鄒俊俊,馮巖,馮小庭,毛駿
(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710014)
隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化的進(jìn)步,城市景觀已經(jīng)成為必不可少的城市名片,它是體現(xiàn)城市文化生活品質(zhì)的重要標(biāo)志之一。現(xiàn)有城市景觀多在造型設(shè)計(jì)、燈光效果兩個(gè)維度上進(jìn)行組合,以追求“立體、動(dòng)態(tài)”的美感,但從本質(zhì)來說仍屬于平面景觀及靜態(tài)景觀,仍存在以下幾點(diǎn)不足:一是缺乏城市自身特點(diǎn),千城一面;二是景觀功能單一,無法實(shí)現(xiàn)人景互動(dòng)。人們參觀傳統(tǒng)人文景觀時(shí),很難融入主題當(dāng)中[1-2]。
因此,本文闡述了在普通仿真花設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,增加造型結(jié)構(gòu)、照明結(jié)構(gòu)、檢測(cè)裝置、機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置、輔助裝置五大部分創(chuàng)新設(shè)計(jì),為靜態(tài)景觀賦予“生機(jī)”,在造型、燈光、運(yùn)動(dòng)、交互性四個(gè)維度上展現(xiàn)科技、藝術(shù)之美,提高城市景觀品質(zhì),打造多元化城市文旅新格局。
本產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)思路為:利用超聲波傳感器檢測(cè)范圍內(nèi)是否有人或者車輛經(jīng)過,將檢測(cè)信號(hào)輸出至單片機(jī)控制核心;根據(jù)程序算法輸出控制指令,控制燈光模塊產(chǎn)生顏色、明暗變化,同時(shí)控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng),以控制花瓣的開合,向游客輸出景觀的色彩、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變化,使游客獲得參與式、交互式的觀景體驗(yàn)。整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。
圖1 產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)方案
按照上述設(shè)計(jì)思路本產(chǎn)品的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示,由造型結(jié)構(gòu)、照明裝置、檢測(cè)裝置、機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置、輔助裝置五大部分組成。
圖2 一種“4D”智能花卉景觀產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖
1)結(jié)構(gòu)造型
智能花卉的結(jié)構(gòu)造型步驟如下:1)通過逆向工程建模,以3次B樣條曲線縮放參數(shù)生成葉片和花瓣的曲面造型結(jié)構(gòu),再將其數(shù)字模型導(dǎo)入3D打印機(jī),高效快速制作出各種仿真花卉,然后安裝固定在特制的骨架上,使其保持花卉的造型和美感;2)通過CATIA三維設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù)制作的花瓣造型。通過膠粘劑附著于定制專用骨架。
圖3 花瓣結(jié)構(gòu)3D打印切片模型
2)照明裝置
智能花卉的照明裝置采用LED發(fā)光二極管+太陽能電池的組合,通過太陽能面板在白天吸收能量,到夜間時(shí),當(dāng)傳感檢測(cè)裝置檢測(cè)到行人和車輛通過時(shí),啟動(dòng)LED發(fā)光二極管。
3)檢測(cè)裝置
檢測(cè)裝置由超聲波傳感器和STM32F103單片機(jī)構(gòu)成。利用STM32F103單片機(jī)定時(shí)器在5~10μs內(nèi)產(chǎn)生高電平脈沖信號(hào),超聲波傳感器接收到脈沖信號(hào),發(fā)射向外的聲波,遇到障礙物發(fā)生反射,經(jīng)過電路處理濾波放大,再次送入STM32F103單片機(jī)[3]。
4)機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置
根據(jù)花卉仿生原理,花瓣運(yùn)動(dòng)應(yīng)為間歇運(yùn)動(dòng)。因此智能花卉使用伺服電機(jī)作為動(dòng)力元件,以凸輪-連桿組合機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu),以單片機(jī)為控制元件,以上述花瓣造型部分作為執(zhí)行元件,將伺服電機(jī)輸出的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為執(zhí)行元件的開合運(yùn)動(dòng),模擬花開與花謝的動(dòng)作[4]。
1)花瓣運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)位置分析
本產(chǎn)品以凸輪-連桿組合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其功能,其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖4所示。凸輪機(jī)構(gòu)采取對(duì)心直動(dòng)布置形式,滾子從動(dòng)件采取勻速運(yùn)動(dòng)規(guī)律上升和下降,同時(shí)為了保證凸輪在兩個(gè)休止位之間運(yùn)行時(shí),連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)花瓣在0°~60°范圍開合,滑塊的行程范圍須與下一步中的凸輪從動(dòng)件行程范圍相同。
圖4 花瓣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的整體工作原理如圖5所示。當(dāng)單片機(jī)輸出指令后,在伺服電機(jī)帶動(dòng)下,盤形凸輪機(jī)構(gòu)從遠(yuǎn)休止點(diǎn)開始啟動(dòng),此時(shí)花瓣處于閉合狀態(tài)。隨著盤形凸輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn),從動(dòng)件開始回落,凸輪轉(zhuǎn)角達(dá)到180°時(shí),完成回程,凸輪機(jī)構(gòu)達(dá)到近休止點(diǎn),從動(dòng)件位移處為0,花瓣執(zhí)行機(jī)構(gòu)處于“開花”狀態(tài)。隨后在近休止點(diǎn)保持一段時(shí)間,經(jīng)過推程從動(dòng)件繼續(xù)上升至原來的位置,花瓣閉合。
圖5 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
該機(jī)構(gòu)上半部分可以簡(jiǎn)化為一個(gè)偏置曲柄滑塊裝置,采用解析法進(jìn)行該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析,首先建立該機(jī)構(gòu)的封閉矢量位置方程如下[5]:
L1+L2-L3+L4=0
(1)
可寫為:aejθ1+bejθ2-cejθ3+dejθ4=0
(2)
式中:L1為曲柄AB的矢量形式;L2為連桿BC的矢量形式;L3為滑塊中心到x軸的矢量形式;L4為滑塊偏心距的矢量形式;θ1、θ2、θ3、θ4為圖中構(gòu)件AB、BC、CD、DA與坐標(biāo)軸x的方位角。利用歐拉變換將式(2)實(shí)部和虛部分離改寫可以得到:
acosθ1+bcosθ2-ccosθ3+dcosθ4=0
(3)
asinθ1+bsinθ2-csinθ3+dsinθ4=0
(4)
根據(jù)機(jī)構(gòu)幾何條件可知θ3=90°,θ4=0°,已知曲柄長(zhǎng)度L1=30mm,偏距L4=10 mm,花瓣張開的角度γ約為0°~60°,由圖中幾何關(guān)系得到θ=90°-γ,故θ1的兩個(gè)極限值為30°和90°,滑塊行程Δc和連桿方位角θ2為待求。聯(lián)立式(3)和式(4),求得:
由此可知滑塊的行程范圍Δc為
Δc=c-c′=36.2mm。
2)花瓣運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)速度和加速度分析
式(2)對(duì)時(shí)間t求一階導(dǎo)數(shù),可得機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的速度為
(5)
由于θ4為常數(shù),其導(dǎo)數(shù)為0,故可消去得到式(6)。
jaejθ1+jbω2ejθ2-jcω3ejθ3=0
(6)
使用歐拉恒等式帶入式(5),分離實(shí)部和虛部,聯(lián)立得到連桿的旋轉(zhuǎn)角速度ω2和滑塊的線速度VC如下[6]:
(7)
由于加速度又是速度的一階導(dǎo)數(shù),故式(5)對(duì)時(shí)間繼續(xù)求導(dǎo)可以得到此機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件運(yùn)行的加速度如下:
(8)
(9)
根據(jù)上述方程即可求出此機(jī)構(gòu)各構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)過程中的速度和加速度。
2)花瓣運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真分析
為了驗(yàn)證本產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是否能夠滿足設(shè)計(jì)要求,通過CATIA建立相關(guān)零件的三維模型并按照尺寸約束進(jìn)行裝配,得到機(jī)構(gòu)的虛擬數(shù)字樣機(jī)如圖6所示。對(duì)所有零部件賦予相應(yīng)的材質(zhì)參數(shù)后,導(dǎo)入CATIA中的DMU運(yùn)動(dòng)仿真分析模塊進(jìn)行分析。原點(diǎn)設(shè)定為曲柄的旋轉(zhuǎn)中心,x方向設(shè)置為水平向右,y方向設(shè)置為水平向上,模擬產(chǎn)品實(shí)際工作狀態(tài)。根據(jù)調(diào)研結(jié)果,花瓣開合時(shí)間一般設(shè)定為12s,即曲柄往復(fù)擺動(dòng)時(shí)間為12s,故曲柄的平均角速度ω1=5deg/s。按照此速度曲柄進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至限位后回?cái)[至初始位置進(jìn)行仿真。
圖6 CATIA中組合機(jī)構(gòu)模型總裝圖
本產(chǎn)品滑塊裝置運(yùn)動(dòng)位移線圖如圖7所示。由仿真結(jié)果看出其行程范圍約為34mm,且滑塊在兩個(gè)極限位置之間運(yùn)動(dòng)過程中曲柄的擺角范圍約在0°~58°內(nèi)。此結(jié)果說明滑塊的行程在圖示范圍內(nèi)時(shí),機(jī)構(gòu)能夠完成“花瓣”的開合運(yùn)動(dòng)。由于本設(shè)計(jì)采用了凸輪-連桿的串聯(lián)組合機(jī)構(gòu),滑塊的行程范圍還可以作為下一步凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。
圖7 “花瓣“運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果
滑塊的線速度和加速度如圖7(c)、圖7(d)所示。由圖線可以看出其速度波形的峰值約為5.8mm/s,其運(yùn)動(dòng)過程為加速運(yùn)動(dòng)且加速度先減小后增大。因此在運(yùn)動(dòng)開始瞬間機(jī)構(gòu)的加速度最大,由仿真結(jié)果看出此時(shí)加速度的峰值約為0.3mm/s2,但由于滑塊采用的是ABS工程塑料3D打印制作而成,其質(zhì)量m約為100g左右,故此機(jī)構(gòu)所受的最大瞬時(shí)沖擊力Fmax=3×10-4N,對(duì)組合機(jī)構(gòu)的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響較小,機(jī)構(gòu)整體運(yùn)動(dòng)平順,能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)要求。
本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制作是將現(xiàn)代科技與傳統(tǒng)景觀結(jié)合的一次大膽嘗試。產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中采用了虛擬樣機(jī)技術(shù),優(yōu)化了工業(yè)設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)制造的整個(gè)流程。同時(shí)利用3D打印這種快速成型技術(shù),直觀了解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的弊端并及時(shí)修正,降低設(shè)計(jì)與制造之間的時(shí)間成本,有利于產(chǎn)品的推進(jìn)與優(yōu)化,提高工作效率。在控制單元上使用單片機(jī)和傳感器實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的自動(dòng)化控制,通過后續(xù)的產(chǎn)品軟件系統(tǒng)完善,還可以實(shí)現(xiàn)“智慧夜景”的升級(jí)。本產(chǎn)品的推廣使用將帶動(dòng)仿真花市場(chǎng)和旅游業(yè)的發(fā)展,具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。