轉(zhuǎn)桿槽簧機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例研究

孟 瑩

（昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南昆明 650208）

1 轉(zhuǎn)桿槽簧機(jī)構(gòu)

1.1 機(jī)構(gòu)概述

轉(zhuǎn)桿槽簧機(jī)構(gòu)是一種利用轉(zhuǎn)桿控制，通過導(dǎo)槽與彈簧配合將轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為沿導(dǎo)槽的垂直運(yùn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用過程中，轉(zhuǎn)桿槽簧機(jī)構(gòu)通過手動(dòng)操控機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用結(jié)構(gòu)優(yōu)勢特性，在運(yùn)動(dòng)過程中相比其他手動(dòng)操控方式在運(yùn)動(dòng)平滑性上具有明顯優(yōu)勢。

轉(zhuǎn)桿槽簧機(jī)構(gòu)作為現(xiàn)有螺旋機(jī)構(gòu)的替代方式，在實(shí)現(xiàn)螺旋傳動(dòng)固有功能的前提下，相較于螺旋機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)桿槽簧機(jī)構(gòu)具有成本低廉，結(jié)構(gòu)簡單，輕量化設(shè)計(jì)方面具有顯著優(yōu)勢，在攝影器材及其他升降支架領(lǐng)域有顯著應(yīng)用前景。

1.2 工作原理

轉(zhuǎn)桿槽簧機(jī)構(gòu)如圖1 所示：底板上開設(shè)有固定腔，腔的一側(cè)內(nèi)壁上開設(shè)有轉(zhuǎn)槽，轉(zhuǎn)桿在轉(zhuǎn)槽內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)桿的一側(cè)延伸至固定腔之外，并安裝有手柄；支架與底板固結(jié)在一起，支架的頂部開設(shè)有固定槽，固定槽的一側(cè)內(nèi)壁上開設(shè)有凹槽，凹槽的內(nèi)壁固定安裝一根細(xì)的圓柱軸，軸上套有彈簧，連接座套裝在圓柱軸上，并安裝在彈簧上方，與彈簧固定，彈簧的另一端固定在凹槽底部，連接座可沿軸上下滑移；固定槽內(nèi)安裝有升降板，升降板可沿固定槽上下滑移，連接座的一側(cè)延伸至固定槽內(nèi)并固定安裝在升降板上。

圖1 轉(zhuǎn)桿槽簧機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

在使用過程中，升降板的頂部延伸至固定槽的外側(cè)用于固定安裝物體，通過升降板的兩側(cè)都固定安裝有方板，升降板的一側(cè)開設(shè)有圓柱孔；圓柱孔與固定槽相連通，圓柱孔內(nèi)安裝有滑板，滑板可沿圓柱孔左右滑動(dòng)；圓柱孔的底部內(nèi)壁上開設(shè)有連接槽，連接槽的兩側(cè)內(nèi)壁上固定安裝一個(gè)細(xì)的圓桿，圓桿上套有彈簧，同時(shí)還安裝有連接塊；連接塊的一側(cè)固結(jié)于彈簧的一端，彈簧的另一端固定安裝在連接槽的內(nèi)壁上，連接塊的頂部固定安裝在滑板的底部。

底板轉(zhuǎn)槽的側(cè)壁上開設(shè)有環(huán)形滑槽，轉(zhuǎn)桿上設(shè)有環(huán)形滑塊，環(huán)形滑塊滑動(dòng)安裝在環(huán)形滑槽內(nèi)。同時(shí)轉(zhuǎn)桿上固定套裝有兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置的繞線輪，細(xì)繩的一端固定在繞線輪上，細(xì)繩的另一端固定安裝在方板的底部。

利用升降板的一側(cè)開設(shè)有多個(gè)卡槽，滑板的一側(cè)延伸至卡槽內(nèi)并與卡槽相卡裝，卡槽的數(shù)量為5～10 個(gè)且等間距間隔設(shè)置。固定槽的側(cè)壁上設(shè)有密封圈，升降板通過密封圈與固定槽滑動(dòng)密封圈連接。

2 應(yīng)用背景

因作業(yè)過程中，攝影攝像設(shè)備對(duì)支架所承載的升降運(yùn)動(dòng)的平滑程度和速度都有較高的要求，同時(shí)攝影攝像三角支架在使用過程中，與其所配合的設(shè)備具有高重量及易碎易損的特性，目前市場上使用的攝影攝像三腳支架大多數(shù)是手動(dòng)控制的螺旋機(jī)構(gòu)。但同時(shí)也因?yàn)樵O(shè)備載荷過重和操作手柄旋轉(zhuǎn)過程中所存在的死點(diǎn)問題，共同導(dǎo)致了云臺(tái)通過螺旋機(jī)構(gòu)，利用人工手搖升降設(shè)備時(shí)難以保持勻速運(yùn)動(dòng)，且在抬升設(shè)備過程中需要同時(shí)承擔(dān)螺旋傳動(dòng)的摩擦阻力及設(shè)備重量，致使設(shè)備搖升緩慢、速度不均的現(xiàn)象。但是在實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場，特別是紀(jì)實(shí)攝像作業(yè)中，這一現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響拍攝質(zhì)量，甚至錯(cuò)失關(guān)鍵畫面。

轉(zhuǎn)桿槽簧機(jī)構(gòu)作為螺旋機(jī)構(gòu)的替代解決方案則可以很好地解決這一問題。轉(zhuǎn)桿槽簧機(jī)構(gòu)不同于螺旋機(jī)構(gòu)它通過導(dǎo)槽與彈簧配合為設(shè)備提供垂直方向的力，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的升降移動(dòng)。與常見的螺旋機(jī)構(gòu)解決方案相比，轉(zhuǎn)桿槽簧機(jī)構(gòu)無需轉(zhuǎn)桿扭矩做功在設(shè)備上，無需操作者負(fù)載設(shè)備升降所需要的力。因此認(rèn)為通過轉(zhuǎn)桿槽簧機(jī)構(gòu)替代螺旋機(jī)構(gòu)，可以大大緩解由操作者手動(dòng)操作過程中發(fā)力不均勻所帶來的設(shè)備升降速度不均的使用情況。機(jī)構(gòu)通過將設(shè)備負(fù)載由操作者替換為內(nèi)部承力彈簧，從而實(shí)現(xiàn)支架設(shè)備的平滑升降。

3 應(yīng)用實(shí)列

基于上述應(yīng)用背景，轉(zhuǎn)桿槽簧機(jī)構(gòu)被論證在相機(jī)三腳支架上具有實(shí)際應(yīng)用優(yōu)勢?；谠摍C(jī)構(gòu)實(shí)用場景的研究，所設(shè)計(jì)的攝影攝像用三角支架云臺(tái)系統(tǒng)已申請(qǐng)中國國家新型實(shí)用專利。該專利機(jī)架包括底板、支架、轉(zhuǎn)桿、連接座、升降板等主要部件組成（圖1）：底板上開有固定腔，固定腔的一側(cè)內(nèi)壁上開有轉(zhuǎn)槽，轉(zhuǎn)桿安裝在轉(zhuǎn)槽內(nèi)，轉(zhuǎn)桿的一側(cè)延伸至固定腔之外并裝有手柄；支架固結(jié)在底板上方，支架的頂部開有固定槽，固定槽的一側(cè)內(nèi)壁上開設(shè)有凹槽，凹槽內(nèi)安裝一個(gè)細(xì)的圓柱，細(xì)圓柱兩端與凹槽的上下內(nèi)壁固定；彈簧套裝在細(xì)圓柱上，同時(shí)連接座也套裝在細(xì)圓柱上，并與彈簧的一端固定，彈簧的另一端固定在凹槽的底部；升降板安裝在固定槽內(nèi)，并可以上下滑移，連接座的一端延伸到固定槽內(nèi)并與升降板固結(jié)在一起。

升降板的頂部延伸到固定槽的外側(cè)并用于固定安裝相機(jī)，升降板的兩側(cè)均固定安裝方板。支架的另一側(cè)開有圓柱孔，圓柱孔與固定槽相連通，滑板安裝在圓柱孔內(nèi)（推板與滑板固定在一起），并可以左右滑移。在圓柱孔的底部開設(shè)連接槽，連接槽的左右兩側(cè)內(nèi)壁上固定安裝一個(gè)細(xì)圓桿，細(xì)圓桿上套裝一根彈簧，同時(shí)還套裝有連接塊，連接塊的一側(cè)與彈簧的一端固定，彈簧的另一端固定在連接槽的內(nèi)壁上，連接塊可沿細(xì)圓桿左右滑移，連接塊的頂端固定安裝在滑板的底部（圖2）。

圖2 滑板及彈簧結(jié)構(gòu)

底板轉(zhuǎn)槽的側(cè)壁內(nèi)開有環(huán)形滑槽，轉(zhuǎn)桿上設(shè)有環(huán)形滑塊，環(huán)形滑塊安裝在環(huán)形滑槽內(nèi)，滑塊與滑槽間可做相對(duì)滑動(dòng)（圖3）。通過環(huán)形滑槽和環(huán)形滑塊的設(shè)置從而能夠使得轉(zhuǎn)桿在轉(zhuǎn)槽內(nèi)平穩(wěn)的進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)在轉(zhuǎn)桿上對(duì)稱設(shè)置了兩個(gè)繞線輪，細(xì)繩的一端固定在繞線輪上，另一端固定安裝在方板的底部，通過轉(zhuǎn)動(dòng)繞線輪帶動(dòng)細(xì)繩收縮從而帶動(dòng)方板進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)。升降板的一側(cè)開有多個(gè)卡槽，滑板的一側(cè)延伸至卡槽內(nèi)，滑板延伸至卡槽內(nèi)的一端設(shè)計(jì)成鍥形結(jié)構(gòu)，方便與卡槽卡裝，使滑板能對(duì)升降板進(jìn)行限位（圖2）?？ú鄣臄?shù)量為5～10 個(gè)為宜且每個(gè)卡槽間的距離相等，通過多個(gè)卡槽與滑板的配合從而將升降板固定在不同的高度。固定槽的側(cè)壁上設(shè)有密封圈，升降板通過密封圈與固定槽上滑動(dòng)密封圈的連接，從而減少了升降板在升降時(shí)所受到的摩擦力。當(dāng)需要對(duì)相機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，手柄帶動(dòng)轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)桿帶動(dòng)繞線輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而繞線輪帶動(dòng)細(xì)繩進(jìn)行收縮，細(xì)繩收縮則帶動(dòng)方板進(jìn)行升降，方板升降則帶動(dòng)升降板進(jìn)行升降，從而帶動(dòng)相機(jī)進(jìn)行升降。升降板升降時(shí)卡槽擠壓滑板，使滑板左右滑移，滑板向右滑移時(shí)使得彈簧被壓縮，彈簧處于壓縮狀態(tài)，當(dāng)相機(jī)升降到合適位置時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，滑板便會(huì)在彈簧的彈力作用下卡入卡槽內(nèi)，便可完成對(duì)升降板的限位。升降板固定后使得相機(jī)固定，便于人們使用。

圖3 轉(zhuǎn)桿結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

作為螺旋機(jī)構(gòu)的同功能解決方案，轉(zhuǎn)桿槽簧機(jī)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)螺旋機(jī)構(gòu)通過曲柄旋轉(zhuǎn)操控目標(biāo)垂直方向移動(dòng)的基礎(chǔ)上，通過導(dǎo)槽彈簧配合，提出一種更加適合手動(dòng)操作應(yīng)用場景的解決方案。與常規(guī)手動(dòng)支架升降結(jié)構(gòu)中的螺旋機(jī)構(gòu)相比，轉(zhuǎn)桿槽簧機(jī)構(gòu)具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、輕量化設(shè)計(jì)等優(yōu)勢。

同時(shí)該方案在對(duì)現(xiàn)有市場上相機(jī)三腳支架是手動(dòng)控制螺旋機(jī)構(gòu)的研究基礎(chǔ)上，針對(duì)實(shí)際使用場景進(jìn)行分析后提出的一種切實(shí)可行的適用結(jié)構(gòu)，通過對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)應(yīng)用場景的研究，認(rèn)定這一方案將在需要手動(dòng)操控的升降機(jī)構(gòu)領(lǐng)域中發(fā)揮一定的作用，并嘗試在螺旋機(jī)構(gòu)應(yīng)用范圍顯著且具有不可替代性的攝影攝像三角支架云臺(tái)上給出具體可行改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，并已申請(qǐng)中國國家新型實(shí)用專利，旨在提升攝影攝像作業(yè)效率，改善攝影攝像操作困境。