用于車載加速器X射線標定的并聯凸輪設計

2018-12-21 06:52:16陳玉梅

機械工程與自動化 2018年6期

陳玉梅

(同方威視技術股份有限公司,北京 100084)

0 引言

利用X射線掃描集裝箱貨物的集裝箱檢測系統廣泛應用于海關集裝箱貨物的檢測。檢測系統的X射線由直線加速器產生，而直線加速器產生的X射線不是單一能量，其衰減規律是一個混合因數。所以，需要做一標定裝置對射線進行校正，這種矯正裝置就是X射線標定機構。

標定機構要求把不同厚度的標定塊按固定順序置于X射線區域，而且適合車載條件：小空間、小重量。我們知道，凸輪機構可以把簡單的轉動、直線運動轉化成所需的復雜運動，只要合理地設計凸輪的輪廓曲線，便可以使從動件獲得任意的運動規律，并且結構簡單緊湊。因此，凸輪應用非常廣泛，即使在電子技術發達的今天，傳統的凸輪機構在機電控制方面也有著無可替代的作用和優勢。利用凸輪機構的特點，并考慮到車載集裝系統檢測用標定裝置的限制，本文設計了用于集裝箱檢測系統的盤式回轉凸輪組對直線加速器系統X射線進行標定。

1 盤式回轉凸輪組結構原理

直線加速器系統X射線標定過程如圖1所示，每次將一個標定厚度差的標定塊推進掃描區，標定塊行程大于掃描區寬度。

圖1 直線加速器系統X射線標定過程

圖2為盤式回轉凸輪組機構。根據上述要求，確定凸輪的行程即為標定塊行程，每一級標定塊被固定在一個帶軌跡滾輪的滑軌上；每個凸輪的基圓相等，推程運動角、回程運動角相等，遠、近休止角不同；所有凸輪按照運動順序同軸排列，每個凸輪分別與各級帶軌跡滾輪的標定塊相配合，并在標定塊下側分別配有復位彈簧。此外，凸輪組機構還需要配置鏈輪傳動及電機、行程開關等控制元件以及附屬的X射線屏蔽等。

下面以一級標定為例論述凸輪組工作原理。

圖2 盤式回轉凸輪組機構

圖3為單級標定塊運動原理，電機通過鏈傳動帶動凸輪轉動，轉動的凸輪通過壓下連在標定塊上的軌跡滾輪把標定塊壓到工作區。為使標定塊沿豎直方向壓下，標定塊連接在導向滑軌上。標定完成后，凸輪繼續轉動，進入回程區，標定塊被復位彈簧彈出，完成標定。

同理，如果第一塊標定塊壓下(凸輪處在遠休止角內)后，凸輪軸繼續轉動，依次可以有更多的標定塊被壓下(更多的凸輪處在其遠休止角內)，標定厚度也逐級改變，直至最后一級壓下，被標定厚度達到最高；凸輪組繼續旋轉，進入回程角，繼而到近休止角，彈簧會將所有標定塊復位，退出射線區域。

由于標定需要低速運動以采集數據并處理，因此設定20 s完成標定，則凸輪轉速為3 r/min，可近似按靜態受力條件設計。

圖3 單級標定塊運動原理

凸輪組的每個凸輪除了遠休止角、近休止角以外，其他參數是相同的，考慮到設計、加工的工作量及制造成本，可以分解成幾部分進行凸輪組的模塊化設計。

以圖4所示凸輪為例，每個凸輪分解成基圓、基礎塊和附加塊3個模塊，做成組件，按需要組合(凸輪組中所有凸輪由這3種零件構成)。基礎塊和附加塊的內、外側為圓弧，內側的圓弧直徑與基圓的外徑相等，所有外側圓弧的弧度相等，斜側面傾斜的角度相同。凸輪組中所有凸輪的基圓模塊完全相同，基礎塊是每個凸輪必須安裝的，而附加塊的安裝件數由休止角確定。圖4所示凸輪由1件基圓、1件基礎塊、5件附加塊以及必要的連接螺釘組成。按照機構中標定塊動作順序確定基礎塊、附加塊的安裝位置。

2 凸輪各參數的確定

根據標定塊的運動規律確定為直動凸輪，根據凸輪壓力角的許用值、安裝允許空間確定基圓半徑，根據標定的過程確定遠休止角等系列數據。

本例中，標定塊行程h=12 m(覆蓋射線區寬度)，工作行程許用壓力角為30°～38°，遠休止角≥30°，回程許用壓力角為70°～80°。根據已有產品的延續性，選擇軌跡滾輪直徑d=19 mm。

根據安裝位置條件，初步確定凸輪基圓直徑為80 mm，偏距圓直徑為35 mm。

為使凸輪能夠正常工作，需將最大壓力角控制在許用值范圍內。凸輪壓力角就是從動件(標定塊)運動方向和受力方向所夾的銳角，圖5為凸輪壓力角計算示意圖。其中，R0為凸輪基圓半徑，R0=40 mm；e為偏距圓半徑，e=35/2 mm；d為軌跡滾輪直徑，d=19 mm；h為標定塊行程，h=12 mm；β為凸輪塊斜面角；α升max、α降max分別為升程和回程最大壓力角。根據幾何關系可知，壓力角在D點即直線段外頂點處最大。

由圖5所示的幾何關系可知：

(1)

(2)

由式(1)和式(2)可以看出，適當增大偏距圓半徑可以減小上升壓力角，但同時回程壓力角會增大，具體計算結果見表1。