北斗監(jiān)管終端的推桿設(shè)計(jì)及優(yōu)化仿真

0引言

近年來(lái),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(yùn)輸、海洋漁業(yè)、水文監(jiān) 測(cè)、氣象預(yù)報(bào)、測(cè)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(guó)內(nèi)各行業(yè)的開(kāi)展,信息泄露和敏感載體丟失等安全問(wèn)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(jìn)行敏感數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)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(xiàng)目需要,在日常工作中會(huì)經(jīng)常接觸、使用和攜帶存儲(chǔ)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(duì)缺失。因此,加強(qiáng)對(duì)光盤等敏感載體的外出過(guò)程監(jiān)管十分必要和緊迫。根據(jù)此需求,設(shè)計(jì)出針對(duì)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(kāi)關(guān)盒監(jiān)測(cè)的霍爾傳感器、用于與手機(jī)藍(lán)牙通信以進(jìn)行距離監(jiān)測(cè)和防丟預(yù)警的藍(lán)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(biāo)簽,能實(shí)現(xiàn)光盤外出監(jiān)管裝置對(duì)光盤的位置追蹤、歷史軌跡查詢、防丟分離報(bào)警、光盤放入與取出過(guò)程記錄、載體容器打開(kāi)/關(guān)閉記錄、異?；顒?dòng)軌跡報(bào)警等全程動(dòng)向管理。

2推桿裝置設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)分析和設(shè)計(jì)思路

北斗監(jiān)管終端內(nèi)設(shè)計(jì)放置4張光盤,當(dāng)終端蓋打開(kāi)時(shí),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(jì)光盤推桿裝置,推動(dòng)光盤呈階梯狀推出,光盤被推出時(shí),每個(gè)光盤間隔1 cm的距離。為減小推桿裝置,設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)有尺寸限制,所以內(nèi)部空間很小,考慮從側(cè)邊設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu)。

連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)給定的要求選定機(jī)構(gòu)的形式,確定各構(gòu)件的尺寸,同時(shí)還要滿足結(jié)構(gòu)條件、動(dòng)力條件和運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jì)中主要考慮連桿的位置要求,綜合考慮空間和運(yùn)動(dòng)需求,決定采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)光盤的側(cè)面推出。

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)傳遞穩(wěn)定、運(yùn)動(dòng)副壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)^[2],主要由曲柄、連桿、滑塊等組成部分構(gòu)成基本的運(yùn)動(dòng)副。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中,若以曲柄作為原動(dòng)件,則機(jī)構(gòu)將曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑塊的直線運(yùn)動(dòng);若以滑塊作為原動(dòng)件,則機(jī)構(gòu)將滑塊的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該監(jiān)管終端推桿裝置設(shè)計(jì)中,選擇滑塊作為原動(dòng)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(dòng)光盤時(shí),滑塊向上豎直移動(dòng),通過(guò)連桿將動(dòng)力傳輸?shù)角茥U上,通過(guò)曲柄推桿的圓周運(yùn)動(dòng)推動(dòng)光盤向外移動(dòng),將光盤推出。

2.2 一般工程學(xué)原理

推桿裝置中機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)為1,活動(dòng)構(gòu)件數(shù)(包括光盤)n=4,低副數(shù)P_L=5,高副數(shù)P_H=1(曲柄與光盤的接觸為線接觸),故機(jī)構(gòu)的自由度為:F=3n—2P_L—P_H=3 × 4—2 × 5—1=1。原動(dòng)件數(shù)目等于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目,所以該機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)^[3]。

2.3推桿裝置具體設(shè)計(jì)

采用作圖法對(duì)推桿裝置進(jìn)行設(shè)計(jì),作圖法就是利用各鉸鏈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)幾何關(guān)系,通過(guò)作圖確定各鉸鏈的位置,從而確定各桿件的長(zhǎng)度。作圖法的優(yōu)點(diǎn)是直觀、簡(jiǎn)單、快捷^[3]。

外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出限位槽,使滑塊在外殼右側(cè)上下滑動(dòng)。曲柄推桿和滑塊間通過(guò)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(shí)施時(shí),鉸接位置通過(guò)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(dòng)軸。滾花處理后的軸銷安裝后牢固可靠,不會(huì)脫出。相對(duì)于帶帽軸銷與開(kāi)口銷配合使用,滾花軸銷具有安裝簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

在初始位置,設(shè)計(jì)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(jì)為階梯形。最下側(cè)光盤被推出的距離最遠(yuǎn),對(duì)應(yīng)曲柄推桿上最長(zhǎng)的端點(diǎn)D點(diǎn)。采用作圖法,通過(guò)光盤被推出后的位置設(shè)計(jì)出曲柄推桿的階梯尺寸,如圖4所示,E、F、G三點(diǎn)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(duì)固定的,它通過(guò)外殼上的凸起軸限位在確定位置。設(shè)計(jì)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(jì)中存在的問(wèn)題:做出樣機(jī)后測(cè)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(wèn)題在于連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,需要的推力大。優(yōu)化方向是減小推出光盤時(shí)滑塊上的力^[4]。

根據(jù)初步樣機(jī)測(cè)試情況,主要須克服光盤被推動(dòng)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(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行力矩平衡計(jì)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(shí),忽略桿件自重。通過(guò)對(duì)樣機(jī)測(cè)試可知,推出光盤的過(guò)程中,剛開(kāi)始推動(dòng)時(shí)所需的力是最大的。為簡(jiǎn)化計(jì)算,分析只有一張光盤的情況。曲柄推桿在推動(dòng)光盤的過(guò)程中,與光盤接觸的點(diǎn)是變化的,為簡(jiǎn)化模型,調(diào)整模型如圖6所示。

根據(jù)簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)模型,列力矩平衡公式如下:

式中:F_A為滑塊位置施加的推力;F_f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(zhǎng)度;b為曲柄推桿BC部分的長(zhǎng)度;β為連桿AB與曲柄推桿BC部分夾角的補(bǔ)角;α為連桿AB與右側(cè)豎直外殼的夾角,也是曲柄滑塊機(jī)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(shí)B點(diǎn)位置越靠近邊緣,b值越大,此時(shí)壓力角α越小。根據(jù)機(jī)械原理知識(shí),在連桿機(jī)構(gòu)中常用傳動(dòng)角的大小及其變化情況來(lái)衡量機(jī)構(gòu)傳力性能的好壞,壓力角和傳動(dòng)角互為余角,傳動(dòng)角越大,即壓力角越小,對(duì)機(jī)構(gòu)的傳力越有利,與理論知識(shí)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(dòng),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(shí),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(yàn)證

從理論分析來(lái)看,調(diào)整后的結(jié)構(gòu)可以有效減小推桿裝置推動(dòng)光盤時(shí)的推力。為驗(yàn)證其有效性,利用 Creo軟件設(shè)計(jì)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(dòng)副,移動(dòng)副位置分別選定滑塊和地面,運(yùn)動(dòng)副添加完畢后,在滑塊中心處的移動(dòng)副上添加移動(dòng)副驅(qū)動(dòng),在光盤上添加摩擦力。仿真運(yùn)行一次,光盤被推出,然后進(jìn)行仿真驗(yàn)證^[5]。

施加相同負(fù)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(jì)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(jī)構(gòu),將滑塊的直線移動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲柄推桿的圓周運(yùn)動(dòng),曲柄推桿在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中把光盤推出。本文通過(guò)作圖法對(duì)各桿件進(jìn)行設(shè)計(jì),尤其對(duì)曲柄推桿進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了光盤被階梯推出的需求。

通過(guò)計(jì)算分析,對(duì)曲柄旋轉(zhuǎn)中心的位置和曲柄推桿的形狀進(jìn)行了優(yōu)化,減小了滑塊推力,并通過(guò) ADAMS軟件進(jìn)行了驗(yàn)證,優(yōu)化后的推桿裝置滿足設(shè)計(jì)要求。

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2024年第22期第9篇