小球矩阵机械结构轻量化分析与设计
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２ ０ １ ３年 第 ７期 （ 总第 ２ ５ ０期 ）
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（ Ｃ ｕ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｎ ｔ ｙ Ｏ Ｎ ． Ｏ ７ ． ２ ０ １ ３ ２ ５ ０）ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
．
小球矩 阵机械结构轻量化分析 与设计
尹 爱
（ 宁波韵 升 股份 有 限公 司 ， 浙 江 宁波 ３ １ ５ ０ ４ ０）
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 。
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 ？
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
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
阵有 １ ０ ０ ０ 个 球 ，那 么就有 ｉ ０ ０ ０ 个 相配套 的 电机 。这 些 电机还 要配备 １ ０ ０ ０ 个运 动控制器 和刹车 装置 。每
一
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 。
图１ 演 示 效 果 图
件 增重 １ ｋ ｇ ，那 么 １ ０ ０ ０ 个就 要增 加 １ ０ ０ ０ ｋ ｇ 。所 以对
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
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
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
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（ Ｎ ｍ ）、绕线轮 半径ｒ （ ｍ ）和 小球质量Ｉ ｌ ｌ（ ｋ ｇ ）的 关系为 ：Ｔ ＝９ ． ８ ｍ Ｘｒ 。 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
２ Ｒ
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
４ ０ ％ 较合 适 。
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
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
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 ： Ｔ Ｈ１ ２ ３
文献标 识码 ： Ａ
文章编号 ： １ ０ ０ ９ — ２ ３ ７ ４（ ２ ０ １ ３） ０ ７ — ０ ０ ２ ８ — ０ ３
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
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（ Ｃ ｕ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｎ ｔ ｙ Ｏ Ｎ ． Ｏ ７ ． ２ ０ １ ３ ２ ５ ０）ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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小球矩 阵机械结构轻量化分析 与设计
尹 爱
（ 宁波韵 升 股份 有 限公 司 ， 浙 江 宁波 ３ １ ５ ０ ４ ０）
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 。
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 ？
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
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
阵有 １ ０ ０ ０ 个 球 ，那 么就有 ｉ ０ ０ ０ 个 相配套 的 电机 。这 些 电机还 要配备 １ ０ ０ ０ 个运 动控制器 和刹车 装置 。每
一
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 。
图１ 演 示 效 果 图
件 增重 １ ｋ ｇ ，那 么 １ ０ ０ ０ 个就 要增 加 １ ０ ０ ０ ｋ ｇ 。所 以对
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
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
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
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（ Ｎ ｍ ）、绕线轮 半径ｒ （ ｍ ）和 小球质量Ｉ ｌ ｌ（ ｋ ｇ ）的 关系为 ：Ｔ ＝９ ． ８ ｍ Ｘｒ 。 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
２ Ｒ
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
４ ０ ％ 较合 适 。
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
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
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 ： Ｔ Ｈ１ ２ ３
文献标 识码 ： Ａ
文章编号 ： １ ０ ０ ９ — ２ ３ ７ ４（ ２ ０ １ ３） ０ ７ — ０ ０ ２ ８ — ０ ３
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