萬向導電裝置的設計及應用

陶偉,楊家柱,陳維,陳侃,李善斌

(宜昌人福藥業有限責任公司,湖北 宜昌 443005)

萬向導電裝置的設計及應用

陶偉,楊家柱,陳維,陳侃,李善斌

(宜昌人福藥業有限責任公司,湖北 宜昌 443005)

本文介紹了關節式導電裝置的設計原理,同時闡述了該裝置與傳統的導電滑環間的關系及區別.關節式導電裝置源于滑環的基本原理,又通過交叉軸疊加自由度的方式,以及骨節式的造型來實現多方位自由運動.將該項設計與現實情況相結合,探討了此項專利在設備制造領域的實用價值.可多方位自由運動的導電裝置,使得設備緊湊度更高,可設計面更廣,對設備制造產業有積極影響.

滑環;萬向節;萬向轉動;機械設備

機械設備在新時代的發展中一直扮演著舉足輕重的角色,機械設備制造能力往往能夠體現一個國家的工業水平.而在機械設備的制造中,機電一體化是發展趨勢,在電子技術廣泛應用于機械設備制造中時,面對運動部件的控制問題,如何實現對這些運動件的控制成為了一個課題.

我們知道,在機械設備中有許多運動件,要實現對這些運動件進行電力輸送和信號傳輸,就需要用到導電裝置.現在常用來實現這一要求的導電裝置有導電滑環、導線等接觸式導電裝置.以導電滑環為例,它又稱集電環、或稱旋轉關節.導電滑環屬于電接觸滑動連接應用范疇,是實現兩個相對轉動機構的圖像、數據信號及動力傳遞的精密輸電裝置.而最傳統的導線則只能用于單一運動方向的信號及電力傳輸,相比于導電滑環更是缺少了360度旋轉的能力.而且導線的接點在運動中極易損壞.而機械設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,組成了一個復雜運動,這個時候簡單的導電滑環或者導線就均不能完全滿足使用要求了.為此根據現有的滑環技術,結合實際使用要求,進行結構設計方面的研究,以求設計一個導電裝置能夠突破運動自由度的束縛,實現萬向轉動,同時兼備導電能力.

1 設計原理

首先基于現有的滑環技術,確定裝置導電方式.現行的滑環技術,通常使用復合電刷塊、貴金屬合金單絲、纖刷技術以及水銀等實現導電.復合電刷塊技術一般采用碳刷、銅刷、銀石墨二硫化鉬的刷塊等形式,實現運動中的持續接觸式導電;貴金屬合金單絲,如AuNi9等,則是基于電刷技術,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的穩定性;纖刷技術中的纖刷是指一種特殊的滑行電氣接觸設計,簡單的說就是將單獨的金屬纖絲(線)進行校準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,提高了滑環的可靠性;水銀滑環與傳統滑環最大的不同點在于它主要以液態水銀為導電介質,將固定端與旋轉端集成在一起,旋轉的時候不需要使用碳刷來進行導電傳遞,而直接使用水銀來進行導電傳遞,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多向運動,對導電的穩定性和可靠性均有一定的要求,再加上結構特點的考慮,我們采用纖刷技術作為導電的介質.然后對裝置結構進行設計,實現多軸自由度復合疊加.為了實現萬向轉動,借由仿生學理念,模仿骨節的基本結構加以設計,考慮使用萬向節作為動作傳導方式.萬向節現已是成熟的結構設計,廣泛應用在汽車上.萬向節有很多種類,從扭轉方向上的彈性來看,可分為剛性萬向節和撓性萬向節.而剛性萬向節根據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,準等速萬向節和不等速萬向節;準等速萬向節又分為雙聯式、凸塊式、三銷軸式和球面滾輪式四種,等速萬向節又分為球叉式和球籠式兩種.

(1)剛性萬向節由萬向節叉、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),經萬向節輸出的軸稱輸出軸(又稱從動軸).

(2)準等速萬向節.指在設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.它又分為:①雙聯式準等速萬向節.②凸塊式準等速萬向節.③三銷軸式準等速萬向節.④球面滾輪式準等速萬向節.

(3)等速萬向節.萬向節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.②球籠式等速萬向節.

在這些結構特點各異的萬向節中,我們根據導電的需求,萬向節的結構中最好有明顯2個或2個以上的獨立部件,并有較規范的接觸導軌類的設計,可以為纖刷提供良好的介入位.能夠同時滿足這些要求的,為球叉式萬向節和球籠式萬向節.而這兩種萬向節相比,球籠式萬向節的滾道更多,在實際使用中更適合與應對多線制的情況,故我們以球籠式萬向節為設計藍本,對其結構進行適應性改造.

2 附圖說明

球籠式萬向節的基本結構如圖1所示.

圖1 球籠式萬向節的基本結構

3 設計改造

半球殼1與定桿A相連,半球殼1內表面有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內表面一一對應的滾道,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,可以實現軸向的往復運動,而其滑道設計為與滾道一一對應的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,導線可以通過動桿B尾端的6個焊接點實現電力傳輸.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分組導電.動桿B為運動機構,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,球籠式萬向節的基本結構可以實現動桿與定桿的相對萬向轉動.而半球殼1與星形套的滾道上的纖刷通過鋼球實現電氣連接,從而實現導電和信號的傳輸功能.這項設計中所涉及的萬向節結構和滑環導電均為現行的成熟技術,其可靠性和可行性均極高.

4 應用實例解析

該項設計在機械設備領域有著良好的應用前景.以本公司生產車間所使用的浙江海翔公司生產的PBL350E型包裝生產線來說.生產線中有一處推桿,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器,其電源和信號傳輸目的點又在該推桿機構以外.這使得傳統的導線導電極易在運動中出現損壞,而使用現有的滑環技術則會出現使用多個滑環結構的情況,導致設備的緊湊性降低.

那么,如果應用本文所述的萬向導電裝置,既可以實現良好的電力傳輸,又可以適應其復合運動軌跡的要求,可以降低配件損耗,提高設備的緊湊度.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引出3跟導線與金屬傳感器的電源及信號線一一對應相接.再將該裝置的輸入端固定于靜止的機架上,將可轉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,又可以提供萬向運動機構,大大提高了該設備的設計緊湊性,同時也降低了使用中的損耗,提高了設備運行穩定性.

5 結語

萬向導電裝置實現了電力傳輸、信號傳導與萬向運動的良好結合,給機械設備制造領域中常見的導電和運動結構間的沖突提供了新的解決方案,并且該裝置能適應于現行傳統滑環等結構所不能完成的復雜運動,為機械設備制造開拓了新空間.該項設計已獲得國家實用新型專利(專利號:ZL 2014 2 0195267.6).

[1]楊莉紅.導電滑環的技術研究[J].科技傳播,2012(06).

[2]薛萍,陳少兵,劉麗.電滑環中的導電環和電刷[J].光纖與電纜及其應用技術,2012(01).

[3]盧曦,周萍,孫躍東,葉宗才.汽車等速萬向節的現在與發展[J].機械設計與制造,2002(03).

TG484

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1671-0711(2017)11(上)-0112-02