双层链条丝杠式音乐花瓣自动启闭装置的设计研究

杨松林，李小龙，张莉莎，曹朋贤

（河北科技大学机械工程学院，河北石家庄 050018）

双层链条丝杠式音乐花瓣自动启闭装置的设计研究

杨松林，李小龙，张莉莎，曹朋贤

（河北科技大学机械工程学院，河北石家庄 050018）

叙述了一种音乐花瓣自动启闭装置，它模拟莲花外形设计出机械花瓣，用机械化手段控制花瓣随音乐节奏轻快、自动启闭。确定了“链条＋丝杠”双层花瓣混合传动方案；进行了整个装置的总体方案设计计算及机械花瓣结构形状设计；介绍了装置随音乐频率变化自动启闭控制系统的设计思路。与原有手动控制单层花瓣启闭相比，实现了双层花瓣随音乐节奏自动启闭的效果。

机械花瓣；自动启闭；传动方案

杨松林，李小龙，张莉莎，等.双层链条丝杠式音乐花瓣自动启闭装置的设计研究［J］.河北科技大学学报，2014，35（3）：266-271.

YANG Songlin，LI Xiaolong，ZHANG Lisha，et al.Design of an automatic double chain screw lifting device for music petals［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2014，35（3）：266-271.

目前，虽然国内外开启装置种类较多，但中国有关随音乐节奏花瓣自动启闭装置大多数自动化程度不高，效果也不够好［1］；而国外有关花瓣自动启闭的装置技术复杂，成本又太高。在舞台机械领域非常需要开发研究成本较低、又能随音乐自动启闭的花瓣装置。在这种背景下笔者研制了一种音乐花瓣自动启闭装置，该装置可以在舞台上自由移动与旋转，达到很好的舞台效果，即可满足节目的观赏性，又可以为舞台机械增色［2］。

随着音乐节奏自动启闭装置需要满足如下设计要求：1）装置的总体设计；2）控制花瓣启闭的传动机构；3）确定花瓣的形状、数量、层数；4）整个装置转向行走方式；5）音乐自动控制系统设计。

1 功能原理分析

音乐花瓣自动启闭装置是机电一体化与舞台美术相结合的一种舞台机械，根据机械设计的一般规律方法及其“功能－结构”关系，先从功能分析着手，找出满足各功能的结构模块，再对各结构模块进行协调组合，这样就可实现该装置的功能及特性要求。

分析系统的总功能常采用“黑箱法”［3］。然而，由于该系统比较复杂，难以直接求得满足总功能的系统解。因此，先按系统分解的方法进行功能分解，再针对各分功能用黑箱方法选择合适的功能元求得局部解答。最后通过各功能元求解分功能与总功能之间的关系，建立功能结构系统，给出系统原理解。音乐花瓣自动启闭装置主要是实现花瓣启闭和整机转向行走功能，其总功能和分功能间的关系如图1所示。

图1 功能结构系统图Fig.1 Function structure chart

通过功能结构系统示意图可知，该装置的总体设计中主要解决以下2个方面的问题：

1）设计一种内层花瓣集控启闭、外层花瓣单控启闭的双层花瓣启闭传动控制系统，要求其能够满足花瓣在启闭过程中的位移、速度、加速度及受力要求；

2）设计该装置的转向行走机构，要求装置在舞台上可以随意地行走、转向。

本装置为6片双层花瓣，根据舞台实际情况，现将外层花瓣的整体高度取为1 500 mm，质量为3 kg；内侧花瓣高度取为1 000 mm，质量为2 kg。内外层花瓣通过转轴固定于高度为800 mm的正六边形角钢架子上，初步确定其在闭合状态下的占地面积约为1 500 mm×1 500 mm，在工作过程中外层花瓣的最大开启角度为60°，内层花瓣最大开启角度为45°，1个启闭周期的时间范围为3～8 s，这些工作参数完全符合《舞台机械台上设备安全》的设计要求。

2 内层集控启闭方案设计

现实生活及工业生产中存在许多控制结构打开或者关闭的机械装置［4－5］，为了能够满足舞台表演过程中该装置内层花瓣可以随音乐节奏同步开启和闭合，并且保证启闭过程中每片花瓣的位移、速度、加速度和受力要求，提出以下集控方案，并做了相关的分析计算。

图2所示为内层花瓣拉线集中控制方案原理简图［6］。内层花瓣固定于正六边形支撑架上底板的转轴上，伺服电机带动支架上底板中间的丝杠旋转，丝杠即带动升降螺母上升和下降，升降螺母通过6根拉线与花瓣骨架相连接，每片花瓣与支架间连接有回综弹簧，这样便实现了6片花瓣同时开启和闭合。

滑动螺旋工作时，主要承受转矩及轴向拉力或压力的作用，同时，在螺杆和螺母的旋合螺纹间有较大的相对滑动。其失效形式主要是螺纹磨损。因此，滑动螺旋的基本尺寸，即螺杆直径与螺母高度，通常是根据耐磨性条件确定的。

根据螺纹类型和相关传动的特点，根据耐磨性条件，初步估算螺杆中径d2为

图2 内层集控启闭方案Fig.2 Inner control open-close scheme

式中：［p］为材料的许用压力，单位为MPa，查表取值为5 MPa；Φ值一般取1.2～3.5。对于整体螺母，由于磨损后不能调整间隙，为使受力分布比较均匀，螺纹工作圈数不宜过多，故取Φ＝2。

根据公式（1）算得螺纹中径d2≥2.7 mm，应按国家标准选取相应的公称直径d2＝12及螺距p＝2.5。螺纹工作圈数不宜超过10圈。

则螺母高度：H＝Φd2＝2×12＝24 mm。

受力较大的螺杆需要进行强度计算。螺杆工作时承受轴向拉力F和扭矩T的作用。螺杆危险截面上既有拉应力，又有切应力。因此，校核螺杆强度时，应根据第四强度理论求出危险截面的计算应力σca，其强度条件为

式中：F为螺杆所受的轴向拉力，单位为N；A为螺杆螺纹段的危险截面面积，单位为mm2；d1为螺杆螺纹小径，单位为mm；T为螺杆所受的扭矩，单位为N·mm；［σ］为螺杆材料的许用应力，查表知，［σ］＝75，单位为MPa。通过公式计算可知σca≤［σ］，符合强度要求。

3 外层花瓣单控启闭方案设计

外层花瓣单控启闭方案采用电磁离合器控制，如图3所示，外层花瓣固定于正六边形支撑架每一边的内侧中上部，将链传动方案进行变形，在每根链轮轴上部，链轮和锥齿轮之间安装有1个电磁离合器，通过电磁离合器来控制每根花瓣轴的运动，实现单独控制外层每片花瓣开合的效果。

图3 电磁离合器单控启闭方案Fig.3 Electromagnetic clutch′s single control open-close scheme

3.1 电机选型

在多种多样的舞台机械动力形式中，电机驱动是当前最常用的。根据设备负载性质和设备运行状态选择电机类型。当该装置的6片花瓣开启到最低位置需要把花瓣关闭的瞬时需要电机输出的功率最大，T＝mg·h／2＝22.5 N·m，因此，应按照此时的功率选择电机。

舞台机械设备实际电机工作制大部分比较符合S2短时工作制和S3断续周期工作制2种工作状态。在本装置中，由于各部分电机受载稳定且传递功率较小。故只需使电机的额定功率Pcd等于或稍大于电机的实际输出功率Pd就可以了。

电机的输出功率Pd为

式中：Pw为工作机所需输入功率（k W）；ηa为传动装置总效率。工作机所需功率Pw按式（4）计算：

Preparation of Shu gan Liangxue prescription:Shugan Liangxue Prescription is composed of Chaihu(Radix Bupleuri Chinensis),Huangqi(Radix Astragali Mongolici),Gancao(Radix Glycyrrhizae),Chenpi(Pericarpium Citri Reticulatae),Yujin(Radix Curcumae Wenyujin),

式中：T为工作机阻力矩，单位为（N·m）；n为工作机转速，单位为（r／min）；ηw为工作机效率，根据工作机的类型确定。

根据式（4）以及所给工作条件和查询《机械设计手册》即可计算出电机的功率，所以选择的电机为SZ－14C型号，功率为300 W，转速为1 500 r／min。

3.2 蜗轮蜗杆的选择与强度计算

在本方案中蜗轮蜗杆传动将动力传递给链轮轴，且蜗轮蜗杆在此方案中起到一定的减速作用，因此蜗轮蜗杆的设计在本方案设计中占有很重要的地位。根据实际应用，在本机构中蜗杆采用45碳钢调质处理，硬度在220～250 HBS，蜗轮采用灰铸铁HT150。

在一般情况下，对于闭式蜗杆传动通常是按齿面接触疲劳强度进行设计，而按齿根弯曲疲劳强度进行校核［7］。蜗杆头数常取Z1＝1～6，考虑到自锁，取Z1＝1，按规定，蜗杆头数Z1＝1时，蜗轮齿数Z2＞40，传动比i＝Z2／Z1＞40取Z2＝42。蜗杆设计公式为

式中：［σH］为蜗轮材料的许用接触应力为蜗轮材料的基本许用接触应力，取值为125 MPa；ZN为接触疲劳强度的寿命系数；N为应力循环次数，取N＝25×107；T2＝9.7 N·m；K＝1。

代入数据得：m2d1≥194 mm3。

查表得标准模数m和蜗杆分度圆直径d1的值分别为2.5和35.5。根据公式可计算出蜗杆的分度圆柱导程角γ＝4°。

3.3 链传动设计

1）链轮的选择 由于该设计装置中链轮直径较小，所以链轮的结构制成整体式。链轮的材料为50钢，热处理方式为淬火和回火，硬度为40～50 HRC。链轮直接固定在链轮主轴上，链轮轴安装在轴承支座上。

2）链条的选择 该装置中链轮轴最大转速为12 r／min，链承重为花瓣轴转矩的5倍；链条拉力为120 N。通过查机械设计手册，根据链条的拉力选择单排滚子链08A，节距P＝12.7，极限拉伸载荷P＝13 800 N。

传动链运动速度V＜0.6 m／s，属于低速链传动。由于载荷较大，静强度占主要地位，因此，按静强度计算校核链条强度。根据链条静强度校核公式，则链条静强度，非常安全［8］。

3.4 电磁离合器选择

为了实现外层花瓣随着音乐节奏单片或多片不同步的开启和闭合动作，在每根链轮轴的链轮和锥齿轮之间安装1个电磁离合器［9］，通过电磁离合器来控制花瓣轴旋转运动，从而达到单独控制每片花瓣开合运动。

根据实际情况确定选择通电工作干式单片电磁离合器，根据电磁离合器的标准规格，安装位置轴的直径，选取孔径为15 mm的电磁离合器。

4 转向行走方案设计

音乐花瓣自动启闭装置不仅内、外两层花瓣可以随着音乐节奏开启和闭合，且需要整个装置可以在舞台上自由移动和旋转，使得整个表演过程极具特色，丰富多彩。这就需要一套可以自动控制的转向行走机构。

本方案采用1个主动轮带动6个万向轮，保证装置在舞台上快捷、灵敏地行走和转向。为了达到受力平衡的效果，6个万向轮必须安装在装置底板的6个角上，如图4所示。

图4 支撑机架Fig.4 Support frame

该装置的转向行走机构部件如图5所示。扭矩转向电机支座为倒置的圆杯形，扭矩转向电机固定在扭矩转向电机支座的上部中央位置，且与支撑机架的正六边形底板上的行走装置支架相连；行走装置支架内安装有行走步进电机，行走步进电机的输出轴依次通过V带轮、V带与安装于行走装置支架下方的行走轮相连；转向行走机构部件安装固定于支撑机架的底板中部。

5 控制系统设计思路

5.1 花瓣自动启闭控制系统设计

花瓣自动启闭控制系统设计包括音乐输入部分、单片机控制部分、输出控制部分等组成。花瓣自动启闭控制系统逻辑框图如图6所示。

音乐信号采集首先经音频电路初步处理后送入单片机内部A／D，由定时器控制采集音乐信号［10］。将音乐信号经电路转换为3个频段音频信号，各频段分别对应控制花瓣的开启、闭合及组合效果，再经A／D转换为数值信号进入单片机处理［11］。

图5 转向行走机构Fig.5 Steering walking mechanism

单片机主芯片高性能的AT89S52单片机［12］，它可以采集音乐信号，并据此调节I／O口的输入输出来控制步进电机。步进电机采用四相单极式减速步进电机。其控制驱动器由AT89系列单片机［13］、光电耦和器、集成芯片组成。单片机通过串口经电平转换之后与微机相连，向集成芯片发出时钟信号、正反转信号、复位信号及使能控制等信号，从而实现步进电机的转向、转速、转角的自动控制［14］；最后实现花瓣自动启闭控制效果。

5.2 自动转向行走控制设计

自动转向行走机构是通过大扭矩电机旋转来控制的。扭矩转向电机控制单元通过电流大小调节实现万向支撑架的转向；行走步进电动机控制单元通过自动调节脉冲信号数量来控制万向支撑架行走轮的转速［15］，最终实现花瓣多种形式的自动启闭控制效果。

图6 花瓣启闭自动控制系统逻辑框图Fig.6 Logic diagram of petal′s automatically opening and closing control system

6 结 语

音乐花瓣自动启闭装置主要是为节假日或大型庆典活动的文艺演出提供的一种舞台机械［16］。该设计能较好地实现花瓣的启闭随音乐节奏变化，实现了花瓣启闭、音乐、机械三者的完美统一，实现了花瓣启闭的机械化、拟物化、自动化。

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Design of an automatic double chain screw lifting device for music petals

YANG Songlin，LI Xiaolong，ZHANG Lisha，CAO Pengxian
（School of Mechanical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China）

An automatically open and close device of music petals has been innovatively designed.It adopts mechanical method to drive the inside and outside of the double-layer lotus-shaped mechanical petals，making the petals fast paced and automatically open and close with the rhythm of music.The"chain＋screw"mixed mode is presented，the mechanical petals＇structure and shape are designed，and the ideas of the control system design is provided which makes the device automatically open and close with changing music.Compared with the original manual control of single-layer petals＇open and close，this design can achieve the effects of double-layer petals，swing with the rhythm of music and simulating natural flowers＇open and close.

mechanical petals；automatically open and close；transmission scheme

TH132

A

1008-1542（2014）03-0266-06

10.7535／hbkd.2014yx03010

2013-10-15；

2014-01-08；责任编辑：李 穆

国家科技支撑计划项目（2013BAH22F02）

杨松林（1961-），男，河南南召人，教授，硕士，主要从事机械设计与制造、工程CAD及三维数字化等方面的研究。

E-mail：375086472＠qq.com