一種移動環(huán)境下顯控終端固定操作裝置的結構設計與分析

邵 將 徐興盛

（中國電子科技集團公司第二十二研究所，山東青島 266107）

0 引言

顯控終端操作使用時需要一個穩(wěn)定可靠、操作舒適的操作平臺，這個條件在室內或地面很容易達成，但隨著現(xiàn)在使用需求的多樣化，需要在車、船、機等移動環(huán)境下進行顯控終端操作的情況越來越多，此類移動環(huán)境往往存在空間狹小、操作平臺抖動等缺陷，因此很難得到一個滿足使用要求的固定操作平臺。

傳統(tǒng)的顯控終端在移動環(huán)境下使用時，一般采用兩種方法：第一種是在移動載體內部設計安裝操作席位及操作員座椅，然后將顯控終端安裝在席位上，這種方法的不足之處是需要占用移動載體內部較大的空間來安裝席位及操作員座椅；第二種是在移動載體內部尋找可供利用的載體自身的安裝平臺，這種方法的不足之處是操作位置只能在特定地點，例如副駕駛座椅前方、車輛輪轂包上方等處，不能滿足其余乘員的操作使用要求。同時，現(xiàn)有的終端支座普遍存在體積及重量大、鎖定不牢固、間隙抖動、無法調節(jié)高度、旋轉時無阻尼等不足之處。

1 設計思路

本文提出了一種顯控終端固定操作裝置的設計，其可安裝在運輸載體內乘員座椅靠背后方、載體內壁等部位，占用空間小，不影響操作人員的活動，人機效果較好，且安裝操作方便，便于維修及拆裝，如圖1所示。

圖1 固定操作裝置安裝示意圖

2 結構設計

2.1 設計要求

顯控終端固定操作裝置的使用特性決定了該操作裝置的重量、使用需求等，具體如下：

（1）固定操作裝置重量≤3.5 kg；

（2）操作模式：具備顯控終端高度調節(jié)、旋轉定位及收放功能；

（3）安裝環(huán)境為輪式車時，固定操作裝置變形量≤5 mm。

2.2 結構組成

如圖2所示，該固定操作裝置由滑軌、升降固定板、側旋座、彈性拉手、側彈性拉手、終端支座等六部分組成，整體重量約為3.1 kg。兩根帶有定位孔的滑軌豎向設置，在兩根滑軌之間安裝可沿滑軌上下滑動的升降固定板，升降固定板的左右兩端安裝彈性拉手，在升降固定板的左右兩端各設置一個側旋座，在左側側旋座上設置側彈性拉手，在兩個側旋座之間鉸接終端支座。

圖2 固定操作裝置結構示意圖

2.2 .1 滑軌

滑軌左右兩側為對稱設計，由厚度為10 mm的鋁板銑加工而成，滑軌的高度決定了固定操作裝置調節(jié)高低的范圍，可按照實際需求設計；滑軌上設計了安裝孔及定位孔，安裝孔用于將固定操作裝置螺裝在載體內部，定位孔用于確定終端的工作位置；同時，在滑軌上安裝止滑復合材料簧片，該止滑阻尼簧片的彈力與顯控終端及其固定操作裝置的重量之和相等[1]，對終端的升降起阻尼作用。滑軌結構如圖3所示。

圖3 滑軌結構示意圖

2.2 .2 升降固定板

升降固定板由厚度為6 mm的鋁板銑加工而成，為減輕重量及提升美觀度，在其上設計系列矩形臺階孔。該零件連接左右滑軌，安裝后可根據(jù)使用需求在滑軌上下移動，如圖2所示。

2.2 .3 側旋座

側旋座左右兩側為對稱設計，由厚度為25 mm的鋁板加工而成，內部設計有弧形槽，用于實現(xiàn)終端的旋轉功能，同時弧形槽的弧度決定了終端旋轉角度的大小，可根據(jù)使用需求確定弧度參數(shù)。

2.2 .4 彈性拉手及側彈性拉手

彈性拉手及側彈性拉手的構成一致，均由橢圓柄、定位銷、彈簧組成，其中彈性拉手安裝在左右導軌，側彈性拉手安裝在左側側旋座。

兩種彈性拉手的定位銷在彈力作用下插入滑軌定位孔及終端支座定位孔，在受到外力時定位銷可自由拉出；當外力消失時，彈力解除，定位銷恢復狀態(tài)，插入定位孔。

2.2 .5 終端支座

終端支座是顯控終端的安裝基體，由厚度為5 mm的鋁板銑加工而成，為減輕重量及提升美觀度，將其設計為對三角鏤空形式。該零件連接左右側旋座，同時在左右兩側設計系列定位孔，用于滿足顯控終端在不同角度的工作需求，如圖2所示。

2.3 操作方法

顯控終端固定放置在終端支座上，在需要調節(jié)顯控終端高度時，操作人員雙手同時將升降固定板左右兩端彈性拉手的定位銷從滑軌定位孔中拔出，解除對升降固定板的鎖定便可使其自由沿滑軌上下滑動，旋轉彈性拉手使之離開預設位置后可解除其彈力[2]，通過上下調整升降固定板將顯控終端調節(jié)至舒適高度后，回旋彈性拉手使之返回預設位置以恢復其彈力，升降固定板彈性拉手的定位銷在彈性拉手彈力作用下插入滑軌定位孔中，使升降固定板鎖定在滑軌上，無法再沿滑軌上下滑動，如圖4所示。

圖4 固定操作裝置升降操作示意圖

在需要調節(jié)顯控終端角度時，操作人員將側旋座上的彈性拉手定位銷從終端支座的定位孔中拔出，解除對終端支座的鎖定便可使其繞側旋座轉動，終端支座繞側旋座擺動的角度范圍為0°～100°，通過轉動終端支座將顯控終端調節(jié)至舒適角度后，回旋彈性拉手使之返回預設位置以恢復其彈力，側旋座上彈性拉手的定位銷在彈性拉手彈力作用下插入終端支座定位孔中，使終端支座鎖定在側旋座上，無法再繞側旋座擺動，如圖5所示。

圖5 固定操作裝置旋轉操作示意圖

3 建模及仿真分析

3.1 模型構建

圖6為一個支架結構的仿真模型，模型主要包括固定操作裝置和終端兩部分。其中，固定操作裝置結構按照實際尺寸構建，各部件之間按照實際方式施加相應約束。將終端設計為剛體，參考外形尺寸構建。將固定操作裝置與終端的4個安裝孔固定。

圖6 結構仿真模型

3.2 仿真分析

3.2 .1 輸入激勵

根據(jù)《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第16部分：振動試驗》（GJB 150.16A—2009）中表C.7和圖C.3獲得隨機振動中組合輪式車振動環(huán)境的加速度功率譜密度曲線，如圖7所示。使用圖7的曲線作為系統(tǒng)的輸入激勵，輸入激勵的位置為支架背后的6個固定孔位。

圖7 隨機振動環(huán)境的加速度功率譜密度曲線

3.2 .2 仿真結果分析

圖8和圖9分別為支架結構在隨機振動作用下的位移和應力仿真結果。按照高斯分布的三區(qū)間法，計算的應力和變形在區(qū)間[-3σ，3σ]的概率為99.73%，則應力和變形小于圖8和圖9中最大值數(shù)值的概率為99.73%。從圖8可知，支架的最大應力為101.89 MPa，遠小于支架結構材料的許用應力σ0.2=225 MPa，圖中Ⅰ區(qū)域為最大應力出現(xiàn)的位置，從圖中可以看出應力較大的范圍很小。由圖9不難發(fā)現(xiàn)，支架系統(tǒng)的變形量不大，最大變形量僅為0.52 mm，滿足支架設計對于振幅的要求。由此可知，支架設計滿足振動環(huán)境的要求。

圖8 結構變形圖

4 結語

本文的設計拋棄了傳統(tǒng)的移動載體內顯控終端的安裝固定方式，采用了一種輕小型的翻轉背架，具有易加工、重量輕、使用方便、變形小、節(jié)約空間等優(yōu)點，這對移動載體內部顯控終端等類似設備的安裝固定設計具有一定的指導意義。

圖9 結構應力圖