间歇式手机翻盖试验机的设计与实现

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摘要：关键词：手机；翻盖试验机；加速；减速；间歇；导向轨迹；柔性固定装夹器。 摘 要 翻盖手机作为手机的主要结构形式之一，其翻盖使用可靠性的测试设备手机翻盖试验机，多年以来均以气动为主，也有少量双电机驱动的。论文从分析手机翻转运动入手，在阐述单电机

　　关键词：手机；翻盖试验机；加速；减速；间歇；导向轨迹；柔性固定装夹器。
　　摘  要 翻盖手机作为手机的主要结构形式之一，其翻盖使用可靠性的测试设备——手机翻盖试验机，多年以来均以气动为主，也有少量双电机驱动的。论文从分析手机翻转运动入手，在阐述单电机、间歇机构设计及工作原理的基础上，形成了模拟手机翻盖运动的单电机间歇式手机翻盖试验机的设计方案。
　　间歇式手机翻盖试验机由动力机构、传动机构、打开功能机构、闭合功能机构、固定装夹器、机架、控制系统七个部分组成。本文通过完成各部分的设计、制造，最后实现其产品化与实际应用。为翻盖试验提供新的、更加合理的测试方法的同时，提高了测试结果精度，简化了配套与控制，降低了噪音等。
　　一、产品开发背景
　　手机早已融入人们的日常生活，作为手机主要结构型式之一的翻盖机，其翻盖可靠性测试是必须检测验证的项目之一。行业对产品该项的检测基本以气动试验机为主，个别厂家有采用机械式的，但机械式又都采用双电机驱动。
　　行业手机翻盖试验机，无论是气动还是机械式，均无加速、减速过程，不能很贴切模仿产品使用过程中的人手打开、叠合运动，试验运动与实际使用过程的运动差异性很大，因此必然影响试验结果的合理性、准确性。
　　气动试验机需要气源，配套较复杂。对于无气源的厂家来说适应性差，实施投入也就相对要大一些。如果投入后气动设备少，则运行成本高。另外，气动关键元器件，如电磁阀必须按使用频次寿命定期更换；再者，气动设备使用噪音大。
　　双电机机械式结构，需要采用2个电机，设备体积相对必然较大，也同样存在结构较复杂、投资较大的问题，同时双电机间要实施联动控制，因此控制也就要相对复杂一些。相对复杂的结构与运动，必然也导致设备故障率的相对提高。
　　二、产品开发的目的、意义
　　采用全新的单电机驱动的间歇机构，代替气动、双电机驱动，实现手机翻盖翻转。
　　切实模拟或体现手机实际使用时翻盖开合运动的加速、减速、停止过程，改变气动、双电机驱动与翻盖实际运动状态的不一致性，提高测试结果的合理性与准确性。
　　简化试验配套设备与控制，缩小设备体积，提高设备的可靠性，降低噪音等。
　　三、翻盖运动过程解析
　　以手机为例，其打开与闭合过程的受力状态如下：
　　其中：α0——换向角，在此角度范围内翻盖受转轴的闭合力Fα作用；
　　β0——自开角，在此角度范围内翻盖受转轴的外张力Fβ作用。
　　手机从闭合状态翻转打开时，在小于换向角α0的范围内，需要克服转轴的闭合力Fα；当打开角等于αo时，Fα=Fβ=0；当打开角＞αo即β0＞0时，转轴施加一个与打开方向一致的外张力Fβ，手机可自动完成打开。
　　闭合过程与打开过程逆向，β0角从最大值逐渐减小，在β0角的范围内，需要克服转轴的向外张力Fβ；当β0=0，即闭合角等于αo时，Fα=Fβ=0；当闭合角＜αo时，翻盖受同向转轴闭合力Fα作用，手机可自动完成闭合。
　　作为手机，用户在使用打开时，通常是用母指施加给翻盖一个克服转轴闭合力Fα的瞬间翻转力，翻盖开始加速翻转，待达到一定的打开转速后，母指运动滞后于翻盖，翻转速度继续加大但加速度却逐渐减小至消失，翻盖借助打开运动惯性冲过换向角αo，然后再借助转轴在β0角范围内的外张力Fβ，自动完成手机打开。
　　手机闭合过程则通常是用食指、中指施加给翻盖一个克服转轴外张力Fβ的瞬间翻转力，翻盖开始加速闭合翻转，待达到一定的闭合转速后，手指运动滞后于翻盖，加速度逐渐减小至消失，翻盖借助闭合运动惯性冲过换向角αo，然后再借助转轴在αo角范围内的闭合力Fα，自动完成手机折叠。
　　因此，从上述运动解析可见：打开时，在αo角范围内，做加速度从大变小的变加速运动，在β0角范围内，做受自主力的匀加速运动，并在碰到最大开角限位后急停；闭合时，在β0角范围内，做加速度从大变小的变加速运动，在αo角范围内，做受自主力的匀加速运动，并在碰到闭合限位后急停。作为产品翻盖可靠性的测试与判定，只有试验机尽可能模拟出实际运动过程与受力状态，才能最大限度提高试验结果的合理性与准确性，为设计与改进提供可靠依据。
　　四、产品设计方案
　　基于翻盖试验的运动特点，间歇式手机翻盖试验机的设计主要由以下几个部分组成。
　　动力机构：通过选用电机，经减速、调速，为试验机提供可调速运行驱动力；
　　传动机构：由带、轮、轴等传动件组成的机构，将动力传递、分配给各功能机构；
　　打开功能机构：承担手机打开时αo角范围内的加、减速驱动，同时防止在翻转速度不足时翻盖不能越过临界角αo而回返导致翻盖不能打开的情况；
　　闭合功能机构：承担手机折叠时β0角范围内的加、减速驱动，同时防止在翻转速度不足时翻盖不能越过临界角αo而回返导致翻盖不能闭合的情况；
　　固定装夹器：被测试产品在试验机上的安装固定装置，保证被测试产品与机构间相对正确的位置关系；
　　机架：各机构部件的配合连接基体；
　　控制系统：控制设备的启动、停止、参数设置、运行、计数等试验需求功能。
　　五、产品设计
　　本文主要阐述试验机设计的一些关键环节与点，对于常规设计部分只做一般性说明。
　　1、动力机构的设计
　　动力部分选用单项交流电机，配齿轮减速箱、调速器。
　　电机与减速箱采用组合成整体结构设计，在确保装配精度、传动精度的同时，有效地减小了体积，简化了安装、调试。
　　调速器与电机间采用分体结构，这样便于其安装在控制面板上。测试时，通过调速器调整电机输出转速从而达到控制减速箱输出转速的目的。
　　电机功率大小，以整个机构负载确定。对于手机翻盖试验，功率在100W以内即可。
　　齿轮减速箱、调速器的选择确定，以与电机匹配后，能实现不小于30～90r.min-1的转速范围即可。
　　2、传动机构的设计
　　基于试验机需求的功率较小，同时运行过程要求平稳性好、体积要小等特点，电机对机构的驱动采用V带传动，然后由传动机构分解出分传动。
　　装配于减速箱输出轴上的主动带轮，通过V带驱动主从动轮、传动轴、次从动轮、拨轴，将需求动力分别传动给打开、闭合机构。由于主从动轮、次从动轮、拨轴、传动轴装配后的相对位置是固定的，传动在实现对不同机构驱动的同时又简单而方便地实现了对不同机构间的运动顺序控制。另外，通过改变拨轴间的相对位置也可改变机构的间歇运动形态。
　　传动轴两端装在2个安装支座上，支座再固定于机架上，从而固定整个传动系统的位置。支座由轴承、轴承座、轴承盖、固定螺钉等构成，在固定支撑传动系统的同时，具有优良的转动性能。
　　拨轴由轴销、自转轮、弹性挡圈构成。自转轮装于轴销端部，挡圈控制其在轴销上的轴向位置。轴销通过自转轮驱动打开、闭合机构，是动力的承载、传递件。自转轮在机构运动过程中自动消除配合运动的相位误差，对保证运动平稳、消除运动阻力方面起着至关重要的作用。
　　需要说明的是，上述机构为一个分解传动单元，对于不同的试验，可按具体需求，采用相同的设计原理，设计出多单元、变向传动。
　　3、打开机构的设计
　　打开功能机构由主后行摇臂、转轴、支座、拨爪四部分组成。
　　拨爪装配于主后行摇臂上，主后行摇臂装配于转轴上，挡圈控制其轴向位置。转轴两端用2个安装支座支撑限位，支座再装配于机架上，从而固定整个打开机构的位置。
　　拨爪由拨臂、拨指、拨弦、压板等组成。拨臂根部为圆盘形，盘面有两段同心、对称圆弧槽，用于调整拨爪装配角度，以适应不同翻转试验产品对拨爪角度变化的要求。拨指上的压板，用于安装薄片刚性或柔性拨弦，同样用以适应不同翻转试验产品对拨弦的要求。
　　转轴支座（Ⅰ）、（Ⅱ）与传动机构支座的基本结构相同，在固定支撑打开机构的同时，具有优良的转动性能。
　　打开机构的拨轴绕中心O'旋转，则带动主后行摇臂绕中心O间歇摆动。
　　主后行摇臂是决定运行间歇、加速、减速的关键部件之一，其设计比较关键，主要包括：下始点A、加速角ω、由Rp、Rq等曲线构成的导向轨迹，导向轨迹中心与摇臂旋转中心距a，摇臂旋转中心与拨爪中心距m，拨轴旋转半径R，夹角β等。
　　O为摇臂的旋转中心，O'为打开拨轴的旋转中心。中心距m，主要根据被测试产品的大小范围确定。中心距a主要根据主动力与工作力的比值、O'的位置关系确定；在电机功率确定的情况下，测试需要的工作力越大，则a越大，反之则a减小。导向轨迹主要由中心距a、O'的位置关系、转动半径R确定。
　　导向轨迹的设计必须先设定下始点，再由此设计出末端轨迹形状。上图示轨迹的下始点设定为R轨迹线的下象限点A，电机通过传动系统带动拨轴绕中心O'做匀速运动，设转速为：nr.s-1，旋转方向如图示箭头所示，则摇臂的运动状态如下：
　　从A→B段，摇臂做变加速运动，速度v从0增加至n；从B→C段，摇臂做变减速运动，速度v从n降低至0；从C→D段，摇臂做回转变加速运动，速度v从0增加至n；从D→E段，摇臂做变减速运动，速度v从n再降低至0；从E→A段，摇臂保持静止，实现间歇。然后再从A开始加速，周而复始重复上述运动过程。
　　根据上述摇臂的运动过程可见，在A→B→C段的运动与手机打开时的受力与运动状态一致，当θ＞αo时，也很好地解决了因翻转初始速度不足而导致翻盖不能越过转轴换向角αo而完成打开的情况。
　　对于翻转试验，通常需要设定的主要参数为：
　　①A→B段的加速度；
　　②摇臂最大摆角2θ；
　　③间歇角λ。
　　根据图示几何关系，按其设定，推得：
　　A→B段的平均角加速度
　　；
　　摇臂最大摆角2θ=2arcsin(R/a)  (°)；
　　间歇角λ=180°-2ω  (°)。
　　从上述关系可见：
　　①通过a、R、ω的合理设计，可获得需求的摇臂间歇角λ与最大摆角2θ；
　　②改变导向轨迹的长度可以改变角加速度αω；
　　③a、R、ω确定后，通过调整转速n，可以得到不同的角加速度αω；
　　④当下始点A在R轨迹线下象限点时，间歇角λ=180°-2ω=180°-2（90°-β）=2β；
　　⑤加速角ω加大或减小Δω，则间歇角λ减小或加大2Δω。
　　导向轨迹的设计还需要注意的问题点：
　　①自转轮与导向轨迹的内廓线的接触点必须位于OB线的A点方向侧，为保证良好的回转性，避免运动自锁，自转轮中心与OB线的距离Lo最好≥φ/2。
　　②导向轨迹的末端必须设计出回转避让间隙，防止回转卡死现象。避让间隙大小与机构的制造精度、配合间隙有关，但避让间隙宜大不宜小。因此避让间隙中心距w建议最好＞2R+0.05R，L最好＞φ/4。
　　摇臂作为翻转、间歇运动的关键件，其另一设计创新就是镶件。镶件的主要作用有二：①改善优化产品装配工艺性，②简化紧凑机构。使传动系统与摇臂系统既能实现独立装配，又能很方便地组合起来，同时又最大限度地简化了机构、缩小了机构体积。
　　当然，摇臂的内夹角β可以大于90°，这主要根据整个试验机各机构的布局与设计方案确定，这里就不在赘述。
　　4、闭合机构的设计
　　闭合功能机构由主前行摇臂机构、拨叉机构组成。其中拨叉机构又由拨叉、拨叉转轴、拨叉支座组成；主前行摇臂机构又由拨轴、摇臂、摇臂转轴、支座、自转轮等组成。
　　在拨叉机构中，拨叉装配于拨叉转轴上并固定，拨叉转轴两端装配于拨叉支座中，拨叉支座固定于机座上，从而实现拨叉机构的定位。拨叉支座的基本结构同其它支座，在固定拨叉机构的同时，具有优良的转动性能。
　　在主前行摇臂机构中，拨轴装配于主前行摇臂上，主前行摇臂装配于转轴上并限位，转轴两端由支座支撑限位，支座再装配于机架上，从而实现整个主前行摇臂机构的安装与定位。拨叉支座的基本结构仍同其它支座，在固定主前行摇臂机构的同时，具有优良的转动性能。
　　主前行机构拨轴绕中心O'旋转，则带动拨叉绕中心O"间歇摆动，从未而驱动主前行摇臂绕中心O摆动。本文以主前行摇臂摆角=主后行摇臂间隙角，即γ=λ为例作设计说明。
　　从上图可见：当打开、闭合机构的拨轴转动中心O'、摇臂中心O沿轴向投影重合或等距平行时，以过O点的水平面为基线，则闭合机构主前行摇臂的最大摆角γ=2β，即为打开机构主后行摇臂内夹角的2倍。此条件也可作为打开机构主后行摇臂内夹角β设计设定的依据。
　　当摇臂中心距s按需求确定后，由于a、β与主后行摇臂相等，因此，设定拨轴旋转半径r即可求得拨叉摆动中心O"，或者设定拨叉摆动中心O"求得拨轴旋转半径r。
　　另外拨轴是通过装在端部的轴承装配于主前行摇臂上的，由拨叉驱动装在拨轴靠端部的自转轮驱动拨轴的，因此，拨轴在绕中心O转动的同时，通过其上的端部轴承、与拨叉配合的自传轮消除翻转运动过程中不同构件间的运动相位误差，确保了运动的可靠与流畅。
　　拨叉同主后行摇臂一样，是决定运行间歇、加速、减速的关键部件之一，结构见图4.5。拨叉上端为拨轴滑槽，中部为间歇运动导向轨迹，最下端为铰支转轴孔。其中，导向轨迹的设计与主后行摇臂完全类似，也为镶件组合结构，但方向相反。
　　从图5.5可见，闭合机构拨轴绕中心O'逆时针旋转，从A→B段，拨叉做变加速运动，速度v从0增加至n；从B→C段，拨叉做变减速运动，速度v从n降低至0；从C→D段，拨叉做回转变加速运动，速度v从0增加至n；从D→E段，拨叉做变减速运动，速度v从n再降低至0；从E→A段，拨叉保持静止，实现间歇。然后再从A开始加速，周而复始重复上述运动过程。
　　根据上述拨叉的运动过程可见，在A→B→C段的运动与手机闭合时的受力与运动状态一致，当γ＞β0时，也很好地解决了因翻转初始速度不足而导致翻盖不能越过转轴换向角αo而完成闭合的情况。
　　5. 柔性固定装夹器的设计
　　不同规格的测试产品，其宽度、高度或厚度是不可能一致的，如果采用不变的定位、夹紧方式，就必然导致不同产品在试验机上安装固定位置的变化。而产品测试时，被测试产品与机构间的相对位置关系要保证在正确的范围内，否则势必影响测试的顺利进行与最终测试结果。基于此，本试验机设计了柔性可调固定装夹器，测试产品的装夹宽度、厚度可调，同时装夹器可垂直升降。
　　压板1、2装配于固定座上，分别由一组弹簧支撑，调节螺钉1，在弹簧的作用下，压板1、2的高度可自动升降，从而适应测试产品高度或厚度的变化。同时由于压板内侧面形成上小下大的V形面，压板1、2下降的同时可实现对测试产品的压紧。压板2在螺钉2的作用下可沿长腰形槽滑动，从而适应测试产品宽度的变化。在压板高度确定后，调节螺钉2同样可实现对测试产品的压紧。另外，关于压板的设计还需说明的是：压板1的L形结构、压板2受螺钉2的作用后，消除了压板压紧时受力可能产生的翻转运动，确保了测试产品装夹固定的刚性与可靠性。
　　固定座通过推力轴承、丝杆、丝杆套装配于机架上，用一字螺丝刀旋转丝杆，在导向轴的作用下，丝杆就带动固定座沿丝杆轴向垂直升、降，待到达需求高度后，拧紧锁紧螺钉3即可，从而实现测试产品与试验机机构间需求的相对正确的位置关系。
　　另外，在压板1、2上还可考虑增加薄柔性带、条捆扎固定功能设计，这里就不再赘述。
　　从上述可知，对于不同规格的被测试产品，固定装夹器既能很好承担其安装固定，同时又确能保证被测试产品与机构间相对正确的位置关系。
　　6、控制系统的设计
　　控制系统承担控制设备的启动、停止、参数设置、运行、计数等试验需求功能。主要有控制芯片、计数器、LCD、光电开关的选择，控制电路的设计，控制程序的编写等。本试验机究其功能与用途，智能化要求不高，控制也谈不上有多大的复杂度与难度，但以下基础控制按扭与功能是必不可少的：
　　通断电指示、启动、停止、暂停、手动运行、自动运行、试验速度（翻转频次）设置、试验次数设置、计数、断电保护、断电储存记忆、试验参数清零、故障报警、试验结束指示等。
　　对于不同的厂家、单位、应用场合，控制系统的需求也会不一样，可根据不同的需求自行设计或定制，此项本文不再赘述。
　　7、机架的设计
　　机架的功能，就是将试验机的各机构部件、控制系统经配合、组合构成一体。
　　各机构部件间的配合由设计参数确定，方位、尺寸都具有明确的要求，具有唯一性，要求也较高，而控制系统则主要是遵从人性化的安全操作习惯，与机构合理分布搭配而成。机架遵从常规设计即可。
　　对于批量较大的专业化生产，机架以箱体式的铸件为宜；对于单件小批量生产，采用标准通用料机加工件较合理。
　　六、 应 用
　　该试验机2004年9月完成样机试制，并一次性获得试机、运行成功。经运行测试、使用验证，各项参数均符合设计要求。
　　相对气动与双电机驱动试验机，试验运行过程非常贴近手机实际使用运行状态，因此检测合理性与测试结果的准确性均显著提高。据不完全统计，相同产品以相同翻转频率做对比试验，在30～90±2r.min-1 的速度范围内，随着速度的加大，测试产品的寿命值均减小，但本试验机减小值在2000次以内，基本可视为不变；而气动减小值在3000次以上，且平均寿命值，气动始终低于本试验机4000～5000次。因此，按5万次寿命测试标准计算，本试验机的测试误差＜5%，而气动测试误差在15%左右。
　　历经7年多的实际应用，该试验机在70～80±2r.min-1 速度范围内测试合格的手机，信息产业部送检测试无一不合格现象发生。
　　机构运行平稳，运行噪音较气动成倍降低，直观感觉低于40dB。
　　柔性固定装夹器装夹方便、灵活、可靠，完全适应手机多规格性的要求。
　　试验机操作控制直观、简单。
　　首批制造的机器运行至今，目前一切正常，机构的故障率基本为零，因控制系统相对简单，因此故障率也显著低于双电机、气动，具有更加优良的可靠性。
　　七、 结 束 语
　　1、电动机械间歇式手机翻盖试验机的设计方案是完全正确、可行的。
　　2、电动机械间歇式手机翻盖试验机的加速、减速、间歇运动过程更合理地体现了手机翻盖的实际运动状态，检测结果更准确。
　　3、镶件组合式的间歇导向轨迹设计，能有效改善产品装配工艺性，简化紧凑机构。
　　4、单电机驱动，无双电机、双气缸的不同步运行误差与相应控制，无气动的气源配置等，因此简化了控制。
　　5、试验速度可调，加速、减速、间歇运行时段比值不变，即试验运行曲线等比固定。
　　6、柔性固定装夹器适用于不同规格的手机类产品。
　　7、与双电机、气动试验机比较：设备体积小、噪音低、运行平稳性、可靠性好、配套简单。
　　八、 参考资料
　　《机械设计手册》——化学工业出版社。

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