一種基于空心軸電機(jī)驅(qū)動的多點(diǎn)可控的機(jī)電裝置設(shè)計

摘 要：為了凸顯創(chuàng)新性、科技性和藝術(shù)性的結(jié)合，展覽館的標(biāo)志性展示裝置經(jīng)常采用大體量的需要多點(diǎn)單獨(dú)可控的機(jī)電互動裝置來實(shí)現(xiàn)，而該類大體量裝置的機(jī)電機(jī)構(gòu)往往會出現(xiàn)運(yùn)行不穩(wěn)定、故障率較高等問題。為了很好地保證該類裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計了一種基于空心軸電機(jī)驅(qū)動的多點(diǎn)可控的機(jī)電裝置，該裝置采用空心軸伺服電機(jī)驅(qū)動各節(jié)點(diǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的單獨(dú)精確控制;并采用CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)大量節(jié)點(diǎn)協(xié)同旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定控制，具備運(yùn)行穩(wěn)定、噪聲小、故障率低等優(yōu)勢，能夠達(dá)到很好的展覽效果，應(yīng)用場景較多。

關(guān)鍵詞：空心軸電機(jī);CAN總線技術(shù);可控

中圖分類號：TP29? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）12-0036-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.12.010

0? ? 引言

諸如科技館、博物館、主題館、企業(yè)館、商場、展覽館等場所，為追求整館的展示效果，達(dá)到吸引更多觀眾的目的，往往需要一件或幾件能夠代表整館特色的展示裝置，該類標(biāo)志性裝置重點(diǎn)突出創(chuàng)新性、科技性和藝術(shù)性的結(jié)合，多數(shù)情況下必定采用機(jī)電互動裝置與富媒體相結(jié)合的形式，機(jī)電互動裝置能使觀眾具備相應(yīng)的真實(shí)感和科技感，而富媒體可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行內(nèi)容的升華以及主題的表達(dá)。

為達(dá)到較好的展覽效果，機(jī)電互動裝置的設(shè)計及制作成為該類裝置是否能長期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，一旦設(shè)計不合理，往往會使裝置在運(yùn)行一段時間后出現(xiàn)小故障，從而導(dǎo)致裝置整體無法正常運(yùn)行，且維修維護(hù)難，成本高。

空心軸電機(jī)作為一種技術(shù)相對成熟的電機(jī)，其主要技術(shù)特征在于電機(jī)軸為空心管，優(yōu)點(diǎn)是能減小體積、重量、噪聲，一體多用，降低成本，使用方便;而空心軸壓電電機(jī)同傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比，具有低轉(zhuǎn)速下大力矩輸出、結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活、無線圈復(fù)雜結(jié)構(gòu)、功率密度高、保持力矩大等特點(diǎn)[1-3]，其在鏡頭自動調(diào)焦、深空探測等一些場合具有電磁電機(jī)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)[4]。

基于對空心軸電機(jī)應(yīng)用的研究，結(jié)合大體量標(biāo)志性展品展覽的需求，本文介紹了一種基于空心軸電機(jī)驅(qū)動的多點(diǎn)可控的機(jī)電裝置，能夠較好地解決問題，保證展示效果。

1? ? 單節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計

一般地，采用一臺普通電機(jī)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是比較簡單的，直接驅(qū)動即可;或直接將旋轉(zhuǎn)部件通過連接件與電機(jī)轉(zhuǎn)軸相連接，或通過一系列傳動機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)部件與電機(jī)轉(zhuǎn)軸相連接。以上兩種驅(qū)動方式若應(yīng)用于多點(diǎn)可控旋轉(zhuǎn)的大體量機(jī)電互動裝置，前者會占用較大空間，而使裝置整體體量較大，若外觀設(shè)計不合理，則很難體現(xiàn)出互動裝置的藝術(shù)性;后者由于采用了傳動機(jī)構(gòu)而增加了運(yùn)行過程中部件傳動帶來的故障，故障率較高。針對多點(diǎn)可控的大體量機(jī)電互動裝置的應(yīng)用場景，本文設(shè)計了一種基于空心軸電機(jī)驅(qū)動的機(jī)電裝置。

單節(jié)點(diǎn)機(jī)電裝置主要由空心軸電機(jī)、運(yùn)動部件等構(gòu)成，如圖1所示，空心軸電機(jī)的定子（轉(zhuǎn)子）固定于軸上，轉(zhuǎn)子（定子）與運(yùn)動部件直接連接;單節(jié)點(diǎn)裝置運(yùn)行時，空心軸電機(jī)可帶動運(yùn)動部件進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn);空心軸電機(jī)采用伺服電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動部件旋轉(zhuǎn)速度、角度等的精確控制。

利用空心軸電機(jī)自身尺寸較小、旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定、噪聲小等特點(diǎn)，可以大大縮小整體所占空間，為大體量裝置的外觀設(shè)計提供空間;旋轉(zhuǎn)部件既可以是圓柱體、圓錐體等規(guī)則形狀部件，也可以是定制的異形部件，可根據(jù)相應(yīng)主題進(jìn)行個性化設(shè)計，大大豐富了互動裝置的外觀表現(xiàn)，能夠較好地表達(dá)出科學(xué)與藝術(shù)的結(jié)合。

結(jié)構(gòu)中采用旋轉(zhuǎn)部件與電機(jī)轉(zhuǎn)軸直接相連接的形式，無其他多余傳動機(jī)構(gòu)，從而減少了采用傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動所帶來的故障率高的問題，能有效保證節(jié)點(diǎn)裝置平穩(wěn)順暢運(yùn)行。

2? ? 多點(diǎn)單獨(dú)可控功能設(shè)計

通過對單節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動部件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的精確控制。在實(shí)際應(yīng)用到標(biāo)志性展覽設(shè)備中時，往往需要眾多單節(jié)點(diǎn)機(jī)構(gòu)同時運(yùn)行且相互配合，才能達(dá)到較好的展示效果。

針對多節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用場景，如何實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)相互協(xié)同配合運(yùn)作是關(guān)鍵。由于采用單個空心軸伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)對單節(jié)點(diǎn)的精確控制，為了實(shí)現(xiàn)對眾多節(jié)點(diǎn)的配合控制，使各單節(jié)點(diǎn)能單獨(dú)控制從而實(shí)現(xiàn)協(xié)同配合，主要對單節(jié)點(diǎn)中伺服電機(jī)的通信控制進(jìn)行了系統(tǒng)化設(shè)計。系統(tǒng)采用CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)對單節(jié)點(diǎn)空心軸伺服電機(jī)的總體控制，能夠在保證單節(jié)點(diǎn)運(yùn)行精度的同時，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間穩(wěn)定通信，從而使多節(jié)點(diǎn)協(xié)同運(yùn)作，達(dá)到較好的效果。

CAN是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，首先在汽車產(chǎn)業(yè)研發(fā)成功并應(yīng)用，由于汽車中多種電子控制系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對可靠性的要求不盡相同，多條總線一起使用的情況很多，線束的數(shù)量也很大。為適應(yīng)減少線束數(shù)量、實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的高速通信等需要，1986年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的CAN通信協(xié)議。此后，CAN通過ISO 11898及ISO 11519進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

CAN總線技術(shù)的高性能和可靠性已被行業(yè)認(rèn)同，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面;它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

利用CAN總線技術(shù)的以上特點(diǎn)，基于空心軸電機(jī)驅(qū)動的多點(diǎn)可控裝置的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計如圖2、圖3所示，將單節(jié)點(diǎn)機(jī)電裝置中的空心軸伺服電機(jī)通過CANET連接到工控機(jī)上，節(jié)點(diǎn)數(shù)量可以通過網(wǎng)口交換機(jī)和CAN總線進(jìn)行任意擴(kuò)展;工控系統(tǒng)能夠穩(wěn)定有效地將控制信號發(fā)送到每個節(jié)點(diǎn)裝置的空心軸伺服電機(jī)上，控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度、角度等參數(shù)，從而使眾多節(jié)點(diǎn)能夠穩(wěn)定地協(xié)同配合運(yùn)作。系統(tǒng)中還可通過設(shè)置可編程控制器等，讓系統(tǒng)具備接入其他功能設(shè)備的可能性，如燈光、音樂、傳感器等，大大豐富了多節(jié)點(diǎn)大體量機(jī)電互動裝置的展示形式，提升了整個裝置的整體展示效果。1D5066AF-983C-4C14-942D-7A3208E2B360

3? ? 裝置的兩種應(yīng)用場景

基于空心軸電機(jī)驅(qū)動的多點(diǎn)可控的機(jī)電裝置實(shí)現(xiàn)了單節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度、速度等的精確控制以及多節(jié)點(diǎn)協(xié)同運(yùn)作的通信控制，從而使整個系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地長時間有效運(yùn)行。以下簡單介紹該裝置的兩種應(yīng)用場景。

3.1? ? 第一種應(yīng)用場景：大型像素展示墻

像素展示墻主要采用像素原理在一面墻上展示出不同的圖像，由200個節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)數(shù)量可根據(jù)情況增加）構(gòu)成，如圖4所示。每個節(jié)點(diǎn)均采用本文所述“基于空心軸電機(jī)驅(qū)動的多點(diǎn)可控的機(jī)電裝置”進(jìn)行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，單個節(jié)點(diǎn)由一個立方體組成，立方體的四個面分別為不同顏色和材質(zhì)，可圍繞其旋轉(zhuǎn)軸依次出現(xiàn)在正前方;系統(tǒng)可以編程實(shí)現(xiàn)每個節(jié)點(diǎn)立方體旋轉(zhuǎn)的精確控制，從而能夠在整個面上呈現(xiàn)出不同的字母、文字、圖像等信息，突出科技感。

3.2? ? 第二種應(yīng)用場景：環(huán)形多點(diǎn)旋轉(zhuǎn)展示裝置

裝置自上而下由10層環(huán)形多點(diǎn)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成，如圖5所示，每層環(huán)形機(jī)構(gòu)為一個金屬圓環(huán)，在圓環(huán)一周上設(shè)置21個旋轉(zhuǎn)桿機(jī)構(gòu)，如圖6、圖7所示，每個旋轉(zhuǎn)桿結(jié)構(gòu)均采用本文所述“基于空心軸電機(jī)驅(qū)動的多點(diǎn)可控的機(jī)電裝置”，從而實(shí)現(xiàn)每個旋轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)的單獨(dú)精確控制。整個裝置運(yùn)行時，由CAN總線統(tǒng)一控制，通過控制各旋轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)速度，使每層環(huán)的旋轉(zhuǎn)桿之間、不同層次的環(huán)形金屬圓環(huán)之間交錯旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，呈現(xiàn)出不同的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)神奇的大型動態(tài)展示，達(dá)到美麗而震撼的效果，使科學(xué)與藝術(shù)完美結(jié)合。

以上應(yīng)用場景是基于空心軸電機(jī)驅(qū)動的多點(diǎn)可控的機(jī)電裝置的簡單應(yīng)用，其能夠?qū)崿F(xiàn)大體量多點(diǎn)展示系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用，且由于采用空心軸電機(jī)，基于其占用空間小、噪聲小等特點(diǎn)，能夠很好地實(shí)現(xiàn)藝術(shù)性外觀和科學(xué)性展示相融合。

4? ? 結(jié)語

本文對基于空心軸電機(jī)驅(qū)動的多點(diǎn)可控的機(jī)電裝置的設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)論述，重點(diǎn)是單節(jié)點(diǎn)機(jī)電機(jī)構(gòu)和多節(jié)點(diǎn)協(xié)同控制系統(tǒng)的論述，單節(jié)點(diǎn)控制機(jī)構(gòu)由于采用空心軸伺服電機(jī)直接驅(qū)動，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度、速度等參數(shù)的精確控制，多節(jié)點(diǎn)的協(xié)同控制則通過CAN總線技術(shù)，保證各節(jié)點(diǎn)信號傳輸?shù)姆€(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，且具備一定的擴(kuò)展性。文中還對該裝置在兩種場景下的應(yīng)用進(jìn)行了簡單介紹，可以看出其能夠很好地解決大體量多點(diǎn)可控展示裝置的技術(shù)問題，具備結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、噪聲小、運(yùn)行穩(wěn)定、故障率低、維護(hù)方便等優(yōu)勢，應(yīng)用場景較多。

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收稿日期：2022-03-29

作者簡介：秦承運(yùn)（1990—），男，河南淮陽人，機(jī)電工程師，從事科普展覽、展品研發(fā)設(shè)計工作。1D5066AF-983C-4C14-942D-7A3208E2B360