北斗監管終端的推桿設計及優化仿真

摘要：對北斗監管終端中光盤推出裝置進行了設計和優化，光盤推出部分采用曲柄滑塊機構，通過將滑塊的直線運動轉化為曲柄推桿的轉動推出光盤。采用作圖法對推桿裝置進行設計，實現多張光盤被階梯狀推出，通過計算來調整曲柄推桿旋轉中心點的位置及各桿件長度，并利用ADAMS軟件對機構進行仿真驗證，以有效減小滑塊推力，完成推桿裝置結構的優化設計。

關鍵詞：北斗終端；曲柄滑塊；機構優化；ADAMS仿真

中圖分類號：TN967.1；TH112" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）22-0035-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.22.009

0" " 引言

近年來，北斗衛星導航系統逐步建設完成，相關終端產品已廣泛應用于交通運輸、海洋漁業、水文監測、氣象預報、測繪地理信息、森林防火、通信系統、電力調度、救災減災、應急搜救、保密管理等領域。隨著信息化建設在國內各行業的開展，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，成為多數涉密單位在工作中進行敏感數據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部管理和出差在外管理兩部分，一般內部管理有較為完善的管理流程，而出差在外管理監控手段相對缺失。因此，加強對光盤等敏感載體的外出過程監管十分必要和緊迫。根據此需求，設計出針對光盤外出的北斗監管裝置。

1" " 終端概述

光盤外出監管裝置內設有控制器以及與控制器相連的RFID讀卡單元、用于接收和發送數據的4G通信單元、用于室內定位的Wi-Fi單元、用于開關盒監測的霍爾傳感器、用于與手機藍牙通信以進行距離監測和防丟預警的藍牙模塊、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，能實現光盤外出監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/關閉記錄、異常活動軌跡報警等全程動向管理。

2" " 推桿裝置設計

2.1" " 設計分析和設計思路

北斗監管終端內設計放置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。終端在整體設計時有尺寸限制，所以內部空間很小，考慮從側邊設計連桿機構。

連桿機構設計是根據給定的要求選定機構的形式，確定各構件的尺寸，同時還要滿足結構條件、動力條件和運動條件等。一般要求如下：

第一，滿足預定的連桿位置要求；

第二，滿足預定的運動規律要求；

第三，滿足預定的軌跡要求[1]。

推桿裝置設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來實現光盤的側面推出。

曲柄滑塊機構具有結構簡單、運動傳遞穩定、運動副壽命長等特點[2]，主要由曲柄、連桿、滑塊等組成部分構成基本的運動副。曲柄滑塊機構中，若以曲柄作為原動件，則機構將曲柄的旋轉運動轉化為滑塊的直線運動；若以滑塊作為原動件，則機構將滑塊的直線運動轉化為曲柄的旋轉運動。該監管終端推桿裝置設計中，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到曲柄推桿上，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" " 一般工程學原理

推桿裝置中機構的原動件數為1，活動構件數（包括光盤）n=4，低副數PL=5，高副數PH=1（曲柄與光盤的接觸為線接觸），故機構的自由度為：F=3n-2PL-PH=

3×4-2×5-1=1。原動件數目等于機構的自由度數目，所以該機構具有確定的運動[3]。

2.3" " 推桿裝置具體設計

采用作圖法對推桿裝置進行設計，作圖法就是利用各鉸鏈之間的相對運動幾何關系，通過作圖確定各鉸鏈的位置，從而確定各桿件的長度。作圖法的優點是直觀、簡單、快捷[3]。

外殼結構設計出限位槽，使滑塊在外殼右側上下滑動。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、結構緊湊、成本低等優點。

在初始位置，設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呈鈍角的彎折結構。

為了滿足光盤被階梯狀推出的要求，曲柄推桿設計為階梯形。最下側光盤被推出的距離最遠，對應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。設計推桿裝置如圖5所示。

3" " 推桿裝置理論分析優化

初步設計中存在的問題：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構設計不合理，需要的推力大。優化方向是減小推出光盤時滑塊上的力[4]。

根據初步樣機測試情況，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軸的靜摩擦力。

對機構進行力矩平衡計算，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，質量小，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，調整模型如圖6所示。

根據簡化機構模型，列力矩平衡公式如下：

FA=

式中：FA為滑塊位置施加的推力；Ff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與右側豎直外殼的夾角，也是曲柄滑塊機構的壓力角。

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。根據機械原理知識，在連桿機構中常用傳動角的大小及其變化情況來衡量機構傳力性能的好壞，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中心的位置向左移動，相應的曲柄推桿裝置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，與外殼內表面平行，∠BCD減小。優化后的結構如圖7所示。

4" " 推桿裝置ADAMS仿真驗證

從理論分析來看，調整后的結構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軟件設計出光盤載體終端的三維模型，導出x_t格式三維模型文件，再將文件導入仿真軟件ADAMS中，如圖8所示。

在各桿件鉸接處添加旋轉副，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，優化前和優化后的推力仿真結果分別如圖9和圖10所示。從仿真結果看，優化后的推力明顯減小，仿真結果與計算一致，證明了理論分析正確，光盤推桿裝置優化具有很好的有效性。

5" " 結論

光盤推桿裝置采用了曲柄滑塊機構，將滑塊的直線移動轉化為曲柄推桿的圓周運動，曲柄推桿在轉動過程中把光盤推出。本文通過作圖法對各桿件進行設計，尤其對曲柄推桿進行了詳細設計，實現了光盤被階梯推出的需求。

通過計算分析，對曲柄旋轉中心的位置和曲柄推桿的形狀進行了優化，減小了滑塊推力，并通過ADAMS軟件進行了驗證，優化后的推桿裝置滿足設計要求。

[參考文獻]

[1] 孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2006.

[2] 郭蘭滿，劉云翔，陳林.基于ADAMS軟件的抓料機油缸鉸點位置優化[J].機械制造，2022，60（1）：26-28.

[3] 潘志國，李心志，楊然兵，等.基于軌跡法的山藥播種機送種機構優化設計[J].中國農機化學報，2019，40（12）：30-33.

[4] 李金川，張勇，丁鑫，等.排水機器人水泵變幅機構鉸點位置多目標優化[J].機械設計與研究，2024，40（1）：79-83.

[5] 吳文錦，郭高智，周昌蘭，等.曲柄滑塊式折疊翼機構設計與仿真分析[J].黑龍江工業學院學報（綜合版），2022（8）：57-62.

收稿日期：2024-07-17

作者簡介：高海濤（1987—），男，河北保定人，工程師，研究方向：北斗定位類終端產品結構設計。