一種基于空心軸電機驅動的多點可控的機電裝置設計

摘 要：為了凸顯創新性、科技性和藝術性的結合，展覽館的標志性展示裝置經常采用大體量的需要多點單獨可控的機電互動裝置來實現，而該類大體量裝置的機電機構往往會出現運行不穩定、故障率較高等問題。為了很好地保證該類裝置的穩定運行，設計了一種基于空心軸電機驅動的多點可控的機電裝置，該裝置采用空心軸伺服電機驅動各節點機構進行旋轉運動，以實現節點旋轉運動的單獨精確控制;并采用CAN總線技術實現大量節點協同旋轉的穩定控制，具備運行穩定、噪聲小、故障率低等優勢，能夠達到很好的展覽效果，應用場景較多。

關鍵詞：空心軸電機;CAN總線技術;可控

中圖分類號：TP29? ? 文獻標志碼：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、企業館、商場、展覽館等場所，為追求整館的展示效果，達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，該類標志性裝置重點突出創新性、科技性和藝術性的結合，多數情況下必定采用機電互動裝置與富媒體相結合的形式，機電互動裝置能使觀眾具備相應的真實感和科技感，而富媒體可以在此基礎上進行內容的升華以及主題的表達。

為達到較好的展覽效果，機電互動裝置的設計及制作成為該類裝置是否能長期穩定運行的關鍵，一旦設計不合理，往往會使裝置在運行一段時間后出現小故障，從而導致裝置整體無法正常運行，且維修維護難，成本高。

空心軸電機作為一種技術相對成熟的電機，其主要技術特征在于電機軸為空心管，優點是能減小體積、重量、噪聲，一體多用，降低成本，使用方便;而空心軸壓電電機同傳統的電磁電機相比，具有低轉速下大力矩輸出、結構設計靈活、無線圈復雜結構、功率密度高、保持力矩大等特點[1-3]，其在鏡頭自動調焦、深空探測等一些場合具有電磁電機無法比擬的優點[4]。

基于對空心軸電機應用的研究，結合大體量標志性展品展覽的需求，本文介紹了一種基于空心軸電機驅動的多點可控的機電裝置，能夠較好地解決問題，保證展示效果。

1? ? 單節點結構設計

一般地，采用一臺普通電機實現旋轉運動是比較簡單的，直接驅動即可;或直接將旋轉部件通過連接件與電機轉軸相連接，或通過一系列傳動機構將旋轉部件與電機轉軸相連接。以上兩種驅動方式若應用于多點可控旋轉的大體量機電互動裝置，前者會占用較大空間，而使裝置整體體量較大，若外觀設計不合理，則很難體現出互動裝置的藝術性;后者由于采用了傳動機構而增加了運行過程中部件傳動帶來的故障，故障率較高。針對多點可控的大體量機電互動裝置的應用場景，本文設計了一種基于空心軸電機驅動的機電裝置。

單節點機電裝置主要由空心軸電機、運動部件等構成，如圖1所示，空心軸電機的定子（轉子）固定于軸上，轉子（定子）與運動部件直接連接;單節點裝置運行時，空心軸電機可帶動運動部件進行360°旋轉;空心軸電機采用伺服電機，可以實現對運動部件旋轉速度、角度等的精確控制。

利用空心軸電機自身尺寸較小、旋轉穩定、噪聲小等特點，可以大大縮小整體所占空間，為大體量裝置的外觀設計提供空間;旋轉部件既可以是圓柱體、圓錐體等規則形狀部件，也可以是定制的異形部件，可根據相應主題進行個性化設計，大大豐富了互動裝置的外觀表現，能夠較好地表達出科學與藝術的結合。

結構中采用旋轉部件與電機轉軸直接相連接的形式，無其他多余傳動機構，從而減少了采用傳動機構進行驅動所帶來的故障率高的問題，能有效保證節點裝置平穩順暢運行。

2? ? 多點單獨可控功能設計

通過對單節點的結構設計，實現了運動部件旋轉運動的精確控制。在實際應用到標志性展覽設備中時，往往需要眾多單節點機構同時運行且相互配合，才能達到較好的展示效果。

針對多節點的應用場景，如何實現多節點相互協同配合運作是關鍵。由于采用單個空心軸伺服電機實現對單節點的精確控制，為了實現對眾多節點的配合控制，使各單節點能單獨控制從而實現協同配合，主要對單節點中伺服電機的通信控制進行了系統化設計。系統采用CAN總線技術實現對單節點空心軸伺服電機的總體控制，能夠在保證單節點運行精度的同時，實現各節點之間穩定通信，從而使多節點協同運作，達到較好的效果。

CAN是ISO國際標準化的串行通信協議，首先在汽車產業研發成功并應用，由于汽車中多種電子控制系統之間通信所用的數據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，線束的數量也很大。為適應減少線束數量、實現大量數據的高速通信等需要，1986年德國電氣商博世公司開發出面向汽車的CAN通信協議。此后，CAN通過ISO 11898及ISO 11519進行了標準化，在歐洲已是汽車網絡的標準協議。

CAN總線技術的高性能和可靠性已被行業認同，并廣泛應用于工業自動化、船舶、醫療設備、工業設備等方面;它的出現為分布式控制系統實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術支持。

利用CAN總線技術的以上特點，基于空心軸電機驅動的多點可控裝置的電氣控制系統設計如圖2、圖3所示，將單節點機電裝置中的空心軸伺服電機通過CANET連接到工控機上，節點數量可以通過網口交換機和CAN總線進行任意擴展;工控系統能夠穩定有效地將控制信號發送到每個節點裝置的空心軸伺服電機上，控制伺服電機旋轉速度、角度等參數，從而使眾多節點能夠穩定地協同配合運作。系統中還可通過設置可編程控制器等，讓系統具備接入其他功能設備的可能性，如燈光、音樂、傳感器等，大大豐富了多節點大體量機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? ? 裝置的兩種應用場景

基于空心軸電機驅動的多點可控的機電裝置實現了單節點旋轉角度、速度等的精確控制以及多節點協同運作的通信控制，從而使整個系統能夠穩定地長時間有效運行。以下簡單介紹該裝置的兩種應用場景。

3.1? ? 第一種應用場景：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個節點（節點數量可根據情況增加）構成，如圖4所示。每個節點均采用本文所述“基于空心軸電機驅動的多點可控的機電裝置”進行旋轉驅動，單個節點由一個立方體組成，立方體的四個面分別為不同顏色和材質，可圍繞其旋轉軸依次出現在正前方;系統可以編程實現每個節點立方體旋轉的精確控制，從而能夠在整個面上呈現出不同的字母、文字、圖像等信息，突出科技感。

3.2? ? 第二種應用場景：環形多點旋轉展示裝置

裝置自上而下由10層環形多點旋轉機構組成，如圖5所示，每層環形機構為一個金屬圓環，在圓環一周上設置21個旋轉桿機構，如圖6、圖7所示，每個旋轉桿結構均采用本文所述“基于空心軸電機驅動的多點可控的機電裝置”，從而實現每個旋轉桿旋轉的單獨精確控制。整個裝置運行時，由CAN總線統一控制，通過控制各旋轉桿旋轉速度，使每層環的旋轉桿之間、不同層次的環形金屬圓環之間交錯旋轉運行，呈現出不同的運行狀態，實現神奇的大型動態展示，達到美麗而震撼的效果，使科學與藝術完美結合。

以上應用場景是基于空心軸電機驅動的多點可控的機電裝置的簡單應用，其能夠實現大體量多點展示系統的技術應用，且由于采用空心軸電機，基于其占用空間小、噪聲小等特點，能夠很好地實現藝術性外觀和科學性展示相融合。

4? ? 結語

本文對基于空心軸電機驅動的多點可控的機電裝置的設計進行了詳細論述，重點是單節點機電機構和多節點協同控制系統的論述，單節點控制機構由于采用空心軸伺服電機直接驅動，能夠實現節點旋轉角度、速度等參數的精確控制，多節點的協同控制則通過CAN總線技術，保證各節點信號傳輸的穩定，從而實現穩定運行，且具備一定的擴展性。文中還對該裝置在兩種場景下的應用進行了簡單介紹，可以看出其能夠很好地解決大體量多點可控展示裝置的技術問題，具備結構簡單、控制方便、噪聲小、運行穩定、故障率低、維護方便等優勢，應用場景較多。

[參考文獻]

[1] CHU X C，XING Z P，GONG W，et al.Vibration analy-

sis of stepping piezoelectric micro-motor using wiggle mode [J].Materials Science and Engineering B，2003，99（1/2/3）：306-308.

[2] 褚祥誠，李龍土.壓電陶瓷超聲波馬達[J].物理，2002，31（4）：229-234.

[3] 褚祥誠，袁松梅，李龍土.一種新型中空結構的行波壓電電機[J].壓電與聲光，2005，27（6）：640-642.

[4] 白永明.一種新型中空軸壓電電機的結構設計[J].機械制造與自動化，2014，43（4）：19-20.

收稿日期：2022-03-29

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