大型设备用扭矩控制方法及其控制装置与流程

本发明涉及一种扭矩控制方法及其控制装置，尤其涉及一种大型设备的扭矩控制装置，属于机械连接结构技术领域。

背景技术：

大型设备种类繁多，例如复印扫描设备、大型冰柜等，这些设备一般都包括翻盖及与翻盖连接的机身，但而对于这些大型设备，使用时的翻盖往往只能在某一个角度进行悬停甚至无法悬停，悬停角度选择性小，给操作带来不便，影响了设备的使用性能。此外，在一些复印打印设备上对于加厚纸本的复印扫描，现有的复印或扫描设备由于对纸本按压不到位，很容易使其扫描件出现阴影、暗角的缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述的技术问题，提供一种大型复印或扫描设备用的扭矩控制方法及其控制装置。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

大型设备用扭矩控制方法，通过调节弹性调节机构扭矩与大型设备质量矩之间的关系进行控制，包括如下步骤，

S1、获取弹性调节机构内弹簧的受力长度Da及非受力长度D0，弹簧系数K；

S2、获取垂直于作用力方向的力矩La；

S3、通过函数K*(D_o-D_a)*L_a获取最终弹性调节机构扭矩；

S4、根据函数11.7*9.81*G cosωcos(θ+ω)获取设备的上盖质量矩，其中θ为设备开闭角度，ω为设计常数，G为常数；

S5、通过控制弹性调节机构扭矩与设备上盖质量矩之间的关系进行扭矩的控制。

大型打印、复印或扫描设备的扭矩控制装置，包括一与设备机身固定连接的底座及与设备翻盖连接的底座翻转体，所述扭矩控制装置控制所述翻盖与所述机身之间进行20°-60°之间进行悬停，且控制所述翻盖与所述机身之间角度小于20°时自动合紧；

所述翻转体包括一上盖体、置于上盖体内侧的弹性调节机构，所述弹性调节机构的上端与所述上盖体上端连接，所述弹性调节机构的下端与所述底座连接；

所述弹性调节机构包括上下套接的第一、第二中空箱体及置于两个箱体内的弹性元件，所述第一、第二中空箱体均为开设有一开口的中空容纳腔，且两个开口相对设置；

所述第一、第二中空箱体的下端均向箱体内凹开设有一凹槽，所述第二中空箱体的上端嵌套设置于第一中空箱体内，所述第二中空箱体的凹槽内穿设有一连杆，且所述连杆的两端穿出凹槽架设于所述底座两端，所述第一中空箱体的凹槽槽径大于所述连杆直径，且所述第一、第二中空箱体可相对轴向运动驱动所述弹性元件作伸缩运动，所述第一中空箱体的上方通过连接轴连接于所述上盖体上部；

所述翻转体转动，带动所述弹性调节机构运动，驱动所述第一中空箱体以连接轴为轴心、第二中空箱体以连杆为轴心进行转动。

优选地，所述上盖体与弹性调节机构之间设置有连接板，所述连接板为置于弹性调节机构两侧的侧板，所述连接板的上端通过穿设于上盖体内的第二连杆与上盖体连接，所述连接板的下端通过穿设于所述底座内的第三连杆与底座连接；所述连接板的下端设置于所述底座外侧；

所述第二连杆轴线至上盖体盖面的距离小于所述连接轴轴线至上盖体盖面的距离，所述第二连杆与所述连接轴的中心在同一水平线上；

转动所述翻转体，所述第一中空箱体顶部与第二箱体底部之间的距离呈线性减小轨迹；所述第三连杆与所述连杆之间的力矩呈非线性轨迹变化。

优选地，所述大型设备的翻盖选择性的以所述第二连杆或第三连杆为旋转轴。

优选地，所述弹性元件由至少一个弹簧构成，所述弹性元件的一端抵接所述第一中空箱体顶部，另一端抵接于所述第二中空箱体的底部。

优选地，所述底座截面呈L形，由L形支架板及置于支架板两侧的挡板构成。

优选地，所述支架板包括一水平底片及垂直于所述水平底片的垂直片，所述底座的两侧挡板上开均设有一条形槽，所述垂直片的两端设置有凸起插接于所述条形槽内。

优选地，所述扭矩控制装置置于设备的最远端，且对称设置有两个。

优选地，所述弹簧至少设置有两个，且每个所述弹簧之间嵌套设置。

优选地，所述上盖体受力14N时，所述扭矩控制装置以第三连杆为轴心，使得所述上盖体与设备机身平行。

优选地，所述扭矩控制装置为铰链。

本发明的有益效果：适用于大型设备机身与翻盖的连接，使得翻盖能在20-60°之间进行任意角度的悬停。且能在20°夹角之后进行缓慢的自动闭合，可以根据所需的悬停角度通过调整连杆长度及位置而实现角度变化的要求。本发明的扭矩控制装置可以为铰链机构，且尤其适用于大型打印、复印扫描仪，结合铰链机构中连接板的设置，可以适用于对加厚纸本的复印扫描，避免了现有技术中上压板不能有效按压扫描件导致的扫描不到位，扫描件出现阴影暗角的缺陷。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明的主视图。

图3是本发明的立体结构示意图，此时隐藏了底座。

图4是本发明在使用时与大型复印扫描仪的连接结构示意图。

图5是图4在实际加厚纸本复印或扫描时的结构示意图。

图6是复印机上盖的质量矩相对铰链开闭角度的曲线。

图7是图6基础上的一定边界条件所产生的曲线图。

图8是本发明中设计模型运动轨迹分析示意图。

图9是本发明的扭矩的性能曲线。

图10是本发明在加厚纸张复印时的各个数值变化曲线示意。

图11是本发明在加厚纸张复印时扭矩和施加压力的曲线关系示意图。

具体实施方式

本发明具体揭示了大型设备的扭矩控制装置，为更好的说明和理解本发明，以下以大型打印、复印或扫描设备为具体实施例，所述扭矩控制装置为铰链。考虑到力的分布，为更好地控制翻盖，一般需要在大型复印或扫描设备的两端各设置一只上述铰链机构，以降低每只铰链机构当中连杆等部件所承受的扭力，提高设备使用过程中的稳定性，并可延长设备的使用寿命。同时，结合所述铰链机构的自重及体积，以上所述铰链机构一般应用于大型复印机、大型扫描仪、或大型打印机上。当然，本发明的装置也可以使用于大型冰柜等其他设备。对此，本发明并不做进一步的局限。

如图1-图5所示，包括一底座1，及与所述底座1枢轴连接的翻转体。所述底座1与大型复印扫描仪的机身7连接，所述翻转体与所述大型复印扫描仪的翻盖6连接。所述扭矩控制装置控制所述翻盖与所述机身之间进行20°-60°之间进行悬停，且控制所述翻盖与所述机身之间角度小于20°时自动合紧；

具体的，所述翻转体包括一上盖体2、置于上盖体2内侧的弹性调节机构，所述弹性调节机构的上端与所述上盖体2上端连接，所述弹性调节机构的下端与所述底座连接。

所述底座由一呈L形的支架板及设置于支架板两侧的挡板组成，所述支架板包括一垂直片及水平底片，所述底座的两侧挡板上开均设有一条形槽6，所述垂直片的两端通过设置的凸起插接于所述条形槽6内。

所述弹性调节机构包括上、下套接的第一、第二中空箱体及置于两个箱体内的弹性元件(图中未示意)。所述弹性元件由至少一个弹簧构成，所述弹性元件的一端抵接所述第一中空箱体3顶部，另一端抵接于所述第二中空箱体4的底部。弹簧的数量可以根据弹性变量的需求进行设定，若设置有至少两个，则两个弹簧之间可采用套接的形式设置。

所述第一、第二中空箱体均为开设有一开口的中空容纳腔，且两个开口相对设置，所述第一中空箱体3套置于所述第二中空箱体4外。具体为，所述第二中空箱体4的上端套接设置于第一中空箱体3内。

所述第一、第二中空箱体的下端均向箱体内凹开设有一凹槽，所述第一中空箱体3下端为第一凹槽32，所述第二中空箱体4的下端为第二凹槽41。所述第二凹槽41内穿设有一连杆34，且所述连杆34的两端穿出架设于所述底座的侧板上，所述第一凹槽32槽径大于所述连杆34直径，且所述第一、第二中空箱体可相对轴向运动驱动所述弹性元件作伸缩运动，所述第一中空箱体3的上方通过连接轴33连接于所述上盖体上部。

所述翻转体转动，带动所述弹性调节机构运动，驱动所述第一中空箱体以连接轴33为轴心、第二中空箱体以连杆34为轴心进行转动。

所述上盖体与弹性调节机构之间设置有连接板5，所述连接板5置于弹性调节机构两侧，所述连接板5的上端通过第二连杆35与上盖体2连接，所述连接板5的下端通过第三连杆51与底座的挡板连接。具体，所述连接板5的下端设置于所述挡板的外侧通过第三连杆51连接。转动所述翻转体，所述第一中空箱体顶部与第二箱体底部之间的距离呈线性减小轨迹；所述第三连杆与所述连杆之间的力矩呈非线性轨迹变化。所述大型复印扫描仪的翻盖选择性的以所述第二连杆或第三连杆为旋转轴。

从总装的整体角度，由于扭矩控制装置与扫描仪的翻盖和扫描仪本体装配，扫描仪翻盖的旋转轴即是扭矩控制装置的旋转轴。基于本设计的应用场景，对于不同应用环境，铰链的第二连接杆35或第三连接杆51可分别作为扫描仪翻盖的旋转轴，以达到不同使用目的。

由于连接板5与上盖体2及挡板的连接关系，使得本铰链机构在实际复印加厚纸本8时，通过对翻盖一端的施力，可以在可控范围内进行翻盖的下压，使得上盖体2随着翻盖一起运动从而带动连接板5活动，最终将加厚纸本8完全覆盖，以更好的进行复印或扫描。

所述第二连杆35轴线至上盖体盖面的距离小于所述连接轴33轴线至上盖体盖面的距离，所述第二连杆35与所述连接轴33的中心在同一水平线上。

以下阐述下本发明中的具体力矩控制原理。

上盖悬停设计

由于在开合过程中复印机上盖重心的不断移动，导致复印机上盖质量矩基于开合角的变化而变化。因此，扭矩控制装置的设计需要首先求得复印机上盖的质量矩相对铰链开闭角度的曲线。

复印机上盖质量矩相对上盖开闭角度的方程曲线为：

M_a＝11.7*9.81*G cosωcos(θ+ω)

其中M_a为复印机盖的质量矩，θ为铰链开闭角度，ω为设计常数：H,G,均为常数根据上述方程式，M_a曲线可绘制如图6所示。

从图6可见复印机上盖质量矩相对上盖开闭角度的关系为，随着上盖开闭角度的增大，上盖质量矩逐渐减小。

求得在此曲线基础之上绘制以下边界条件：所述边界条件绘制如图7所示。

0°时：

M_a<M_h+M_f，M_h>M_a-M_f

M_a>M_h+M_s，M_h<M_a-M_s

0°-15°时，M_h>M_a-M_f

15°-60°时：M_h＝M_a

其中M_a为上盖质量矩，M_h为铰链弹簧扭矩，M_f为上盖开合力。

为了使铰链扭矩满足图7的边界条件，设计中采用了连杆转动的原理。随铰链开闭角度的增大，铰链上部的移动部件沿着旋转中心(第三连杆51)的转动。此时，弹簧所在第一中空箱体3与弹簧所在第二中空箱体4的距离Da不断缩小，弹簧被压缩，产生弹力Fa。与此同时，旋转中心(第三连杆51)与支撑杆(连杆34)间的距离虽然不变，但是对于弹力Fa来说，垂直于力作用方向的力矩La也在不断变化。通过对设计模型进行运动轨迹分析，Da，La的数值变化绘制如图8所示，其中实线部分为Da轨迹，虚线部分为La轨迹。

如图8所示，随着铰链开闭角度的增大，Da的减小是线性的，而La的变化是非线性的，随着铰链开闭角度的增大，La先是增大，当铰链旋转到弹簧弹力垂直于旋转中心(第三连杆51)与支撑杆(连杆34)的连线时到达顶峰。此时La等于旋转中心(第三连杆51)与支撑杆(连杆34)的连线距离。在这之后，La值开始变小。

根据模型，铰链扭矩的计算方程为：

M_h＝K*(D_o-D_a)*L_a

在此方程中，除了上述提到的La，Da之外，Do是非受力情况下弹簧的自由长度，K是弹簧系数。当弹簧数量大于1时，可以将不同的Do和K值分别计算求和。

从方程中可以看出，铰链扭矩Mh是由弹簧参数K，弹簧自由长度Do，力矩La和弹簧压缩后的长度Da共同决定。由于La的非线性变化特性以及La和Da的乘积关系，Mh曲线也是非线性变化，其峰值会在La峰值的左侧出现。因此，在设计过程中可以通过变换旋转中心(第三连杆51)与支撑杆(连杆34)的位置关系，弹簧数量以及弹簧参数的方式，达到控制铰链扭矩的目的。铰链的空间位置局限性也是设计中的另一约束条件。综合考虑后，即可求出满足铰链要求所需的边界条件的最优解，以及符合设计需要所需的弹簧数量及弹簧参数。选取合适弹簧，调整连杆即可满足以上边界条件。当铰链开闭角度变化时，所述连杆的旋转会导致弹簧压缩量和力臂产生变化。弹簧压缩量和力臂同时在本机构内作用导致扭矩的变化，以达到所要求的悬停/缓慢闭合效果。

以上变量做出选择后，铰链扭矩的性能曲线即可绘制如图9所示，从曲线中可以看出，Mh的峰值出现在开闭角度约为20度时。当铰链开闭角度大于峰值时，铰链扭矩与复印机上盖质量矩高度重合。此时由于力矩平衡，复印机上盖可以在任意角度悬停。当铰链开闭角度小于峰值时，20度时上盖质量矩可以克服铰链扭矩与静摩擦力产生的扭矩，复印机上盖可以开始下落。当铰链闭合时开闭角度等于零，此时上盖质量矩克服铰链扭矩后仍有比较多的余量，可以为复印样张提供一定压力，保证复印样张可以被压平在复印面上不会移动，提供更好的复印效果。

考虑到实际产品运动时可能出现的滑动摩擦力和静摩擦力，在设计过程中给出了一定的余量，峰值由理论要求的15度拖后至实际的20度之后。

以下简述下本发明对于加厚纸本的复印扫描原理，

对于加厚纸本的复印扫描，现有的铰链结构不能使打印机或复印机盖板对纸本按压到位，使其扫描件出现阴影、暗角的缺陷。本设计同时解决了加厚纸本的复印扫描问题。

当加厚纸本被放置于扫描面上时，本铰链设计允许上盖同时沿连接轴33与第三连杆51旋转。上盖可以稳稳按压在加厚纸本上，避免扫描件出现阴影或暗角的问题。

要满足以上要求，需确保按压力在可承受范围内。由力的分析可知，用户需要对上盖施加一定压力才能将上盖按压在加厚纸本上。

结合上述公式及原理，本装置的扭矩的计算方程为：

M_h＝K*(D_o-D_a)*L_a

对于加厚纸本的案例，相似的，

M_t＝K*(D_o-D_p)*L_p

F_p＝M_p/L_t＝2×M_t/L_t

其中Mt是复印加厚纸本时的铰链扭矩，Lp是此时的力矩，Dp是此时弹簧的长度(压缩后的长度)，Do是未受力情况下的弹簧自由长度，K是弹簧系数。由Mt便可计算出用户对上盖所施加的压力Fp。Lt是用户克服铰链扭矩所需的力矩。

通过对设计模型进行运动轨迹分析，Dp，Lp，Lt的数值变化绘制如图10所示。将变量Dp，Lp，Lt及前述弹簧参数带入方程，则前述Mt，Fp可绘制如图11所示。经验证，用户向上盖施加的最大下压力为约14N，为可承受范围内。

本发明尚有多种具体的实施方式。凡采用等同替换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。