万向导电装置的设计及应用

陶伟,杨家柱,陈维,陈侃,李善斌

(宜昌人福药业有限责任公司,湖北 宜昌 443005)

万向导电装置的设计及应用

陶伟,杨家柱,陈维,陈侃,李善斌

(宜昌人福药业有限责任公司,湖北 宜昌 443005)

本文介绍了关节式导电装置的设计原理,同时阐述了该装置与传统的导电滑环间的关系及区别.关节式导电装置源于滑环的基本原理,又通过交叉轴叠加自由度的方式,以及骨节式的造型来实现多方位自由运动.将该项设计与现实情况相结合,探讨了此项专利在设备制造领域的实用价值.可多方位自由运动的导电装置,使得设备紧凑度更高,可设计面更广,对设备制造产业有积极影响.

滑环;万向节;万向转动;机械设备

机械设备在新时代的发展中一直扮演着举足轻重的角色,机械设备制造能力往往能够体现一个国家的工业水平.而在机械设备的制造中,机电一体化是发展趋势,在电子技术广泛应用于机械设备制造中时,面对运动部件的控制问题,如何实现对这些运动件的控制成为了一个课题.

我们知道,在机械设备中有许多运动件,要实现对这些运动件进行电力输送和信号传输,就需要用到导电装置.现在常用来实现这一要求的导电装置有导电滑环、导线等接触式导电装置.以导电滑环为例,它又称集电环、或称旋转关节.导电滑环属于电接触滑动连接应用范畴,是实现两个相对转动机构的图像、数据信号及动力传递的精密输电装置.而最传统的导线则只能用于单一运动方向的信号及电力传输,相比于导电滑环更是缺少了360度旋转的能力.而且导线的接点在运动中极易损坏.而机械设备上的运动件往往不是沿着一个单一的轨迹进行运动,如果碰到某一运动件同时有2到3个方向的运动轨迹,组成了一个复杂运动,这个时候简单的导电滑环或者导线就均不能完全满足使用要求了.为此根据现有的滑环技术,结合实际使用要求,进行结构设计方面的研究,以求设计一个导电装置能够突破运动自由度的束缚,实现万向转动,同时兼备导电能力.

1 设计原理

首先基于现有的滑环技术,确定装置导电方式.现行的滑环技术,通常使用复合电刷块、贵金属合金单丝、纤刷技术以及水银等实现导电.复合电刷块技术一般采用碳刷、铜刷、银石墨二硫化钼的刷块等形式,实现运动中的持续接触式导电;贵金属合金单丝,如AuNi9等,则是基于电刷技术,将电刷和刷块均由金属单丝代替,通过接触点的增多来提高滑环的稳定性;纤刷技术中的纤刷是指一种特殊的滑行电气接触设计,简单的说就是将单独的金属纤丝(线)进行校准并装进一个金属管里,这样相对于贵金属合金单丝来说则提高了金属丝的接触面,提高了滑环的可靠性;水银滑环与传统滑环最大的不同点在于它主要以液态水银为导电介质,将固定端与旋转端集成在一起,旋转的时候不需要使用碳刷来进行导电传递,而直接使用水银来进行导电传递,这样其可靠性和精度是最高的.

这里,由于我们的装置要实现多向运动,对导电的稳定性和可靠性均有一定的要求,再加上结构特点的考虑,我们采用纤刷技术作为导电的介质.然后对装置结构进行设计,实现多轴自由度复合叠加.为了实现万向转动,借由仿生学理念,模仿骨节的基本结构加以设计,考虑使用万向节作为动作传导方式.万向节现已是成熟的结构设计,广泛应用在汽车上.万向节有很多种类,从扭转方向上的弹性来看,可分为刚性万向节和挠性万向节.而刚性万向节根据输出轴和输入轴间的速度差来分类,又可以分为等速万向节,准等速万向节和不等速万向节;准等速万向节又分为双联式、凸块式、三销轴式和球面滚轮式四种,等速万向节又分为球叉式和球笼式两种.

(1)刚性万向节由万向节叉、十字轴、滚针轴承、油封、套简、轴承盖等件组成.与输入动力连接的轴称输入轴(又称主动轴),经万向节输出的轴称输出轴(又称从动轴).

(2)准等速万向节.指在设计的角度下以相等的瞬时角速度传递运动,而在其他角度下以近似相等的瞬时角速度传递运动的万向节.它又分为:①双联式准等速万向节.②凸块式准等速万向节.③三销轴式准等速万向节.④球面滚轮式准等速万向节.

(3)等速万向节.万向节所连接的输出轴和输入轴始终以相等的瞬时角速度传递运动.它又分为:①球叉式等速万向节.②球笼式等速万向节.

在这些结构特点各异的万向节中,我们根据导电的需求,万向节的结构中最好有明显2个或2个以上的独立部件,并有较规范的接触导轨类的设计,可以为纤刷提供良好的介入位.能够同时满足这些要求的,为球叉式万向节和球笼式万向节.而这两种万向节相比,球笼式万向节的滚道更多,在实际使用中更适合与应对多线制的情况,故我们以球笼式万向节为设计蓝本,对其结构进行适应性改造.

2 附图说明

球笼式万向节的基本结构如图1所示.

图1 球笼式万向节的基本结构

3 设计改造

半球壳1与定杆A相连,半球壳1内表面有6个滚道,定杆A为中空杆.半球壳1的滚道上布满纤刷,与滚道一同自然分为6组,每一组在半球壳1的根部汇聚于一个焊接点;导线可以通过定杆A于焊接点处与各组相连.球笼(球形套)为钢球的固定支架,钢球分布于各滚道.

星形套表面有半球壳1内表面一一对应的滚道,同样布满纤刷,与滚道一同自然分为6组,每一组分别在内孔花键槽里汇聚于一个接点,接点与半球壳2的金属花键相连,实现电气连接,金属花键在半球壳2根部有与半球壳1相同的焊接点,动杆B位中空的伸缩杆,可以实现轴向的往复运动,而其滑道设计为与滚道一一对应的6个,同样布满纤刷,纤刷一端分别与半球壳2根部的6个焊接点相连,另一端与动杆B尾端的6个焊接点相连,导线可以通过动杆B尾端的6个焊接点实现电力传输.所有部件除钢球、花键和焊接点为金属材料外其余均为绝缘材料,以防止各组间出现短路.

在实际使用中,定杆A为装置的固定端,也作为电力或信号的输入端,最高可适应于6种不同信号同时输入.中部由两个半球壳、一个球笼(星形套)以及6个钢球组成的球体则是万向转动的动力中枢,同时通过钢球与各自滚道上的纤刷间的接触实现分组导电.动杆B为运动机构,也作为电力或信号的输出端,最高可以提供6种不同的信号同时输出.将各部件组装后,球笼式万向节的基本结构可以实现动杆与定杆的相对万向转动.而半球壳1与星形套的滚道上的纤刷通过钢球实现电气连接,从而实现导电和信号的传输功能.这项设计中所涉及的万向节结构和滑环导电均为现行的成熟技术,其可靠性和可行性均极高.

4 应用实例解析

该项设计在机械设备领域有着良好的应用前景.以本公司生产车间所使用的浙江海翔公司生产的PBL350E型包装生产线来说.生产线中有一处推杆,其运动轨迹为上下方向的短程运动以及前后方向的长距伸缩,这两个运动方向的夹角为90度,而行程又相差较大;而且该推杆上有一金属感应器,其电源和信号传输目的点又在该推杆机构以外.这使得传统的导线导电极易在运动中出现损坏,而使用现有的滑环技术则会出现使用多个滑环结构的情况,导致设备的紧凑性降低.

那么,如果应用本文所述的万向导电装置,既可以实现良好的电力传输,又可以适应其复合运动轨迹的要求,可以降低配件损耗,提高设备的紧凑度.我们将金属传感器的两根电源线和一根信号线的进线焊接在装置输入端的3个不同的焊接点上,由装置的输出端对应引出3跟导线与金属传感器的电源及信号线一一对应相接.再将该装置的输入端固定于静止的机架上,将可转动的输出端固定于推杆上即可.这样,通过该装置,既能提供电力输送和信号传输介质,又可以提供万向运动机构,大大提高了该设备的设计紧凑性,同时也降低了使用中的损耗,提高了设备运行稳定性.

5 结语

万向导电装置实现了电力传输、信号传导与万向运动的良好结合,给机械设备制造领域中常见的导电和运动结构间的冲突提供了新的解决方案,并且该装置能适应于现行传统滑环等结构所不能完成的复杂运动,为机械设备制造开拓了新空间.该项设计已获得国家实用新型专利(专利号:ZL 2014 2 0195267.6).

[1]杨莉红.导电滑环的技术研究[J].科技传播,2012(06).

[2]薛萍,陈少兵,刘丽.电滑环中的导电环和电刷[J].光纤与电缆及其应用技术,2012(01).

[3]卢曦,周萍,孙跃东,叶宗才.汽车等速万向节的现在与发展[J].机械设计与制造,2002(03).

TG484

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1671-0711(2017)11(上)-0112-02