北斗監(jiān)管終端的推桿設(shè)計及優(yōu)化仿真

摘要：對北斗監(jiān)管終端中光盤推出裝置進行了設(shè)計和優(yōu)化，光盤推出部分采用曲柄滑塊機構(gòu)，通過將滑塊的直線運動轉(zhuǎn)化為曲柄推桿的轉(zhuǎn)動推出光盤。采用作圖法對推桿裝置進行設(shè)計，實現(xiàn)多張光盤被階梯狀推出，通過計算來調(diào)整曲柄推桿旋轉(zhuǎn)中心點的位置及各桿件長度，并利用ADAMS軟件對機構(gòu)進行仿真驗證，以有效減小滑塊推力，完成推桿裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

關(guān)鍵詞：北斗終端；曲柄滑塊；機構(gòu)優(yōu)化；ADAMS仿真

中圖分類號：TN967.1；TH112" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）22-0035-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.22.009

0" " 引言

近年來，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)逐步建設(shè)完成，相關(guān)終端產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于交通運輸、海洋漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象預(yù)報、測繪地理信息、森林防火、通信系統(tǒng)、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急搜救、保密管理等領(lǐng)域。隨著信息化建設(shè)在國內(nèi)各行業(yè)的開展，信息泄露和敏感載體丟失等安全問題日益突出。光盤因其特有性質(zhì)，成為多數(shù)涉密單位在工作中進行敏感數(shù)據(jù)信息存儲和交換的主要方式之一。軍工、科研院所等作為涉密單位，由于工作和項目需要，在日常工作中會經(jīng)常接觸、使用和攜帶存儲涉密信息的光盤外出。目前，軍工、科研院所等重要涉密單位在涉密光盤管理方面主要包括內(nèi)部管理和出差在外管理兩部分，一般內(nèi)部管理有較為完善的管理流程，而出差在外管理監(jiān)控手段相對缺失。因此，加強對光盤等敏感載體的外出過程監(jiān)管十分必要和緊迫。根據(jù)此需求，設(shè)計出針對光盤外出的北斗監(jiān)管裝置。

1" " 終端概述

光盤外出監(jiān)管裝置內(nèi)設(shè)有控制器以及與控制器相連的RFID讀卡單元、用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的4G通信單元、用于室內(nèi)定位的Wi-Fi單元、用于開關(guān)盒監(jiān)測的霍爾傳感器、用于與手機藍牙通信以進行距離監(jiān)測和防丟預(yù)警的藍牙模塊、用于確定位置的北斗GNSS定位模塊，在光盤上粘貼有與RFID讀卡單元相配套的RFID標簽，能實現(xiàn)光盤外出監(jiān)管裝置對光盤的位置追蹤、歷史軌跡查詢、防丟分離報警、光盤放入與取出過程記錄、載體容器打開/關(guān)閉記錄、異?；顒榆壽E報警等全程動向管理。

2" " 推桿裝置設(shè)計

2.1" " 設(shè)計分析和設(shè)計思路

北斗監(jiān)管終端內(nèi)設(shè)計放置4張光盤，當(dāng)終端蓋打開時，光盤為堆疊放置，如圖1所示，單張取出困難。為方便光盤的拿取，設(shè)計光盤推桿裝置，推動光盤呈階梯狀推出，光盤被推出時，每個光盤間隔1 cm的距離。為減小推桿裝置，設(shè)計自上向下第一張光盤被推出0.5 cm，第二張光盤被推出1.5 cm，第三張光盤被推出2.5 cm，第4張光盤被推出3.5 cm，效果如圖2所示。終端在整體設(shè)計時有尺寸限制，所以內(nèi)部空間很小，考慮從側(cè)邊設(shè)計連桿機構(gòu)。

連桿機構(gòu)設(shè)計是根據(jù)給定的要求選定機構(gòu)的形式，確定各構(gòu)件的尺寸，同時還要滿足結(jié)構(gòu)條件、動力條件和運動條件等。一般要求如下：

第一，滿足預(yù)定的連桿位置要求；

第二，滿足預(yù)定的運動規(guī)律要求；

第三，滿足預(yù)定的軌跡要求[1]。

推桿裝置設(shè)計中主要考慮連桿的位置要求，綜合考慮空間和運動需求，決定采用曲柄滑塊機構(gòu)來實現(xiàn)光盤的側(cè)面推出。

曲柄滑塊機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、運動傳遞穩(wěn)定、運動副壽命長等特點[2]，主要由曲柄、連桿、滑塊等組成部分構(gòu)成基本的運動副。曲柄滑塊機構(gòu)中，若以曲柄作為原動件，則機構(gòu)將曲柄的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滑塊的直線運動；若以滑塊作為原動件，則機構(gòu)將滑塊的直線運動轉(zhuǎn)化為曲柄的旋轉(zhuǎn)運動。該監(jiān)管終端推桿裝置設(shè)計中，選擇滑塊作為原動件。

推桿裝置主要由滑塊、連桿、曲柄推桿組成，如圖3所示，推動光盤時，滑塊向上豎直移動，通過連桿將動力傳輸?shù)角茥U上，通過曲柄推桿的圓周運動推動光盤向外移動，將光盤推出。

2.2" " 一般工程學(xué)原理

推桿裝置中機構(gòu)的原動件數(shù)為1，活動構(gòu)件數(shù)（包括光盤）n=4，低副數(shù)PL=5，高副數(shù)PH=1（曲柄與光盤的接觸為線接觸），故機構(gòu)的自由度為：F=3n-2PL-PH=

3×4-2×5-1=1。原動件數(shù)目等于機構(gòu)的自由度數(shù)目，所以該機構(gòu)具有確定的運動[3]。

2.3" " 推桿裝置具體設(shè)計

采用作圖法對推桿裝置進行設(shè)計，作圖法就是利用各鉸鏈之間的相對運動幾何關(guān)系，通過作圖確定各鉸鏈的位置，從而確定各桿件的長度。作圖法的優(yōu)點是直觀、簡單、快捷[3]。

外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計出限位槽，使滑塊在外殼右側(cè)上下滑動。曲柄推桿和滑塊間通過連桿連接，連桿與滑塊、連桿與曲柄推桿之間采用鉸鏈連接。具體實施時，鉸接位置通過金屬軸銷連接。金屬軸銷一端做滾花處理，未滾花部分為轉(zhuǎn)動軸。滾花處理后的軸銷安裝后牢固可靠，不會脫出。相對于帶帽軸銷與開口銷配合使用，滾花軸銷具有安裝簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低等優(yōu)點。

在初始位置，設(shè)計曲柄推桿光盤接觸的CD部分位置水平，一方面可以減少占用空間，另一方面也可以有效減小光盤兩側(cè)的摩擦阻力，從而減小推出光盤的力。曲柄推桿的BC與CD呈鈍角的彎折結(jié)構(gòu)。

為了滿足光盤被階梯狀推出的要求，曲柄推桿設(shè)計為階梯形。最下側(cè)光盤被推出的距離最遠，對應(yīng)曲柄推桿上最長的端點D點。采用作圖法，通過光盤被推出后的位置設(shè)計出曲柄推桿的階梯尺寸，如圖4所示，E、F、G三點為曲柄推桿上分別與第二張、第三張、第四張光盤接觸的位置。

曲柄推桿的旋轉(zhuǎn)中心是相對固定的，它通過外殼上的凸起軸限位在確定位置。設(shè)計推桿裝置如圖5所示。

3" " 推桿裝置理論分析優(yōu)化

初步設(shè)計中存在的問題：做出樣機后測試，推出光盤滑塊需要的力很大，存在小力推不出，大力推將光盤飛出去的情況。最主要問題在于連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，需要的推力大。優(yōu)化方向是減小推出光盤時滑塊上的力[4]。

根據(jù)初步樣機測試情況，主要須克服光盤被推動前的靜摩擦力、光盤與終端支架的靜摩擦力、滑塊與外殼的靜摩擦力、滑塊與連桿鉸接的靜摩擦力、連桿和曲柄連接處鉸接的靜摩擦力和曲柄旋轉(zhuǎn)軸的靜摩擦力。

對機構(gòu)進行力矩平衡計算，偏心距為e，滑塊、連桿和曲柄推桿件全部采用普通塑料材質(zhì)，質(zhì)量小，在分析時，忽略桿件自重。通過對樣機測試可知，推出光盤的過程中，剛開始推動時所需的力是最大的。為簡化計算，分析只有一張光盤的情況。曲柄推桿在推動光盤的過程中，與光盤接觸的點是變化的，為簡化模型，調(diào)整模型如圖6所示。

根據(jù)簡化機構(gòu)模型，列力矩平衡公式如下：

FA=

式中：FA為滑塊位置施加的推力；Ff為光盤與外殼、滑塊與外殼以及推桿裝置中桿件鉸接處的摩擦力之和；c為曲柄推桿CD部分的長度；b為曲柄推桿BC部分的長度；β為連桿AB與曲柄推桿BC部分夾角的補角；α為連桿AB與右側(cè)豎直外殼的夾角，也是曲柄滑塊機構(gòu)的壓力角。

從方程式可以看出，c值減小、b值增大、β值增大、α值減小都可以減小滑塊的推力。b和c的值主要由曲柄旋轉(zhuǎn)中心的位置決定。偏心距越大，c值越小，b值越大。同時B點位置越靠近邊緣，b值越大，此時壓力角α越小。根據(jù)機械原理知識，在連桿機構(gòu)中常用傳動角的大小及其變化情況來衡量機構(gòu)傳力性能的好壞，壓力角和傳動角互為余角，傳動角越大，即壓力角越小，對機構(gòu)的傳力越有利，與理論知識相符。為使壓力角減小，滑塊A的位置盡量靠下，在保證能將光盤推出足夠距離的前提下曲柄旋轉(zhuǎn)中心的位置向左移動，相應(yīng)的曲柄推桿裝置CD部分尺寸減小，BC部分尺寸增大；同時，為保證光盤被推出后，BC部分未超出終端外殼，與外殼內(nèi)表面平行，∠BCD減小。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

4" " 推桿裝置ADAMS仿真驗證

從理論分析來看，調(diào)整后的結(jié)構(gòu)可以有效減小推桿裝置推動光盤時的推力。為驗證其有效性，利用Creo軟件設(shè)計出光盤載體終端的三維模型，導(dǎo)出x_t格式三維模型文件，再將文件導(dǎo)入仿真軟件ADAMS中，如圖8所示。

在各桿件鉸接處添加旋轉(zhuǎn)副，在滑塊處添加移動副，移動副位置分別選定滑塊和地面，運動副添加完畢后，在滑塊中心處的移動副上添加移動副驅(qū)動，在光盤上添加摩擦力。仿真運行一次，光盤被推出，然后進行仿真驗證[5]。

施加相同負載下，優(yōu)化前和優(yōu)化后的推力仿真結(jié)果分別如圖9和圖10所示。從仿真結(jié)果看，優(yōu)化后的推力明顯減小，仿真結(jié)果與計算一致，證明了理論分析正確，光盤推桿裝置優(yōu)化具有很好的有效性。

5" " 結(jié)論

光盤推桿裝置采用了曲柄滑塊機構(gòu)，將滑塊的直線移動轉(zhuǎn)化為曲柄推桿的圓周運動，曲柄推桿在轉(zhuǎn)動過程中把光盤推出。本文通過作圖法對各桿件進行設(shè)計，尤其對曲柄推桿進行了詳細設(shè)計，實現(xiàn)了光盤被階梯推出的需求。

通過計算分析，對曲柄旋轉(zhuǎn)中心的位置和曲柄推桿的形狀進行了優(yōu)化，減小了滑塊推力，并通過ADAMS軟件進行了驗證，優(yōu)化后的推桿裝置滿足設(shè)計要求。

[參考文獻]

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收稿日期：2024-07-17

作者簡介：高海濤（1987—），男，河北保定人，工程師，研究方向：北斗定位類終端產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計。