工业设备多功能可折叠支架的设计与验证

万典华 WAN Dian-hua；万伏初 WAN Fu-chu

（广东万喜至工业设计有限公司，广州 510000）

0 引言

工业设备在现代生产和制造中起到了关键作用，然而，如何有效地管理和布置工业设备上的显示器、键盘和鼠标等外部设备一直是一个具有挑战性的问题。传统的支架设计在满足多样化需求方面存在局限性，这促使了对更灵活、多功能的解决方案的需求。本研究旨在填补这一技术空白，提出一种创新的工业设备多功能可折叠支架的设计与制造方法。随着工作环境的不断演变，工业设备需要适应不同的工作站布置、显示器尺寸和外部设备需求。传统的支架往往无法满足这些多样性的要求，因此需要一种全新的方法来解决这一问题。本研究的动机在于提供一种灵活、可定制的支架设计，使工程师能够根据其需求轻松地调整显示器高度、角度和外设接口，从而提高工作效率和操作员的工作体验[1]。本研究的目的是通过深入研究支架的结构组成、旋转组件、升降块和显示器安装、外设接头开孔以及鼠标键盘架等关键部件，提出一种创新的多功能可折叠支架设计，解决工业设备领域常见的问题。通过这一研究，希望填补现有技术的不足，为工程师和操作员提供更好的工作工具，从而提高工作效率和舒适性。

1 设计方案

工业设备多功能可折叠支架具有出色的调节性能，以满足不同的工作需求。用户可以轻松地调整显示器的高度位置，以确保其在不同工作环境中的舒适度和可视性。此外，支架还具有角度调节功能，使用户能够按照个人偏好来设置显示器的观看角度[2]。这种灵活性使得支架非常适用于需要长时间工作的操作员，他们可以根据需要进行调整，减轻工作压力并提高工作效率。图1 是工业设备多功能可折叠支架的结构组成。

图1 工业设备多功能可折叠支架

1.1 旋转组件

旋转调节块位于安装板底部，具备特殊的结构，包括缺口、螺纹孔和圆柱孔。通过旋转螺钉的拧紧或松开，可以调整缺口的大小，进而改变圆柱孔内体积的大小。这个结构允许支架的角度和高度进行调节。旋转连接块与旋转调节块相连接，并通过带螺纹转轴与鼠标键盘架连接。旋转连接块与旋转调节块之间设置有旋转轴套，其长度小于旋转调节块两端圆孔中心的连线长度，以确保稳定性。带螺纹转轴是与鼠标键盘架连接的要件，其一端通过开槽固定在鼠标键盘架上，另一端通过旋转连接块与旋转调节块连接。这个结构允许鼠标键盘架的旋转和调节。见图2。

图2 新型旋转组件结构示意图

1.2 升降块和显示器安装

支架的升降块位于安装板上端，具备适配显示器安装孔的特点。升降块的高度可以通过螺丝安装在安装板上的条形安装孔进行调节。这种设计允许根据用户的身高需求来调整显示器的高度位置，从而提供更加舒适的工作体验[3]。

1.3 外设接头开孔

支架的安装板上设置了外设接头开孔，用于安装usb接口、网线接口和按钮等外设。这些开孔的形状和大小可根据具体外设的接头要求来设计，以满足不同外设的连接需求[4]。

1.4 鼠标键盘架

鼠标键盘架位于支架的前方，用于放置键盘和鼠标。其表面具备一个沉台，用于稳固地放置键盘和鼠标。鼠标键盘架的设计允许在不凸出的情况下安装沉头螺钉，以确保外观美观。见图3 和图4。

图3 新型鼠标键盘架折叠状态示意图

图4 新型鼠标键盘架展开状态示意图

此外，过线臂是支架的关键组成部分之一，其一端通过普通转轴与安装座连接，另一端通过关节轴套与安装板连接。过线臂采用半圆形设计，其中一端具备圆光孔，用于与普通转轴的连接，而另一端也具备相似的结构，与安装板连接，并通过关节轴套与安装板相连接。普通转轴是过线臂与安装座之间的连接要件，其一端与过线臂的圆光孔相匹配，使过线臂能够自由旋转。普通转轴的端面具备螺纹孔，以便用转轴螺钉进行固定连接。安装座是支架的基础部分，通常通过螺钉安装在工业设备上。在安装座上方设有过线孔，用于通过线缆等连接设备。同时，安装座的另一端具备沉台轴孔，用于安装转轴，以确保整个支架的稳定性。关节轴套连接过线臂与关节转轴，使其能够相对旋转。关节轴套通过螺钉与安装板连接，以确保连接牢固。

2 工业设备多功能可折叠支架的测试与验证

为了进一步验证上述多功能折叠支架的正确性，将对显示器臂体支架的主要零部件进行实物组装装配，然后再用专业质量检测设备进行相关设计技术参数的测量，并实时将实际样品的测量数据进行分析，最终验证设计技术方案的合理性和可靠性[5]。

2.1 连接板组件和枢轴头组件的功能测试和验证

将连接板组件和枢轴头组件组装在一起，然后用螺钉将6.0kg 显示重量量块拧紧到连接板上。最后，将整个部件固定在实验台上，左右转动测重块，轴套可以在塑料锥套中轻松旋转360°而不会卡住[6]。使用扭矩扳手向摩擦锁定机构施加10.0N·m 的设计恒定扭矩（图5），然后用手以30°的角度上下拉动称重块500 次。实验完成后，观察称重块仍能保持水平。

图5 螺丝扭矩测量及数值

用电子数字扭矩扳手测量试验后安装螺钉的最大扭矩为9.47N·m（图5），表明经过500 次上下拉力试验后，扭矩值逐渐减小。计算出的滑动摩擦力为76.3N，仍大于配重块的58.8N，表明摩擦锁紧机构满足设计技术要求。如果扭矩值降低到无法支撑重量量块的程度，并且出现掉落现象，可以使用六角扳手再次拧紧安装螺钉，以确保足够的滑动摩擦。

2.2 大、小臂体组件的功能测试和验证

将外观合格的大小臂部件放在检查台上，大小臂圆形端部有减少的料坑；电缆下盖设计有悬臂钩扣，确保电缆下盖向前滑动时，下盖上的突出点能够准确地滑入臂体上的卡槽中，确保下盖不会松动或脱落。

上部和下部斜楔的角度分别为45°和30°，滑动楔的上部和下部斜坡与上部和下部倾斜楔的角度紧密匹配；楔形物的边缘和角落已被倒角和倒圆（见黑色），以确保立杆顺利穿过楔形环，并且不会相互干扰。将三段斜楔块轻松地安装在臂体的斜楔槽中，然后组装弹性挡圈。三段式斜楔块可在斜楔槽内自由移动，翻转左右摆动，斜楔块不会从斜楔槽中脱落[7]。

拧紧螺帽前用数字卡尺测量楔锁环内孔尺寸φ40.73，如图6 左图所示；拧紧螺帽，锁紧后测量楔锁环内孔尺寸φ39.18，如图6 右图所示；可以清楚地看到，锁定前环的内孔尺寸大于立杆外径φ39.53，锁定环的内孔尺寸小于立杆外径Φ39.53，楔形环可以有效地将楔块锁定在立杆上。通过计算，可以得出滑动楔行程为0.6mm，与设计方案中0.5mm 的理论值大致相等。

图6 斜楔锁紧前内孔尺寸及斜楔锁紧后内孔尺寸

2.3 显示器支架的功能测试和验证

如图7 左图所示，将旋转臂组件安装在立杆组件上，臂组件离桌面的高度应为225mm。安装前使用数字高度计测量支架的高度尺寸，并将其高度位置设置为参考零点。在显示器支架上安装一个6.0kg 的显示器称重块，如图7 右图所示。安装后，用数字高度计测量显示器支架基准零点处的高度差为7.13mm，表示支架安装后有明显变形；与臂部件设计结论中10.7mm 的最大位移变形相比，两者近似相等，表明显示器支架的整体刚度和强度满足初步设计技术要求。

图7 显示器支架基准零点示意图及变形示意图

总之，通过上述一系列的实物装配功能实验测试，将其实验测试值与本文设计的结构数据作对比，其测试值与理论数据基本一致，说明设计的零件模型模拟受力变形情况与实际零件工作状态是基本相一致的，设计的参数是合理的、有效的、可靠的[8]。

2.4 多功能折叠支架的应用效果分析

多功能折叠平板支架采用铝合金材质，重量大约380克，折叠之后大小相当于2 个kinde 阅读器的体积。最大承重高达1000 克；承载力十足，非常结实。

多功能支架转轴通过三颗螺丝固定连接牢靠，并且底座下部安装了硅胶垫，将支架往桌面上一放，稳稳当当紧抓桌面，既防滑又防刮蹭，360 度旋转支架，轻轻转动，分享屏幕方便快捷[9]。

双转轴设计可以多角度调节高低俯仰，满足各种角度的需求。下面的转轴可以调节180 度的范围，设备放置上去，可以平放，可以垂直，使用方便。

脚托弯钩设计，在稳妥地卡住平板的同时，可以避免平板电脑与金属支架硬接触的磨损。中间镂空设计，有利于设备长时间使用过程中方便散热，两侧、弯钩和面板下方这些和pad 接触的地方都贴心的有硅胶条，在设备放置后，加大了摩擦力，固定设备更加牢固，还能防磕碰和刮花，转轴设计比较紧，这样更加保证了放置的设备不易因重量而下降，保护了设备的安全[10]。

3 结束语

本文旨在解决工业设备领域中常见的问题，即如何有效地管理和布置工业设备上的显示器、键盘和鼠标等外部设备，通过深入研究支架的结构组成、旋转组件、升降块和显示器安装、外设接头开孔以及鼠标键盘架等关键部件，提出了一种创新的多功能可折叠支架设计，并详细讨论了其制造过程。以满足不断发展的工作需求，并推动工业设备领域的技术进步和创新。这将有助于提高工作效率、降低操作风险，为工程师和操作员创造更加便捷和舒适的工作环境。