渐开式折弯装置及其设计方法与流程

本发明涉及一种折弯过程可控的折弯技术，适用于柔性体、半刚性体的折弯设计和实施。本发明可有效控制折弯过程中的各项参数(轨迹、折弯半径等)，防止柔性或半刚性体在折弯过程中出现折弯半径失控、扭转、打结等异常现象。

背景技术：

柔性体、半刚性体的折弯普遍存在于各类型机构中，如电缆的折弯、绳索的折弯、弹性带的折弯等。通常情况下，为了提高折弯的可靠性和被折弯件的性能，需要防止折弯过程中出现折弯半径失控、扭转、打结等异常现象，这就需要对折弯部位进行特殊设计。图1给出了某收展机构中电缆的折弯示意图。

可以看出，该方案可实现电缆的折弯，但存在如下缺点：

1、电缆折弯前、折弯后均处于松弛状态，抗力学性能差(如微振动环境)。

2、电缆多次折弯无法保证其折弯半径为同一数值，即折弯半径为随机数，因此该折弯方案难以保证电缆的电性能(通常电缆均有最小折弯半径要求)。

3、折弯过程中，在外界载荷干扰下易发生电缆扭绕甚至打结，严重影响电缆性能，甚至将影响机构的收展功能。

为确保电缆折弯不影响机构的收展功能和电缆的电性能，需要设计一种在收展过程中电缆状态可控的收展方案，即在收展过程中的任意状态电缆的位置和折弯半径均确定是唯一的。

技术实现要素：

为了克服上述现有折弯技术在机构应用的缺点，本发明的目的在于提供一种针对柔性体、半刚性体的折弯装置及其设计方法，该装置可以保证在折弯过程中柔性体、半刚性体状态唯一的(即状态实时受控)，且不影响机构运动功能。

本发明的技术方案为：

所述一种渐开式折弯装置，包括固定件、活动件和折弯体；固定件与活动件铰接；折弯体一端固定在固定件上，另一端固定在活动件上；其特征在于：还包括固定安装在固定件上的固定外轮廓装置以及固定安装在活动件上的活动外轮廓装置；所述固定外轮廓装置以及活动外轮廓装置的外轮廓为多次曲线；

在折弯过程的起始时刻，折弯体的状态为以下某一种状态：

状态1：折弯体处于直线状态，且折弯体与固定外轮廓装置和活动外轮廓装置的外轮廓相切；

状态2：折弯体与固定外轮廓装置和活动外轮廓装置的外轮廓部分贴合，固定外轮廓装置与活动外轮廓装置之间的折弯体处于直线状态，且处于直线状态的折弯体与固定外轮廓装置以及活动外轮廓装置的外轮廓相切；

在折弯过程中，固定外轮廓装置与活动外轮廓装置之间直线状态折弯体同外轮廓的两个切点之间的长度，以及折弯体与固定外轮廓装置和活动外轮廓装置的外轮廓贴合部分的长度之和为常数，等于折弯体长度。

所述一种渐开式折弯装置的设计方法，其特征在于：固定外轮廓装置和活动外轮廓装置的外轮廓曲线通过以下过程得到：

折弯体在固定件上的固定点为点p，在活动件上的固定点为点q；

建立固定外轮廓装置外轮廓P曲线的曲线方程Y＝∑A_iXⁱ以及活动外轮廓装置的外轮廓Q曲线的曲线方程y＝∑a_ixⁱ；X、Y和x、y分别为P、Q曲线上点坐标，A和a为多项式系数，i＝0,1,2,3......N；

根据活动件相对固定件的转角θ_j，得到折弯过程中Q曲线的曲线方程为y^j＝∑a^j_i(x^j)ⁱ，其中a^j_i＝g(a_i,θ_j)；

根据p点坐标、q点坐标、P曲线方程、Q曲线方程，计算p点与折弯体在固定外轮廓装置外轮廓贴合部分靠近p点的切点的距离L^p_j、q点与折弯体在活动外轮廓装置外轮廓贴合部分靠近q点的切点的距离L^q_j、P曲线与Q曲线公切线长度L^PQ_j、折弯体在固定外轮廓装置外轮廓贴合部分弧长l^P_j、折弯体在活动外轮廓装置外轮廓贴合部分弧长l^Q_j；得到L_j＝L^p_j+L^q_j+L^PQ_j+l^P_j+l^Q_j＝f(A_i,a_i,θ_j)，令L_j＝L得到关于A_i、a_i、θ_i的方程f_j(A_i,a_i,θ_j)＝0，L为折弯体长度；

将总折弯角度分为2N段，得到2N个方程f_j(A_i,a_i,θ_j)＝0，j＝1,2,3,......2N，求解2N个方程组成的方程组，计算得到P、Q曲线的多项式系数A和a，得到P、Q曲线方程；

根据得到的P、Q曲线方程，计算折弯过程中L^p_j+L^q_j+L^PQ_j+l^P_j+l^Q_j与L的差值最大值ΔL，若ΔL在设计允差范围内，则设计完成，否则将总折弯角度从2N段变为2(N+1)段，重新计算P、Q曲线方程。

有益效果

采用本发明的装置和设计方法，在折弯前，折弯体为直线段或直线段和外轮廓贴合段组成，折弯过程为将折弯体与外轮廓贴合的过程，折弯过程中任意位置折弯体的直线段长度与外轮廓贴合段长度和均为同一常数，即折弯体折弯过程中仅受折弯而不受拉伸和压缩。根据使用的场合不同，为保证任意折弯中间位置直线段长度与外轮廓贴合段长度和始终为同一常数，需要将固定外轮廓装置和活动外轮廓装置的外轮廓设计为二次曲线、三次曲线或多次曲线。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：某收展机构中电缆折弯示意图

图2：本发明折弯前装配关系图；

图3：本发明折弯过程中装配关系图；

图中：1.固定件；2.转动件；3.固定外轮廓装置；4.活动外轮廓装置；5.折弯过程中的折弯体；6.折弯前的折弯体。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本实施例中的一种渐开式折弯装置，以电缆折弯为例。包括固定件、活动件和电缆，还包括固定安装在固定件上的固定外轮廓装置以及固定安装在活动件上的活动外轮廓装置。固定件与活动件铰接；电缆一端固定在固定件上，另一端固定在活动件上；所述固定外轮廓装置以及活动外轮廓装置的外轮廓为多次曲线。

在折弯过程的起始时刻，电缆的状态为以下某一种状态：

状态1：电缆处于直线状态，且电缆与固定外轮廓装置和活动外轮廓装置的外轮廓相切；

状态2：电缆与固定外轮廓装置和活动外轮廓装置的外轮廓部分贴合，固定外轮廓装置与活动外轮廓装置之间的电缆处于直线状态，且处于直线状态的电缆与固定外轮廓装置以及活动外轮廓装置的外轮廓相切。

在折弯过程中，固定外轮廓装置与活动外轮廓装置之间直线状态电缆同外轮廓的两个切点之间的长度(即固定外轮廓装置的外轮廓曲线与活动外轮廓装置的外轮廓曲线的公切线长度)，以及电缆与固定外轮廓装置和活动外轮廓装置的外轮廓贴合部分的长度之和为常数，等于电缆长度。

那么固定外轮廓装置和活动外轮廓装置的外轮廓曲线设计过程为：

a)建立电缆在机构中的压紧固定位置模型，模型对应电缆折弯前位置，设计电缆固定点，两固定点间电缆长度为L，电缆在固定件上的固定点为点p，在活动件上的固定点为点q。

b)建立固定外轮廓装置外轮廓P曲线的曲线方程Y＝∑A_iXⁱ以及活动外轮廓装置的外轮廓Q曲线的曲线方程y＝∑a_ixⁱ；X、Y和x、y分别为P、Q曲线上点坐标，A和a为多项式系数，i＝0,1,2,3......N。

c)设折弯过程中，活动件相对固定件的转角为θ_j，由于固定件固定不动，因此P曲线方程仍为Y＝∑A_iXⁱ，而通过坐标变换可得到与θ_j对应的Q曲线的曲线方程为y^j＝∑a^j_i(x^j)ⁱ，其中a^j_i＝g(a_i,θ_j)；根据p点坐标、q点坐标、P曲线方程、Q曲线方程，计算p点与折弯体在固定外轮廓装置外轮廓贴合部分靠近p点的切点的距离L^p_j、q点与折弯体在活动外轮廓装置外轮廓贴合部分靠近q点的切点的距离L^q_j、P曲线与Q曲线公切线长度L^PQ_j、折弯体在固定外轮廓装置外轮廓贴合部分弧长l^P_j、折弯体在活动外轮廓装置外轮廓贴合部分弧长l^Q_j；得到L_j＝L^p_j+L^q_j+L^PQ_j+l^P_j+l^Q_j＝f(A_i,a_i,θ_j)，令L_j＝L得到关于A_i、a_i、θ_i的方程f_j(A_i,a_i,θ_j)＝0，L为折弯体长度。

d)将总折弯角度分为2N段，得到2N个方程f_j(A_i,a_i,θ_j)＝0，j＝1,2,3,......2N，求解2N个方程组成的方程组，计算得到P、Q曲线的多项式系数A和a，得到P、Q曲线方程。

e)根据得到的P、Q曲线方程，计算折弯过程中L^p_j+L^q_j+L^PQ_j+l^P_j+l^Q_j与L的差值最大值ΔL，若ΔL在设计允差范围内，则设计完成，否则将总折弯角度从2N段变为2(N+1)段，重新计算P、Q曲线方程。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。