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、異常活動軌跡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)P_L=5,高副數(shù)P_H=1(曲柄與光盤的接觸為線接觸),故機構(gòu)的自由度為:F=3n—2P_L—P_H=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:

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。

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2024年第22期第9篇