日本科技案例:无人机“NextVR”和马自达“魂动磨石”。
无人机“NextVR”:将机身设计为连接构造,提高防风性能
1.与传统的一体型机身相比,分离连接型机身的反应速度更快,因为即使机身倾斜,其重心位置也不会发生大的空间移动;
2.无人机万向节构造内置马达,可通过检测搭载部分的倾斜,使马达逆向转动,可灵活保持搭载部分的姿势;
3.“4DGravity”姿势控制技术可应用于各种用途的无人机。
Aeronext株式会社(总部位于东京)开发了一款新型无人机,将机身的两个部分——利用螺旋桨产生升力的部分(飞行部分)和搭载机器材料、货物等的部分(搭载部分)——连接起来。通过在硬件上进行创新,打破了软件上的控制界限。
将机身设计为连接构造的目的之一,是提高新型无人机的抗风性能。例如,用于视频拍摄用的“NextVR”无人机能在平原地带50m以上的空中飞行,并可承受风速10-15m/s的常见风。而重量在5Kg以下的普通无人机在风速5m/s的风中很难完成拍摄工作。减小机身重心位移,提高反应速度为什么先将机身分为飞行部分和搭载部分,再将这两个部分连接起来的构造(以下简称“分离连接型”)能够提高无人机的抗风性能?影响抗风性能的因素很多,在此我们只讨论机身受风影响后发生前后移动的问题。
在这种情况下,为了回到原先的位置,无人机搭载的多个螺旋桨的转数和产生的升力会出现差别,使机身倾斜。如果无人机能以较快的反应速度倾斜,就可以“保持位置恒定”。与传统的一体型机身相比,分离连接型机身的反应速度更快,因为即使机身倾斜,分离连接型无人机的重心位置也不会发生大的空间移动。分离连接型无人机即使倾斜,机身(飞行部分)的重心位置也基本不会发生大的空间移动,提高了修正机身位置与姿势的响应速度,同时增强了抗风性能。另一方面,传统的普通无人机(一体机)在机身倾斜时,重心位置会发生空间移动,引发逆向倾斜(使之旋转)的力,所以需要提高一侧的螺旋桨转数,响应速度变慢。
一体型机身的升力中心和机身重心相距很远,且通常重心低于升力中心。因此,当机身倾斜时,在重力的作用下容易产生反方向旋转的力,上升侧的螺旋桨上需要一个更大的力。另一方面,分离连接型无人机上,载有螺旋桨的飞行部分的升力中心和机体重心基本保持一致,从而能够用较小的力使机身尽快倾斜。此外,固定相机等零件的搭载部分被连接到了飞行部分的重心附近。通过万向节构造将两个部分连接起来,即使飞行部分旋转,搭载部分也不会受其影响。万向节构造内置马达,保持搭载部分稳定万向节构造的自由度根据用途而不同。例如,用于拍摄视频的无人机,可以通过水平面上的两个正交轴实现自由旋转。这两个轴中都包含一个电机。
上述构造能避免飞行部分的倾斜影响到搭载部分,但搭载部分仍有可能因为直接受到风的影响而摇晃。因此,通过检测搭载部分的倾斜、使马达逆向转动,可以灵活保持搭载部分的姿势。此外,用于视频拍摄的无人机的搭载部分呈细长状棒状结构,上下两端装有相机。而且,上下至连接位置的长度几乎相同,在搭载部分的重心附近连接起来。通过平衡顶部和底部,能够减少搭载部分移动时的负荷。同时,飞行部分的横向移动也不会影响到搭载部分的旋转。Aeronext株式会社将这种姿势控制技术命名为“4DGravity”,已将其应用于视频拍摄及其他各种用途的无人机中。例如,Aeronext已经开发了一款用于运输的“NextDELIVERY”和用于基础设施检查和测量的“NextINDUSTRY”。
“NextDELIVERY”可用于运输食品和精密仪器。此外,飞行部分和运输部分采用了“一个自由度”的连接。这样一来,当飞行部分因为转弯而倾斜时,运输部分也能顺势倾斜。这一设计考虑到了转弯时货物所受的离心力。综上,连接的自由度和连接的位置一般会根据应用的不同而不同,但分离连接构造可以通用。Aeronext公司表示,将利用这项技术来扩展无人机在工业方面的应用。
马自达“魂动磨石”:利用材料小孔除去金属粉末
1.“魂动磨石”借助表面多个小孔除去切削产生的金属粉末,防止对金属模具造成严重的伤害;
2.魂动研磨可使磨石沿特征线的垂直线方向工作,避免破坏性起伏和弯曲;
3.生产技术人员与设计师互学技术,力求精准实现设计意图。
马自达自主研发的磨石,用于研磨车身面板的冲压成型用金属模具。其形状与以往的磨石有很大差异——能够借助表面的多个小孔除去切削产生的金属粉末。金属粉末进入表面的孔里后,能避免对金属模具造成严重伤害。实际上,借助以往的磨石,金属模具表面的粗糙度(即表面粗糙度,Rz)甚至比机械加工后的状态都要大。
不仅是设计面的光滑度,从冲压成型时的材料流入性和涂饰质量方面来讲,也需要降低最终金属模具的表面粗糙度。为此,马自达公司技术总部模具生产部部长桥本昭表示:“如果(模具表面)粗糙,就需要在后续工序中进行打磨加工。但如果伤痕太深,金属模具的研削量就会增加,这样会导致模具形状变瘦。”以往的研削量约为12μm,结果金属模具曲面歪斜,导致形状变瘦。
精准再现设计师的意图
“魂动磨石”和“魂动研磨”两项新技术是在马自达的艺术活动中产生的。在艺术活动中,生产技术人员与设计师共同制作金属模具。该活动的最大目的,是使最终呈现的车体形状能更精准地再现出设计师的意图。据马自达公司相关人员介绍,以往由于生产技术等制约,车体实体较瘦,与设计师的设计有出入,失去了生命感和跃动感。
因此,生产技术人员与设计师共同制作一件模具,把握并解决生产技术方面的课题,从而再现设计师的意图。艺术活动上制作的模具全都被设计成能够应用于实际车辆的构造。例如,被命名为“猎豹”的模具的设计要素就应用在了现行车“CX-3”及“CX-5”上。马自达公司将采用“魂动设计”的模具称为“御神体”,并从年开始开展“御神体活动”,意在利用“御神体”共享想法,提取技术性课题。
此外,在年10月开幕的“第45届东京车展”上,马自达公司还展示了名为“ArtPiece”的金属制作品。据马自达技术总部部长安达范久介绍,它是延续了“猎豹”作品的新一代作品,是年设计的原型。通过“ArtPiece”的制作,马自达公司优化了魂动切削和魂动研磨,研发了“魂动切削II”及“纸抛光”等技术,进一步优化了加工精度和表面粗糙度。利用这种技术,借助“ArtPiece”所实现的设计将通过年度发售的汽车再现出来。作为新一代概念车展示过的“VISIONCOUPE”的挡泥板,也利用了“ArtPiece”的设计。
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