转杆槽簧机构设计应用实例研究

孟 莹

（昆明铁道职业技术学院，云南昆明 650208）

1 转杆槽簧机构

1.1 机构概述

转杆槽簧机构是一种利用转杆控制，通过导槽与弹簧配合将转杆旋转运动转化为沿导槽的垂直运动的机械结构。在实际应用过程中，转杆槽簧机构通过手动操控机械结构，利用结构优势特性，在运动过程中相比其他手动操控方式在运动平滑性上具有明显优势。

转杆槽簧机构作为现有螺旋机构的替代方式，在实现螺旋传动固有功能的前提下，相较于螺旋机构，转杆槽簧机构具有成本低廉，结构简单，轻量化设计方面具有显著优势，在摄影器材及其他升降支架领域有显著应用前景。

1.2 工作原理

转杆槽簧机构如图1 所示：底板上开设有固定腔，腔的一侧内壁上开设有转槽，转杆在转槽内转动，转杆的一侧延伸至固定腔之外，并安装有手柄；支架与底板固结在一起，支架的顶部开设有固定槽，固定槽的一侧内壁上开设有凹槽，凹槽的内壁固定安装一根细的圆柱轴，轴上套有弹簧，连接座套装在圆柱轴上，并安装在弹簧上方，与弹簧固定，弹簧的另一端固定在凹槽底部，连接座可沿轴上下滑移；固定槽内安装有升降板，升降板可沿固定槽上下滑移，连接座的一侧延伸至固定槽内并固定安装在升降板上。

图1 转杆槽簧机构结构

在使用过程中，升降板的顶部延伸至固定槽的外侧用于固定安装物体，通过升降板的两侧都固定安装有方板，升降板的一侧开设有圆柱孔；圆柱孔与固定槽相连通，圆柱孔内安装有滑板，滑板可沿圆柱孔左右滑动；圆柱孔的底部内壁上开设有连接槽，连接槽的两侧内壁上固定安装一个细的圆杆，圆杆上套有弹簧，同时还安装有连接块；连接块的一侧固结于弹簧的一端，弹簧的另一端固定安装在连接槽的内壁上，连接块的顶部固定安装在滑板的底部。

底板转槽的侧壁上开设有环形滑槽，转杆上设有环形滑块，环形滑块滑动安装在环形滑槽内。同时转杆上固定套装有两个对称设置的绕线轮，细绳的一端固定在绕线轮上，细绳的另一端固定安装在方板的底部。

利用升降板的一侧开设有多个卡槽，滑板的一侧延伸至卡槽内并与卡槽相卡装，卡槽的数量为5～10 个且等间距间隔设置。固定槽的侧壁上设有密封圈，升降板通过密封圈与固定槽滑动密封圈连接。

2 应用背景

因作业过程中，摄影摄像设备对支架所承载的升降运动的平滑程度和速度都有较高的要求，同时摄影摄像三角支架在使用过程中，与其所配合的设备具有高重量及易碎易损的特性，目前市场上使用的摄影摄像三脚支架大多数是手动控制的螺旋机构。但同时也因为设备载荷过重和操作手柄旋转过程中所存在的死点问题，共同导致了云台通过螺旋机构，利用人工手摇升降设备时难以保持匀速运动，且在抬升设备过程中需要同时承担螺旋传动的摩擦阻力及设备重量，致使设备摇升缓慢、速度不均的现象。但是在实际应用现场，特别是纪实摄像作业中，这一现象会严重影响拍摄质量，甚至错失关键画面。

转杆槽簧机构作为螺旋机构的替代解决方案则可以很好地解决这一问题。转杆槽簧机构不同于螺旋机构它通过导槽与弹簧配合为设备提供垂直方向的力，从而实现设备的升降移动。与常见的螺旋机构解决方案相比，转杆槽簧机构无需转杆扭矩做功在设备上，无需操作者负载设备升降所需要的力。因此认为通过转杆槽簧机构替代螺旋机构，可以大大缓解由操作者手动操作过程中发力不均匀所带来的设备升降速度不均的使用情况。机构通过将设备负载由操作者替换为内部承力弹簧，从而实现支架设备的平滑升降。

3 应用实列

基于上述应用背景，转杆槽簧机构被论证在相机三脚支架上具有实际应用优势。基于该机构实用场景的研究，所设计的摄影摄像用三角支架云台系统已申请中国国家新型实用专利。该专利机架包括底板、支架、转杆、连接座、升降板等主要部件组成（图1）：底板上开有固定腔，固定腔的一侧内壁上开有转槽，转杆安装在转槽内，转杆的一侧延伸至固定腔之外并装有手柄；支架固结在底板上方，支架的顶部开有固定槽，固定槽的一侧内壁上开设有凹槽，凹槽内安装一个细的圆柱，细圆柱两端与凹槽的上下内壁固定；弹簧套装在细圆柱上，同时连接座也套装在细圆柱上，并与弹簧的一端固定，弹簧的另一端固定在凹槽的底部；升降板安装在固定槽内，并可以上下滑移，连接座的一端延伸到固定槽内并与升降板固结在一起。

升降板的顶部延伸到固定槽的外侧并用于固定安装相机，升降板的两侧均固定安装方板。支架的另一侧开有圆柱孔，圆柱孔与固定槽相连通，滑板安装在圆柱孔内（推板与滑板固定在一起），并可以左右滑移。在圆柱孔的底部开设连接槽，连接槽的左右两侧内壁上固定安装一个细圆杆，细圆杆上套装一根弹簧，同时还套装有连接块，连接块的一侧与弹簧的一端固定，弹簧的另一端固定在连接槽的内壁上，连接块可沿细圆杆左右滑移，连接块的顶端固定安装在滑板的底部（图2）。

图2 滑板及弹簧结构

底板转槽的侧壁内开有环形滑槽，转杆上设有环形滑块，环形滑块安装在环形滑槽内，滑块与滑槽间可做相对滑动（图3）。通过环形滑槽和环形滑块的设置从而能够使得转杆在转槽内平稳的进行转动。同时在转杆上对称设置了两个绕线轮，细绳的一端固定在绕线轮上，另一端固定安装在方板的底部，通过转动绕线轮带动细绳收缩从而带动方板进行升降运动。升降板的一侧开有多个卡槽，滑板的一侧延伸至卡槽内，滑板延伸至卡槽内的一端设计成锲形结构，方便与卡槽卡装，使滑板能对升降板进行限位（图2）。卡槽的数量为5～10 个为宜且每个卡槽间的距离相等，通过多个卡槽与滑板的配合从而将升降板固定在不同的高度。固定槽的侧壁上设有密封圈，升降板通过密封圈与固定槽上滑动密封圈的连接，从而减少了升降板在升降时所受到的摩擦力。当需要对相机进行调节时，转动手柄，手柄带动转杆转动，转杆带动绕线轮转动，从而绕线轮带动细绳进行收缩，细绳收缩则带动方板进行升降，方板升降则带动升降板进行升降，从而带动相机进行升降。升降板升降时卡槽挤压滑板，使滑板左右滑移，滑板向右滑移时使得弹簧被压缩，弹簧处于压缩状态，当相机升降到合适位置时停止转动手柄，滑板便会在弹簧的弹力作用下卡入卡槽内，便可完成对升降板的限位。升降板固定后使得相机固定，便于人们使用。

图3 转杆结构

4 结束语

作为螺旋机构的同功能解决方案，转杆槽簧机构在实现螺旋机构通过曲柄旋转操控目标垂直方向移动的基础上，通过导槽弹簧配合，提出一种更加适合手动操作应用场景的解决方案。与常规手动支架升降结构中的螺旋机构相比，转杆槽簧机构具有成本低廉、结构简单、轻量化设计等优势。

同时该方案在对现有市场上相机三脚支架是手动控制螺旋机构的研究基础上，针对实际使用场景进行分析后提出的一种切实可行的适用结构，通过对相关结构应用场景的研究，认定这一方案将在需要手动操控的升降机构领域中发挥一定的作用，并尝试在螺旋机构应用范围显著且具有不可替代性的摄影摄像三角支架云台上给出具体可行改进设计方案，并已申请中国国家新型实用专利，旨在提升摄影摄像作业效率，改善摄影摄像操作困境。