小球矩陣機(jī)械結(jié)構(gòu)輕量化分析與設(shè)計

尹愛

摘要：利用模組塊方式，使每一個電機(jī)，制動系統(tǒng)、小球和驅(qū)動器安裝在一同鈑金支架上，組成一個模組。再把這個模組整個安裝在系統(tǒng)框架上，結(jié)構(gòu)輕巧，安裝和維護(hù)方便、快捷。

關(guān)鍵詞：電機(jī)；制動系統(tǒng)；小球；驅(qū)動器；模組件；輕量化

中圖分類號：TH123 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）07-

上海世博會上，某科技館有一種小球展示的表演叫小球矩陣演示項目，空曠的展會大廳上空懸掛著數(shù)百個矩陣小球，每個小球與一個電機(jī)通過線相連。當(dāng)計算機(jī)通過運(yùn)動控制器對各個電機(jī)發(fā)送不同的速度、加速度、位置和運(yùn)動時間，小球做上、下運(yùn)動，隨著時間變化就能表現(xiàn)出壯觀的動態(tài)造型和圖案，整體效果如同一副流光溢彩的立體畫，給觀眾帶來不一樣的立體動態(tài)視覺沖擊，效果十分搶眼，如圖1所示。矩陣展示是科技與藝術(shù)的完美結(jié)合，是當(dāng)今新媒體現(xiàn)代藝術(shù)演示的最新成果。同時這是一個非常完美的文化產(chǎn)品，能更好地為企業(yè)文化服務(wù)，是文化強(qiáng)企戰(zhàn)略的重要組成部分。

這個龐大而復(fù)雜的項目包括了多個系統(tǒng)，而其中重達(dá)數(shù)噸的機(jī)械系統(tǒng)全是安裝在樓層或樓頂上，特別當(dāng)小球在運(yùn)動時，對安裝橫梁要有更高的要求，桁架要承受更多的載荷和在小球工作中承受交變應(yīng)力。這時，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計對安裝梁的安全性和運(yùn)行中小球的平穩(wěn)性都很重要，因此要設(shè)計一種機(jī)械結(jié)構(gòu)巧、重量輕、運(yùn)行穩(wěn)定的機(jī)械系統(tǒng)，即設(shè)備的輕量化設(shè)計顯得尤為重要。

1 輕量化的設(shè)計過程

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，先來了解其工作原理。一個小球由線懸掛在一個連接有電機(jī)的線輪上，電機(jī)帶有制動系統(tǒng)。由微機(jī)發(fā)出命令通過控制器精確控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)帶動小球上、下運(yùn)動。假如小球矩陣有1000個球，那么就有1000個相配套的電機(jī)。這些電機(jī)還要配備1000個運(yùn)動控制器和剎車裝置。每一個電機(jī)，控制器、小球、制動系統(tǒng)和機(jī)械安裝零件組成一個模組件，再把這些模組件按照行列式安裝，就形成小球矩陣。

1.1 設(shè)計思路

小球的演示，看到的只是小球的上、下在運(yùn)動。小球的上、下運(yùn)動僅由電機(jī)直接驅(qū)動完成。那么要減輕整個設(shè)備的重量，所有安裝在樓層上的機(jī)械零件如電機(jī)、支架、制動系統(tǒng)和驅(qū)動元件都要盡可能做到小而輕，總體重量才會輕。如一個零件增重1kg，那么1000個就要增加1000kg。所以對小球、電機(jī)、線輪、控制器和剎車系統(tǒng)、機(jī)加工零件，在設(shè)計時要仔細(xì)分析，綜合考慮和核算。

1.2 設(shè)計方案

1.2.1 小球密度。首先，我們來分析下過程。一般演示和參觀者有一個合適距離，這個合適距離與小球的大小和小球稀密程度有關(guān)。小球稀密程度，好比照相機(jī)的像素，像素大，越清晰，表現(xiàn)的效果越好。那么小球間的間距要多少合適呢？現(xiàn)用小球密度來表示小球的稀密程度，小球密度為小球直徑除以小球間距。根據(jù)經(jīng)驗，小球密度為40%較合適。

1.2.2 機(jī)械參數(shù)的確定。在機(jī)械結(jié)構(gòu)中，關(guān)鍵要確定小球的大小和電機(jī)的功率。那么扭矩

T（Nm）、繞線輪半徑r（m）和小球質(zhì)量m（kg）的關(guān)系為：T=9.8m×r。

從公式來看，小球越輕，扭矩越小，需要的電機(jī)功率就小，重量越輕。對小球，一般選擇密度小的材質(zhì)或空心的金屬材料做，只要滿足場地視角效果就行，但球外表要經(jīng)過處理，達(dá)到顯眼發(fā)亮光的目的。對電機(jī)，可選小功率的伺服電機(jī)或同步電機(jī)，市場上可找到。

繞線半徑與小球上下速度之間的關(guān)系：電機(jī)轉(zhuǎn)速n，卷筒繞線圓周長L=2×π×卷筒繞線半徑r，則小球上下線速度V小球=2×π×r×n。例如：繞線半徑選擇50mm，0.4kg的小球，那么電機(jī)的額定扭矩是0.2Nm。當(dāng)電機(jī)以200r/min運(yùn)行時，小球上下運(yùn)動的速度為1m/s。

根據(jù)以上各項參數(shù)的計算，初步選擇以下這些參數(shù)。

電機(jī)：額定轉(zhuǎn)速為500r/min，額定轉(zhuǎn)矩0.2Nm，功率10W，電流0.6A。

1.3 模組件設(shè)計

參數(shù)關(guān)系確定后，就可以對零件進(jìn)行選型、設(shè)計和計算。現(xiàn)模組件設(shè)計如圖2所示。

模組中的機(jī)械主體件2巧妙利用鈑金結(jié)構(gòu)知識，經(jīng)過多次折彎，功能增多，強(qiáng)度得到加強(qiáng)，同時重量也很輕，機(jī)加工費(fèi)相對也要省很多?，F(xiàn)整個以模組支架為主，把多個零件安裝在模組支架上。由于小球輕，制動系統(tǒng)采用電磁鐵，可省重量。通過電磁鐵的直線運(yùn)動，拉動剎車板來控制電機(jī)在靜止時的轉(zhuǎn)動，同樣能達(dá)到制動效果。同時，電磁鐵的單個重量要比制動器輕很多。選擇電機(jī)時，要根據(jù)球的重量和速度來決定，電機(jī)功率不能偏大，適合就行。驅(qū)動控制板裝放模組支架反面，充分利用空間，與電機(jī)近，響應(yīng)快。線輪采用尼龍等輕質(zhì)材料加工。這樣組成的模組，結(jié)構(gòu)輕巧，整體緊湊，布局新穎，安裝方便，整個模組的重量也很輕。

考慮整體重量，現(xiàn)模組件中的零件都進(jìn)行了輕量化設(shè)計，從而整個模組進(jìn)行了輕量化，生產(chǎn)也很方便。從已設(shè)計制造出結(jié)果來看，一套模組重量不超過1.2kg，依這個重量算，小球矩陣如有1000套模組，模組總重量為1200kg，從而實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)進(jìn)行輕量化的目標(biāo)。把整個機(jī)械系統(tǒng)裝在天花板或樓層上，對上面的橫梁影響就較小。

1.模組件 2.安裝支架板 3.螺釘

2 模組安裝設(shè)計

模組安裝時，如圖3模組件安裝圖所示。件2安裝支架板也是經(jīng)過折彎的零件，經(jīng)折彎后也能保證足夠的強(qiáng)度，相對用型材又要輕很多。整個模組件安裝放在事先安裝固定好的安裝支架板上，并用螺釘固定支架板上，模組與模組間通過安裝支架板連接，非常結(jié)實(shí)牢固。模組與模組間也互不影響，模組與模組間的通訊可用可拆裝的串行線連接，可實(shí)行并行通訊。這樣設(shè)計，在運(yùn)行時，如哪個模組出現(xiàn)問題，拆裝方便，并不影響其他模組件工作，因為在控制上電腦發(fā)出的信號傳給電機(jī)驅(qū)動器為一對一的。所以這樣設(shè)計連接還是比較經(jīng)濟(jì)的，性能也穩(wěn)定，運(yùn)行也可靠，重量也是很輕的。

3 結(jié)語

本文巧妙運(yùn)用鈑金知識，設(shè)計一個主體機(jī)械鈑金安裝結(jié)構(gòu)零件，再利用模組件的方式，使繁瑣的機(jī)械系統(tǒng)變得簡單。通過對各零件進(jìn)行輕量化思考和設(shè)計，從而使整臺機(jī)械系統(tǒng)設(shè)備輕量化。并讓系統(tǒng)的每個零件安裝和維護(hù)都方便，達(dá)到安全可靠的目的。同時，模組化設(shè)計思想在今后大型設(shè)備設(shè)計中將會得到廣泛的應(yīng)用。

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）