小球矩阵机械结构轻量化分析与设计

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上海世博会上，某科技馆有-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-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-副流光溢彩的立体画，给观众带来不-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-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 。

图1 演示效果图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-种机2R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。-个小球 由线悬挂在-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i000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- 个电机 ，控制器、小球、制动系统和机械安装零件组成-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旧能做 到小而轻 ，总体 重量才会轻。如-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 。-般演示和参观者有-个合适距离，这个合适距离与小球的大型小球稀密程度有关。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。那么小球问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型电机的功率。那么扭矩T(Nm)、绕线轮半径r(m)和小球质量Il(kg)的关系为：T9.8mXr。

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 ，-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L2 X ×卷筒绕线半径r，则小球上下线速度V小球2XⅡXr×13。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lm/s。

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

1.电机 2.模组支架 3.电磁铁 4.刹车板 5.线轮6.缓冲板 7.驱动器 8.引导块 9.线 10.球图2 模组件卷筒：绕线半径为50mm。

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，机加工费相对也要受多。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，-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校1.模组件 2.安装支架板 3.螺钉图 3 模组件安装图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，非翅实牢固。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292013年第 7期(总第 250期 ) 惘两熊蕊 NO.7.201 3 (CumulativetyNO. 50)- 种铁路车辆质检图像记录系统的研制分析高志刚 局 0(河北南车铁龙机电设备有限公司，河北 石家庄 050071)摘要 ：文章通过分析研制-种适合铁路车辆制造和修理过程的图像记录系统，提高铁路车辆质检的可靠性和可追溯性 ，实现质检记录的信息化。

关键词 ：铁路 车辆 ；质检 ；图像记录系统中图分类号 ：TP391 文献标识码 ：A 文章编号 ：1009-2374(2013)07-0030-031 项目来源目前多数铁路车辆修造单位的质量检查工作均依靠检查人员填写质量记录的方式进行，其他控制检查工作质量 的有效手段不多，检查人员的工作过程与检查方法是否规范无法追溯。根据铁道部关于车辆检修及质量控制自动化、信息化要求的指示精神，开发-种质量检查图像记录分析系统来记录质量检查工作过程的图像并进行分析，使质量检查过程记录方式和控制手段适应铁路发展的需求。

2 主要功能根据 目前铁路车辆质量检查工作的需求，车辆现问题 ，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-对- 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-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30质量检查图像记录分析系统需要实现的主要功能如下：能够对车辆的各种质量检查过程进行图像采集，并将采集的图像传输到主服务器；主服务器管理软件按车号或零部件编号等要求对图像进行分类、编辑、保存，作为车辆质量检查过程的原始图像记录；保证采集图像的有效性与唯-性；对所采集的图像进行分析以控制质量检查工作过程的规范性。

3 项目关键技术分析车辆质量检查图像记录系统采用的关键技术为图像采集、无线图像传输与图像分析三部分，目前这三种技术的发展十分迅速 ，为我们开发本系统提目的。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。o