萬向?qū)щ娧b置的設(shè)計及應(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)

萬向?qū)щ娧b置的設(shè)計及應(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)計原理,同時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)式的造型來實現(xiàn)多方位自由運動.將該項設(shè)計與現(xiàn)實情況相結(jié)合,探討了此項專利在設(shè)備制造領(lǐng)域的實用價值.可多方位自由運動的導(dǎo)電裝置,使得設(shè)備緊湊度更高,可設(shè)計面更廣,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;機械設(shè)備

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

我們知道,在機械設(shè)備中有許多運動件,要實現(xiàn)對這些運動件進行電力輸送和信號傳輸,就需要用到導(dǎo)電裝置.現(xiàn)在常用來實現(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)屬于電接觸滑動連接應(yīng)用范疇,是實現(xiàn)兩個相對轉(zhuǎn)動機構(gòu)的圖像、數(shù)據(jù)信號及動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動方向的信號及電力傳輸,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)線的接點在運動中極易損壞.而機械設(shè)備上的運動件往往不是沿著一個單一的軌跡進行運動,如果碰到某一運動件同時有2到3個方向的運動軌跡,組成了一個復(fù)雜運動,這個時候簡單的導(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)合實際使用要求,進行結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的研究,以求設(shè)計一個導(dǎo)電裝置能夠突破運動自由度的束縛,實現(xiàn)萬向轉(zhuǎn)動,同時兼?zhèn)鋵?dǎo)電能力.

1 設(shè)計原理

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,實現(xiàn)運動中的持續(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,簡單的說就是將單獨的金屬纖絲(線)進行校準(zhǔn)并裝進一個金屬管里,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)的時候不需要使用碳刷來進行導(dǎo)電傳遞,而直接使用水銀來進行導(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現(xiàn)多向運動,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)進行設(shè)計,實現(xiàn)多軸自由度復(fù)合疊加.為了實現(xiàn)萬向轉(zhuǎn)動,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,考慮使用萬向節(jié)作為動作傳導(dǎo)方式.萬向節(jié)現(xiàn)已是成熟的結(jié)構(gòu)設(shè)計,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.與輸入動力連接的軸稱輸入軸(又稱主動軸),經(jīng)萬向節(jié)輸出的軸稱輸出軸(又稱從動軸).

(2)準(zhǔn)等速萬向節(jié).指在設(shè)計的角度下以相等的瞬時角速度傳遞運動,而在其他角度下以近似相等的瞬時角速度傳遞運動的萬向節(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角速度傳遞運動.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個或2個以上的獨立部件,并有較規(guī)范的接觸導(dǎo)軌類的設(shè)計,可以為纖刷提供良好的介入位.能夠同時滿足這些要求的,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)計藍本,對其結(jié)構(gòu)進行適應(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)計改造

半球殼1與定桿A相連,半球殼1內(nèi)表面有6個滾道,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的根部匯聚于一個焊接點;導(dǎo)線可以通過定桿A于焊接點處與各組相連.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接點,接點與半球殼2的金屬花鍵相連,實現(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,動桿B位中空的伸縮桿,可以實現(xiàn)軸向的往復(fù)運動,而其滑道設(shè)計為與滾道一一對應(yīng)的6個,同樣布滿纖刷,纖刷一端分別與半球殼2根部的6個焊接點相連,另一端與動桿B尾端的6個焊接點相連,導(dǎo)線可以通過動桿B尾端的6個焊接點實現(xiàn)電力傳輸.所有部件除鋼球、花鍵和焊接點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.

在實際使用中,定桿A為裝置的固定端,也作為電力或信號的輸入端,最高可適應(yīng)于6種不同信號同時輸入.中部由兩個半球殼、一個球籠(星形套)以及6個鋼球組成的球體則是萬向轉(zhuǎn)動的動力中樞,同時通過鋼球與各自滾道上的纖刷間的接觸實現(xiàn)分組導(dǎo)電.動桿B為運動機構(gòu),也作為電力或信號的輸出端,最高可以提供6種不同的信號同時輸出.將各部件組裝后,球籠式萬向節(jié)的基本結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)動桿與定桿的相對萬向轉(zhuǎn)動.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,從而實現(xiàn)導(dǎo)電和信號的傳輸功能.這項設(shè)計中所涉及的萬向節(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)用實例解析

該項設(shè)計在機械設(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,其運動軌跡為上下方向的短程運動以及前后方向的長距伸縮,這兩個運動方向的夾角為90度,而行程又相差較大;而且該推桿上有一金屬感應(yīng)器,其電源和信號傳輸目的點又在該推桿機構(gòu)以外.這使得傳統(tǒng)的導(dǎo)線導(dǎo)電極易在運動中出現(xiàn)損壞,而使用現(xiàn)有的滑環(huán)技術(shù)則會出現(xiàn)使用多個滑環(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,既可以實現(xiàn)良好的電力傳輸,又可以適應(yīng)其復(fù)合運動軌跡的要求,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線的進線焊接在裝置輸入端的3個不同的焊接點上,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線一一對應(yīng)相接.再將該裝置的輸入端固定于靜止的機架上,將可轉(zhuǎn)動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傳輸介質(zhì),又可以提供萬向運動機構(gòu),大大提高了該設(shè)備的設(shè)計緊湊性,同時也降低了使用中的損耗,提高了設(shè)備運行穩(wěn)定性.

5 結(jié)語

萬向?qū)щ娧b置實現(xiàn)了電力傳輸、信號傳導(dǎo)與萬向運動的良好結(jié)合,給機械設(shè)備制造領(lǐng)域中常見的導(dǎo)電和運動結(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)雜運動,為機械設(shè)備制造開拓了新空間.該項設(shè)計已獲得國家實用新型專利(專利號: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).

[3]盧曦,周萍,孫躍東,葉宗才.汽車等速萬向節(jié)的現(xiàn)在與發(fā)展[J].機械設(shè)計與制造,2002(03).

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