陶偉,楊家柱,陳維,陳侃,李善斌

(宜昌人福藥業(yè)有限責(zé)任公司,湖北 宜昌 443005)

萬向?qū)щ娧b置的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

陶偉,楊家柱,陳維,陳侃,李善斌

(宜昌人福藥業(yè)有限責(zé)任公司,湖北 宜昌 443005)

本文介紹了關(guān)節(jié)式導(dǎo)電裝置的設(shè)計(jì)原理,同時(shí)闡述了該裝置與傳統(tǒng)的導(dǎo)電滑環(huán)間的關(guān)系及區(qū)別.關(guān)節(jié)式導(dǎo)電裝置源于滑環(huán)的基本原理,又通過交叉軸疊加自由度的方式,以及骨節(jié)式的造型來實(shí)現(xiàn)多方位自由運(yùn)動(dòng).將該項(xiàng)設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí)情況相結(jié)合,探討了此項(xiàng)專利在設(shè)備制造領(lǐng)域的實(shí)用價(jià)值.可多方位自由運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)電裝置,使得設(shè)備緊湊度更高,可設(shè)計(jì)面更廣,對設(shè)備制造產(chǎn)業(yè)有積極影響.

滑環(huán);萬向節(jié);萬向轉(zhuǎn)動(dòng);機(jī)械設(shè)備

機(jī)械設(shè)備在新時(shí)代的發(fā)展中一直扮演著舉足輕重的角色,機(jī)械設(shè)備制造能力往往能夠體現(xiàn)一個(gè)國家的工業(yè)水平.而在機(jī)械設(shè)備的制造中,機(jī)電一體化是發(fā)展趨勢,在電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備制造中時(shí),面對運(yùn)動(dòng)部件的控制問題,如何實(shí)現(xiàn)對這些運(yùn)動(dòng)件的控制成為了一個(gè)課題.

我們知道,在機(jī)械設(shè)備中有許多運(yùn)動(dòng)件,要實(shí)現(xiàn)對這些運(yùn)動(dòng)件進(jìn)行電力輸送和信號(hào)傳輸,就需要用到導(dǎo)電裝置.現(xiàn)在常用來實(shí)現(xiàn)這一要求的導(dǎo)電裝置有導(dǎo)電滑環(huán)、導(dǎo)線等接觸式導(dǎo)電裝置.以導(dǎo)電滑環(huán)為例,它又稱集電環(huán)、或稱旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié).導(dǎo)電滑環(huán)屬于電接觸滑動(dòng)連接應(yīng)用范疇,是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)相對轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的圖像、數(shù)據(jù)信號(hào)及動(dòng)力傳遞的精密輸電裝置.而最傳統(tǒng)的導(dǎo)線則只能用于單一運(yùn)動(dòng)方向的信號(hào)及電力傳輸,相比于導(dǎo)電滑環(huán)更是缺少了360度旋轉(zhuǎn)的能力.而且導(dǎo)線的接點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)中極易損壞.而機(jī)械設(shè)備上的運(yùn)動(dòng)件往往不是沿著一個(gè)單一的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng),如果碰到某一運(yùn)動(dòng)件同時(shí)有2到3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)軌跡,組成了一個(gè)復(fù)雜運(yùn)動(dòng),這個(gè)時(shí)候簡單的導(dǎo)電滑環(huán)或者導(dǎo)線就均不能完全滿足使用要求了.為此根據(jù)現(xiàn)有的滑環(huán)技術(shù),結(jié)合實(shí)際使用要求,進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究,以求設(shè)計(jì)一個(gè)導(dǎo)電裝置能夠突破運(yùn)動(dòng)自由度的束縛,實(shí)現(xiàn)萬向轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)兼?zhèn)鋵?dǎo)電能力.

1 設(shè)計(jì)原理

首先基于現(xiàn)有的滑環(huán)技術(shù),確定裝置導(dǎo)電方式.現(xiàn)行的滑環(huán)技術(shù),通常使用復(fù)合電刷塊、貴金屬合金單絲、纖刷技術(shù)以及水銀等實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電.復(fù)合電刷塊技術(shù)一般采用碳刷、銅刷、銀石墨二硫化鉬的刷塊等形式,實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)中的持續(xù)接觸式導(dǎo)電;貴金屬合金單絲,如AuNi9等,則是基于電刷技術(shù),將電刷和刷塊均由金屬單絲代替,通過接觸點(diǎn)的增多來提高滑環(huán)的穩(wěn)定性;纖刷技術(shù)中的纖刷是指一種特殊的滑行電氣接觸設(shè)計(jì),簡單的說就是將單獨(dú)的金屬纖絲(線)進(jìn)行校準(zhǔn)并裝進(jìn)一個(gè)金屬管里,這樣相對于貴金屬合金單絲來說則提高了金屬絲的接觸面,提高了滑環(huán)的可靠性;水銀滑環(huán)與傳統(tǒng)滑環(huán)最大的不同點(diǎn)在于它主要以液態(tài)水銀為導(dǎo)電介質(zhì),將固定端與旋轉(zhuǎn)端集成在一起,旋轉(zhuǎn)的時(shí)候不需要使用碳刷來進(jìn)行導(dǎo)電傳遞,而直接使用水銀來進(jìn)行導(dǎo)電傳遞,這樣其可靠性和精度是最高的.

這里,由于我們的裝置要實(shí)現(xiàn)多向運(yùn)動(dòng),對導(dǎo)電的穩(wěn)定性和可靠性均有一定的要求,再加上結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的考慮,我們采用纖刷技術(shù)作為導(dǎo)電的介質(zhì).然后對裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)多軸自由度復(fù)合疊加.為了實(shí)現(xiàn)萬向轉(zhuǎn)動(dòng),借由仿生學(xué)理念,模仿骨節(jié)的基本結(jié)構(gòu)加以設(shè)計(jì),考慮使用萬向節(jié)作為動(dòng)作傳導(dǎo)方式.萬向節(jié)現(xiàn)已是成熟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),廣泛應(yīng)用在汽車上.萬向節(jié)有很多種類,從扭轉(zhuǎn)方向上的彈性來看,可分為剛性萬向節(jié)和撓性萬向節(jié).而剛性萬向節(jié)根據(jù)輸出軸和輸入軸間的速度差來分類,又可以分為等速萬向節(jié),準(zhǔn)等速萬向節(jié)和不等速萬向節(jié);準(zhǔn)等速萬向節(jié)又分為雙聯(lián)式、凸塊式、三銷軸式和球面滾輪式四種,等速萬向節(jié)又分為球叉式和球籠式兩種.

(1)剛性萬向節(jié)由萬向節(jié)叉、十字軸、滾針軸承、油封、套簡、軸承蓋等件組成.與輸入動(dòng)力連接的軸稱輸入軸(又稱主動(dòng)軸),經(jīng)萬向節(jié)輸出的軸稱輸出軸(又稱從動(dòng)軸).

(2)準(zhǔn)等速萬向節(jié).指在設(shè)計(jì)的角度下以相等的瞬時(shí)角速度傳遞運(yùn)動(dòng),而在其他角度下以近似相等的瞬時(shí)角速度傳遞運(yùn)動(dòng)的萬向節(jié).它又分為:①雙聯(lián)式準(zhǔn)等速萬向節(jié).②凸塊式準(zhǔn)等速萬向節(jié).③三銷軸式準(zhǔn)等速萬向節(jié).④球面滾輪式準(zhǔn)等速萬向節(jié).

(3)等速萬向節(jié).萬向節(jié)所連接的輸出軸和輸入軸始終以相等的瞬時(shí)角速度傳遞運(yùn)動(dòng).它又分為:①球叉式等速萬向節(jié).②球籠式等速萬向節(jié).

在這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)各異的萬向節(jié)中,我們根據(jù)導(dǎo)電的需求,萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)中最好有明顯2個(gè)或2個(gè)以上的獨(dú)立部件,并有較規(guī)范的接觸導(dǎo)軌類的設(shè)計(jì),可以為纖刷提供良好的介入位.能夠同時(shí)滿足這些要求的,為球叉式萬向節(jié)和球籠式萬向節(jié).而這兩種萬向節(jié)相比,球籠式萬向節(jié)的滾道更多,在實(shí)際使用中更適合與應(yīng)對多線制的情況,故我們以球籠式萬向節(jié)為設(shè)計(jì)藍(lán)本,對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行適應(yīng)性改造.

2 附圖說明

球籠式萬向節(jié)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 球籠式萬向節(jié)的基本結(jié)構(gòu)

3 設(shè)計(jì)改造

半球殼1與定桿A相連,半球殼1內(nèi)表面有6個(gè)滾道,定桿A為中空桿.半球殼1的滾道上布滿纖刷,與滾道一同自然分為6組,每一組在半球殼1的根部匯聚于一個(gè)焊接點(diǎn);導(dǎo)線可以通過定桿A于焊接點(diǎn)處與各組相連.球籠(球形套)為鋼球的固定支架,鋼球分布于各滾道.

星形套表面有半球殼1內(nèi)表面一一對應(yīng)的滾道,同樣布滿纖刷,與滾道一同自然分為6組,每一組分別在內(nèi)孔花鍵槽里匯聚于一個(gè)接點(diǎn),接點(diǎn)與半球殼2的金屬花鍵相連,實(shí)現(xiàn)電氣連接,金屬花鍵在半球殼2根部有與半球殼1相同的焊接點(diǎn),動(dòng)桿B位中空的伸縮桿,可以實(shí)現(xiàn)軸向的往復(fù)運(yùn)動(dòng),而其滑道設(shè)計(jì)為與滾道一一對應(yīng)的6個(gè),同樣布滿纖刷,纖刷一端分別與半球殼2根部的6個(gè)焊接點(diǎn)相連,另一端與動(dòng)桿B尾端的6個(gè)焊接點(diǎn)相連,導(dǎo)線可以通過動(dòng)桿B尾端的6個(gè)焊接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)電力傳輸.所有部件除鋼球、花鍵和焊接點(diǎn)為金屬材料外其余均為絕緣材料,以防止各組間出現(xiàn)短路.

在實(shí)際使用中,定桿A為裝置的固定端,也作為電力或信號(hào)的輸入端,最高可適應(yīng)于6種不同信號(hào)同時(shí)輸入.中部由兩個(gè)半球殼、一個(gè)球籠(星形套)以及6個(gè)鋼球組成的球體則是萬向轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力中樞,同時(shí)通過鋼球與各自滾道上的纖刷間的接觸實(shí)現(xiàn)分組導(dǎo)電.動(dòng)桿B為運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),也作為電力或信號(hào)的輸出端,最高可以提供6種不同的信號(hào)同時(shí)輸出.將各部件組裝后,球籠式萬向節(jié)的基本結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)桿與定桿的相對萬向轉(zhuǎn)動(dòng).而半球殼1與星形套的滾道上的纖刷通過鋼球?qū)崿F(xiàn)電氣連接,從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電和信號(hào)的傳輸功能.這項(xiàng)設(shè)計(jì)中所涉及的萬向節(jié)結(jié)構(gòu)和滑環(huán)導(dǎo)電均為現(xiàn)行的成熟技術(shù),其可靠性和可行性均極高.

4 應(yīng)用實(shí)例解析

該項(xiàng)設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景.以本公司生產(chǎn)車間所使用的浙江海翔公司生產(chǎn)的PBL350E型包裝生產(chǎn)線來說.生產(chǎn)線中有一處推桿,其運(yùn)動(dòng)軌跡為上下方向的短程運(yùn)動(dòng)以及前后方向的長距伸縮,這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的夾角為90度,而行程又相差較大;而且該推桿上有一金屬感應(yīng)器,其電源和信號(hào)傳輸目的點(diǎn)又在該推桿機(jī)構(gòu)以外.這使得傳統(tǒng)的導(dǎo)線導(dǎo)電極易在運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)損壞,而使用現(xiàn)有的滑環(huán)技術(shù)則會(huì)出現(xiàn)使用多個(gè)滑環(huán)結(jié)構(gòu)的情況,導(dǎo)致設(shè)備的緊湊性降低.

那么,如果應(yīng)用本文所述的萬向?qū)щ娧b置,既可以實(shí)現(xiàn)良好的電力傳輸,又可以適應(yīng)其復(fù)合運(yùn)動(dòng)軌跡的要求,可以降低配件損耗,提高設(shè)備的緊湊度.我們將金屬傳感器的兩根電源線和一根信號(hào)線的進(jìn)線焊接在裝置輸入端的3個(gè)不同的焊接點(diǎn)上,由裝置的輸出端對應(yīng)引出3跟導(dǎo)線與金屬傳感器的電源及信號(hào)線一一對應(yīng)相接.再將該裝置的輸入端固定于靜止的機(jī)架上,將可轉(zhuǎn)動(dòng)的輸出端固定于推桿上即可.這樣,通過該裝置,既能提供電力輸送和信號(hào)傳輸介質(zhì),又可以提供萬向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),大大提高了該設(shè)備的設(shè)計(jì)緊湊性,同時(shí)也降低了使用中的損耗,提高了設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性.

5 結(jié)語

萬向?qū)щ娧b置實(shí)現(xiàn)了電力傳輸、信號(hào)傳導(dǎo)與萬向運(yùn)動(dòng)的良好結(jié)合,給機(jī)械設(shè)備制造領(lǐng)域中常見的導(dǎo)電和運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)間的沖突提供了新的解決方案,并且該裝置能適應(yīng)于現(xiàn)行傳統(tǒng)滑環(huán)等結(jié)構(gòu)所不能完成的復(fù)雜運(yùn)動(dòng),為機(jī)械設(shè)備制造開拓了新空間.該項(xiàng)設(shè)計(jì)已獲得國家實(shí)用新型專利(專利號(hào):ZL 2014 2 0195267.6).

[1]楊莉紅.導(dǎo)電滑環(huán)的技術(shù)研究[J].科技傳播,2012(06).

[2]薛萍,陳少兵,劉麗.電滑環(huán)中的導(dǎo)電環(huán)和電刷[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù),2012(01).

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