莲花台设计说明书

设计者：刘佳超 王茂林 孟林艳 戴麟霄 张朝阳

指导老师：段清娟

（西安电子科技大学机电学院 西安：710000）

作品内容简介

摘要： 在生活水平日益提高的同时人们的欣赏水平的也得到了提高，创造出一些装饰用的器具变得必然，用一些简单的机械结构可以简单地实现对美化装置的控制，使得控制变得简单容易易实现。莲花台可以广泛的用于生活用品的装饰，在曲摇块机构的基础上又采用螺旋式组合使多组机构可以采用单一动力元件实现同步控制，使得结构变得简单紧凑，同时解决了多组机构互相干扰的问题，制造工艺上用激光切割，材料是亚克力板美观且容易加工。同时这个机构容易安装，可以用于较多的用品上可移植性较高。可以作为整体模块作为装饰品用于不同的生活用品上。

关键词：曲柄摇块 螺旋式组合 电机 流水灯

1. 作品背景及意义

近年来，随着我国经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，越来越多的家庭娱乐机械已经悄悄得走进了我们的生活，给我们生活增添了丰富的生活情趣。据可靠数据资料分析,我国每年花卉市场消费额达540个亿左右。花卉市场蕴含着巨大的潜力与商机。随着近几年国际室内装饰业每年以40%以上的速度递增，绢花和塑料花一年的产业需求也在数百亿元以上市场需求十分巨大。

随着中国经济的迅速崛起以及对外交流的进一步深入，中国的工艺美术品市场正经历前所未有的巨大机遇，传统工艺美术产业已经成为我国经济和社会发展新的增长点，随着“收藏是继金融证券、房地产之后的又一大投资领域”的观念逐渐被接受，2010年上海世博会等，这些都将会给我国的工艺美术品行业带来更大的机遇。作为与文化、旅游、家居装饰产业紧密相连的工艺美术产业，迎来了难得的发展机遇。工艺花灯作为一种家用装饰也越来越得到人们的青睐，由此我们设计了一种莲花台，利用简单的可伸展机械机构来实现花瓣的张开与闭合运动，使得人们在作为家用装饰品的同时还可以休闲娱乐。同时我们可以发现在我们日常生活中见到的灯都是传统的静态的灯，我们的工艺花则是将动态的花瓣开放的过程完美的呈现了出来，而目前市场上还没有类似的产品出现，因此我们的产品具有相当大的市场前景。此作品在装饰领域运用模块化设计使得产品的应用范围大为增加，为各种类似的用具都可以提供装饰效果。

而在以往的中过古有的文化中，花的各色各样已被各路文人墨客描绘的传奇直至，也在神话中是此起彼伏，哪吒是莲花之身，人们所崇拜的观世音菩萨是坐着莲花悟道的，莲花给人的影响是圣洁的，故此唐朝有“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”的绝世佳话，也给荷花添上了神秘的面纱。在这些文化背景的映衬下，经过2个多月的努力，莲花台在这种环境下设计制作成功。在简单的机械机构的运作中，将花朵的展开闭合展现出来，进入家庭中，将会给生活带来无尽的乐趣。

2. 设计方案

2.1产品原理

莲花台的是一款利用电机驱动，实现预定要求动作的一体化机械家庭娱乐设施机构。该产品主要是由螺旋式曲柄摇块机构，灯光模块，动力部分组成，其基本原理是采用减速电机作为提供力矩的动力装置，采用螺旋式曲柄摇块机构将电机的回转运动转化为平面运动，同时实现了多组机构有单一动力元件提供动力的同步运动，从而带动花瓣完成预定动作。

2.2主要组成部分

2.2.1 机械部分

2.1.1曲柄摇块机构

曲柄摇块机构结构紧凑，运动轨迹确定，可以通过计算得到准确的运动轨迹，并且可以通过调节各连杆长度达到改变轨迹的目的，此机构采用曲柄摇块机构将执行部分装在连杆上，动力驱动元件装在曲柄上，可以将圆周运动转换为平面运动，将圆形轨迹转化为非圆轨迹，可以满足花瓣的运功轨迹需求，可用matlab计算求出轨迹。

计算过程：

以曲柄中心为原点建立直角坐标系：

设曲柄端点坐标为（a,b） ，连杆端点坐标为 (x,y)。

关系式如下：

优点：

1、能够实现多种运动形式的转换，也可以实现各种预定的运动规律和复杂的运动轨迹，容易满足生产中各种动作要求；

2、构件间接触面上的比压小、易润滑、磨损轻、适用于传递较大载荷的场合；

3、机构中运动副的元素形状简单、易于加工制造和保证精度。

鉴于曲柄摇块机构的这些优点，经过理论设计分析，曲柄摇块机构的满足机构实现相关功能的要求。通过对曲柄部分进行改进，采用了如下图所示的螺旋式曲柄传力装置，改进后的曲柄依靠旋转中心作为等效曲柄中心，连接弧半径为等效曲柄长。曲柄摇块机构将曲柄的回转运动转化为连杆的平面运动，从而带动单个花瓣运动。

采用多层设计可以实现多组曲柄摇杆机构的同步独立工作，避免在同一平面的互相影响而不能完成曲柄的圆周转动。多个曲柄滑块机构利用螺旋式的设计进行连接，以满足多个滑板的配合运动。螺旋式曲柄是将多个曲柄机构放置在不同的平面上，各个曲柄运动相互独立，互不干扰。在实现传动要求力矩的基础上，巧妙地避免了由于多个曲柄周转而产生的碰撞问题。并且可以留出接口可以提供增减机构的需求，此部分可以作为模块化设计的应用，接口满足各类组合的需求。各个曲柄平面之间靠连接弧和销轴固定，考虑到销轴连接部位的薄弱性，我们经过研究和实验，最终采用亚克力板材料，满足所需强度需求，并且也显得大方美观。这也正是我们产品的创新点与亮点之一。

各个驱动平面的曲柄摇块机构在统一的动力下，根据曲柄连杆的设计使连杆按照预定的伸缩方式进行运动，从而带动连杆上固定的花瓣实现模拟开合的效果。

2.1.2齿轮联动机构

通过分析机构的整体受力和扭矩的情况，选用直流12V转速5r/min的电机带动齿轮机构并且采用外齿轮啮合将电机的力矩传递到中间的主动轴上，通过轴的转动传递到曲柄机构，曲柄再带动中间的主要机械部分进行有序的工作。

2.2.2 灯光部分

这部分我们设计采用的是贴片流水灯和LED灯。通过设计加工将流水灯贴到中间的托盘上，作品采用透明亚克力板。彩色流水灯可以利用光的折射原理透过中层板和顶层版，在灯光下使得机构的装饰效果更加理想，观赏性更强。顶层板的LED灯采用3V直流电源供电，对于灯光控制采用单独电源供电与传动机构动力元件电源分开可以实现单独操作，上层板也采用模块化设计，可以单独拆卸进行装饰。

2.2.3 动力部分

采用 12V直流电机转速 n=5r/min,电机平稳性要求较高，转速的调节可实现机构的转动速度，为了演示需要，将电机的转速设定在5r/min。在转动过程中电机的不平稳性会随着曲柄摇杆机构中的连杆放大，震动会随之增加。同时在装饰方面缓慢地展开可以更加体现出作品的中心机构设计思路。电机装在最底层板子上，采用两个模数为0.5齿数分别为18、32的齿轮外啮合传动。中心轴最顶端采用正方形实行集合封闭传动，能够精确的进行传动。作品对动力的平稳性要求较高，齿轮传动解决了这一问题，齿轮传动可以很好的平稳传动扭矩，但是由于电机转动的平稳性影响作品工作。为了解决这一问题，选用了功率较大的电机带动机构运动。

3.使用方法

首先将中间最底层底板上的控制电机的开关打开，这样通过一系列的机构传动就可以实现花瓣的运动。如果有灯光的需要，可以将最上面的一层板上的控制流水灯和LED等的开关打开。这两个开关相互独立，可以根据需要来调节。

上层板LED流水灯采用模块化设计，可根据需要进行拆卸，单独装饰，上面LED灯拆卸后整个莲花台可以单独装饰在需要的用具上，例如桌子、茶几等。

4.设计性能分析

4.1 技术要求

 采用亚克力板材料，用激光切割技术

 12V直流电源

 铝合金支撑柱

 三层复合设计

4.2 整体机构的受力分析

如图所示：由亚克力材料许用应力校核应力

计算步骤：

在连杆伸出最外的时候弯矩最大：载荷重量0.2kg

最大弯矩为：

矩形截面抗弯系数为：

连杆弯曲应力计算：

代入数据计算得：

查表得到亚克力许用应力为：

满足应力要求。

经过分析计算，结合我们产品的性能要求，采用200mm的连杆满足曲柄提供的受力需求。

4.3电机的受力分析

设电机提供的力矩为：

单个曲柄所粗测需要力矩为：

考虑到力矩传递过程中的损失（包括齿轮啮合损失及摩擦损失等），假设传递效率为n ，则电机所需提供的力矩需满足的条件是：

4.4 转动速率及齿轮传动比计算分析

设电机配置齿轮齿数为18 ，转速为

，曲柄轴齿轮齿数为 32 ，则齿轮啮合传动比为：

计算得曲柄转速为:

5. 设计创新点

 使用螺旋式符合结构组装多个曲柄连杆机构，使其可以在单一动力源下同时工作，螺旋式组装可以使不同的连杆工作在不同的水平面上，达到互不干扰的目的

 大部分机构都采用激光切割的现代加工工艺，使得加工程序简单化

 产品性能结构简单实用，生产成本较低

 灯的开关和电机的开关两者互不干扰，可以根据需要来调节

 既可以当工艺品，又可以作为装饰的灯来用

6. 可行性及市场分析

6.1可行性分析

本作品不仅具有令人赏心悦目的外观，还能起家庭室内装饰的作用。我们只用了单一的动力源就可以实现多个机构的平行运动，而且互不干扰。主要用于装饰品的附属部分，功能区还可以任意搭配组合实现多用途。机构简单，材料强度要求较低，可以批量生产，在装饰领域可以得到广泛推广。模块化的设计使得此机构可以更为广泛的应用于装饰用的器件上。

产品的制作工艺简单，螺旋式曲柄摇块机构机械结构紧凑，可以方便拆卸，模块化设计使得在不同的产品上都可以附加安装，花瓣部分与LED灯光部分处于不同的层面可以分开使用。

6.2市场分析

随着社会经济水平的发展，人们的生活品味和消费格调也越来越高，追求时尚，注重品质，崇尚个性，居住环境日益改善，在海外，时尚家用家饰一直占据消费品市场的巨大份额。据统计，2002年欧美国家家用家饰的消费比例由2001年的15%上升到28.5%，一年内提升了10多个百分点，每年打造数十个乃至上百个经营家用家饰的富翁。中国13亿多人口，数亿个家庭，而这个数量相当于整个欧洲的几倍。即使每一个家庭平均每年只消费200元在家用家饰上，中国就有1000亿元左右的市场。而市场调查数据表明，大多数家庭每年的家用家饰花费远不止于此，所以我们这个莲花台用于家用装饰品还是有一定的市场前景的。

目前市场上出售的灯具等大多数都是静态的，而动态的灯特别的少，而我们的作品呢，则是将传统的灯具变成动态的作品，这样的话，创新性非常的大，打破了传统市场的静态的灯具市场，具有的市场潜力巨大。

我们这个莲花台也可以作为一种工艺品，所谓工艺品是以美术技巧制成的各种与实用相结合并有欣赏价值的物品。而莲花台不仅具有观赏价值，还可以当装饰的灯来使用。

我们这个机构目前还只是个雏形，还可以根据需要把它运用到各个需要伸展的机构当中去，比如可伸展桌子之类的家具，从而可以将机械装置巧妙地应用在家庭娱乐方面，其他方面的应用还有待进一步开发。

7. 设计中遇到的问题

1、刚开始联接中间曲轴和连杆的时候只是想到了用销连接就可以实现功能，但在制作的过程中发现用销联接的话曲轴也会转动，后来将销改成长方体柱子联接，这样就只是中间的连杆机构转动了。

2、在机构制造过程中对精度要求和材料刚度要求较高，试验品的加工误差较大，导致在测时过程当中的数据不准确，改进之后可以得到精确地数据和轨迹图。

8. 作品实物图

参考文献

[1] 机械设计手册. 机械工业出版社

[2] 李伟主编. 中文版AutoCAD从入门到精通. 清华大学出版社

[3] 林清安主编. 零件装配与产品设计. 电子工业出版社

[4] 钟日铭主编. 机械设计实例教程. 清华大学出版社

装配图：

零件图：