小球矩阵机械结构轻量化分析与设计

摘要：利用模组块方式，使每一个电机，制动系统、小球和驱动器安装在一同钣金支架上，组成一个模组。再把这个模组整个安装在系统框架上，结构轻巧，安装和维护方便、快捷。

关键词：电机；制动系统；小球；驱动器；模组件；轻量化

中图分类号：TH123 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）07-

上海世博会上，某科技馆有一种小球展示的表演叫小球矩阵演示项目，空旷的展会大厅上空悬挂着数百个矩阵小球，每个小球与一个电机通过线相连。当计算机通过运动控制器对各个电机发送不同的速度、加速度、位置和运动时间，小球做上、下运动，随着时间变化就能表现出壮观的动态造型和图案，整体效果如同一副流光溢彩的立体画，给观众带来不一样的立体动态视觉冲击，效果十分抢眼，如图1所示。矩阵展示是科技与艺术的完美结合，是当今新媒体现代艺术演示的最新成果。同时这是一个非常完美的文化产品，能更好地为企业文化服务，是文化强企战略的重要组成部分。

这个庞大而复杂的项目包括了多个系统，而其中重达数吨的机械系统全是安装在楼层或楼顶上，特别当小球在运动时，对安装横梁要有更高的要求，桁架要承受更多的载荷和在小球工作中承受交变应力。这时，机械结构设计对安装梁的安全性和运行中小球的平稳性都很重要，因此要设计一种机械结构巧、重量轻、运行稳定的机械系统，即设备的轻量化设计显得尤为重要。

1 轻量化的设计过程

在结构设计中，先来了解其工作原理。一个小球由线悬挂在一个连接有电机的线轮上，电机带有制动系统。由微机发出命令通过控制器精确控制电机的正转、反转带动小球上、下运动。假如小球矩阵有1000个球，那么就有1000个相配套的电机。这些电机还要配备1000个运动控制器和刹车装置。每一个电机，控制器、小球、制动系统和机械安装零件组成一个模组件，再把这些模组件按照行列式安装，就形成小球矩阵。

1.1 设计思路

小球的演示，看到的只是小球的上、下在运动。小球的上、下运动仅由电机直接驱动完成。那么要减轻整个设备的重量，所有安装在楼层上的机械零件如电机、支架、制动系统和驱动元件都要尽可能做到小而轻，总体重量才会轻。如一个零件增重1kg，那么1000个就要增加1000kg。所以对小球、电机、线轮、控制器和刹车系统、机加工零件，在设计时要仔细分析，综合考虑和核算。

1.2 设计方案

1.2.1 小球密度。首先，我们来分析下过程。一般演示和参观者有一个合适距离，这个合适距离与小球的大小和小球稀密程度有关。小球稀密程度，好比照相机的像素，像素大，越清晰，表现的效果越好。那么小球间的间距要多少合适呢？现用小球密度来表示小球的稀密程度，小球密度为小球直径除以小球间距。根据经验，小球密度为40%较合适。

1.2.2 机械参数的确定。在机械结构中，关键要确定小球的大小和电机的功率。那么扭矩

T（Nm）、绕线轮半径r（m）和小球质量m（kg）的关系为：T=9.8m×r。

从公式来看，小球越轻，扭矩越小，需要的电机功率就小，重量越轻。对小球，一般选择密度小的材质或空心的金属材料做，只要满足场地视角效果就行，但球外表要经过处理，达到显眼发亮光的目的。对电机，可选小功率的伺服电机或同步电机，市场上可找到。

绕线半径与小球上下速度之间的关系：电机转速n，卷筒绕线圆周长L=2×π×卷筒绕线半径r，则小球上下线速度V小球=2×π×r×n。例如：绕线半径选择50mm，0.4kg的小球，那么电机的额定扭矩是0.2Nm。当电机以200r/min运行时，小球上下运动的速度为1m/s。

根据以上各项参数的计算，初步选择以下这些参数。

电机：额定转速为500r/min，额定转矩0.2Nm，功率10W，电流0.6A。

1.3 模组件设计

参数关系确定后，就可以对零件进行选型、设计和计算。现模组件设计如图2所示。

模组中的机械主体件2巧妙利用钣金结构知识，经过多次折弯，功能增多，强度得到加强，同时重量也很轻，机加工费相对也要省很多。现整个以模组支架为主，把多个零件安装在模组支架上。由于小球轻，制动系统采用电磁铁，可省重量。通过电磁铁的直线运动，拉动刹车板来控制电机在静止时的转动，同样能达到制动效果。同时，电磁铁的单个重量要比制动器轻很多。选择电机时，要根据球的重量和速度来决定，电机功率不能偏大，适合就行。驱动控制板装放模组支架反面，充分利用空间，与电机近，响应快。线轮采用尼龙等轻质材料加工。这样组成的模组，结构轻巧，整体紧凑，布局新颖，安装方便，整个模组的重量也很轻。

考虑整体重量，现模组件中的零件都进行了轻量化设计，从而整个模组进行了轻量化，生产也很方便。从已设计制造出结果来看，一套模组重量不超过1.2kg，依这个重量算，小球矩阵如有1000套模组，模组总重量为1200kg，从而实现整个系统进行轻量化的目标。把整个机械系统装在天花板或楼层上，对上面的横梁影响就较小。

1.模组件 2.安装支架板 3.螺钉

2 模组安装设计

模组安装时，如图3模组件安装图所示。件2安装支架板也是经过折弯的零件，经折弯后也能保证足够的强度，相对用型材又要轻很多。整个模组件安装放在事先安装固定好的安装支架板上，并用螺钉固定支架板上，模组与模组间通过安装支架板连接，非常结实牢固。模组与模组间也互不影响，模组与模组间的通讯可用可拆装的串行线连接，可实行并行通讯。这样设计，在运行时，如哪个模组出现问题，拆装方便，并不影响其他模组件工作，因为在控制上电脑发出的信号传给电机驱动器为一对一的。所以这样设计连接还是比较经济的，性能也稳定，运行也可靠，重量也是很轻的。

3 结语

本文巧妙运用钣金知识，设计一个主体机械钣金安装结构零件，再利用模组件的方式，使繁琐的机械系统变得简单。通过对各零件进行轻量化思考和设计，从而使整台机械系统设备轻量化。并让系统的每个零件安装和维护都方便，达到安全可靠的目的。同时，模组化设计思想在今后大型设备设计中将会得到广泛的应用。

参考文献

[1] 吴宗泽.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2] 孙桓，陈作模.机械原理（第六版）[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3] 王爱珍.钣金技术手册[M].郑州：河南科学技术出版社，2006.

[4] 邓宁，刘子健.面向并行设计的装配顺序规划研究[J].计算机仿真，2005，（9）：58-62.