mm。

根據(jù)安裝位置條件，初步確定凸輪基圓直徑為80 mm，偏距圓直徑為35 mm。

為使凸輪能夠正常工作，需將最大壓力角控制在許用值范圍內(nèi)。凸輪壓力角就是從動(dòng)件(標(biāo)定塊)運(yùn)動(dòng)方向和受力方向所夾的銳角，圖5為凸輪壓力角計(jì)算示意圖。其中，R0為凸輪基圓半徑，R0=40 mm；e為偏距圓半徑，e=35/2 mm；d為軌跡滾輪直徑，d=19 mm；h為標(biāo)定塊行程，h=12 mm；β為凸輪塊斜面角；α升max、α降max分別為升程和回程最大壓力角。根據(jù)幾何關(guān)系可知，壓力角在D點(diǎn)即直線段外頂點(diǎn)處最大。

由圖5所示的幾何關(guān)系可知：

(1)

(2)

由式(1)和式(2)可以看出，適當(dāng)增大偏距圓半徑可以減小上升壓力角，但同時(shí)回程壓力角會(huì)增大，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

圖4凸輪模塊圖5凸輪壓力角計(jì)算示意圖

表1 壓力角計(jì)算結(jié)果

從表1可以看出：隨著β角的增大，壓力角逐漸變小。對(duì)于制造來(lái)說(shuō)，β角越小，加工零件棱角越容易保證精度。所以在保證壓力角的合理?xiàng)l件下，選擇較小的β角，根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果，選擇β=10°合理。

3 凸輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

當(dāng)然，不是所有的組合都是我們需要的，根據(jù)實(shí)際情況可以剔除掉一些組合，選擇需要的使用。這個(gè)優(yōu)化的特點(diǎn)在于每個(gè)凸輪可以有多個(gè)工作過(guò)程，即有不止一次的上升和復(fù)位，我們稱(chēng)作多程模塊化凸輪。由這樣的多個(gè)凸輪共用一個(gè)傳動(dòng)軸，就形成了一個(gè)并聯(lián)多程模塊化凸輪組。根據(jù)本設(shè)計(jì)的參數(shù)優(yōu)化前、后的凸輪組結(jié)構(gòu)如圖6所示。

優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)更加緊湊，外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為300 mm×120 mm×180 mm，重量為25 kg左右。與結(jié)構(gòu)優(yōu)化前(外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為300mm×218mm×556mm，重量為35kg)相比，體積小、重量輕。

圖6 優(yōu)化前、后的凸輪組結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套組合凸輪機(jī)構(gòu)，并利用排列組合原理，提出了并聯(lián)多程模塊化凸輪組的結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)目前已經(jīng)應(yīng)用于車(chē)載集裝箱檢測(cè)系統(tǒng)的直線加速器系統(tǒng)X射線的標(biāo)定。