智幻走马灯运动机构设计

按最初的规划，走马灯的部分需要用电机驱动，为此我观察了很多 3D 走马灯的结构设计方案后，决定自己尝试做一个运动机构设计。

灯笼内部支持与转笼结构设计

在完成第 3 周的激光切割作业后，我就拿到了由薄木板拼接而成的灯笼的外部结构，现在要在这个基础上设计一个可以旋转的灯笼内部结构。

组装好的灯笼外壳感觉很坚固的样子

底部支持结构

我在第 3 周的 Fusion 文件基础上，首先设计了一个底部支持结构，并用 3D 打印机输出了一版，结果发现尺寸过大（我忽略了 6 片围栏的厚度），导致完全无法放入底部框架。

第一版设计失败，尺寸过大，导致无法安装

第 2 次我预留了外侧栏的厚度，重新调整了设计，Fusion 的设计效果如下图所示。

修改后第 2 版的底部支撑结构设计

再次用 3D 打印输出了设计，这次感觉正合适。

第 2 次的底部支撑结构的设计感觉正合适

灯笼转笼的设计

灯笼底部我在中轴使用了一个圆锥状结构，可以插入底部支持结构的柱状圆环中，这样转笼就能够方便的转动。通过 6 根灯转笼柱，彼此固定的结构，

转笼底部分为 2 部分，带圆锥的黄色底盘和蓝色的外框，彼此嵌套后，可以锁紧 6 根转笼立柱

转笼上部分我用了相同尺寸的蓝色外框，并在上盖板中心开孔，并做了一个带齿轮的轴，中间的孔洞我打算作为穿灯条的孔。

转笼的上盖板开孔并做了带齿轮的轴

整个结构设计好后，我输出 STL 并用 3D 打印出这 10 个零件进行组装，结果发现上下盖板和 6 根立柱的间隙预留的过大（多了 1mm），导致立柱和上下盖板无法彼此支撑固定，整个转笼倾斜，以至于放到底部支撑板时都无法旋转。

转笼上下盖板和 6 根立柱的间隙过大，导致整个结构松散无法使用

我将上下盖板到立柱的间隙扩展了 1mm，入下图所示。

在平面草图模式下，将上下盖板到立柱的间隙扩展了 1mm

为了确保设计有效，我打印了一个蓝色的下盖板进行测试，发现这个修改能让立柱得到很好的固定（下图左），确定有效后，重新输出打印了上下盖板，现在转笼结构能够很好的支撑。

先试打一个盖板，测试缩小间隙对固定 6 个立柱有效（左图），然后重新输出了上下盖板得到支撑结构良好的转笼（右图）

上部齿轮舱设计

看了一些齿轮设计的资料，初步确定了我的项目的齿轮模数，这样其他齿轮使用相同模数就能确保顺利咬合。

模数计算

在齿轮设计中，模数（module）是齿轮尺寸的一个关键参数，定义为齿距（齿与齿之间的距离）与圆周率（π）的比值，单位通常为毫米。模数的计算公式为：

模数 m = d / z

其中：

• d：齿轮的分度圆直径（mm）
• z：齿轮的齿数

齿顶圆直径：da = m × (z + 2)

我初步规划了一个走马灯中轴上的传动齿轮方案，齿顶圆直径（da）设置为 20mm，我计划将齿数（z）设置为 16。

转笼中轴的齿轮平面草图

GF Gear Generator

安装后，在实用程序栏可以看到这个插件，现在就可以方便的创建齿轮了。

安装 GF Gear Generator 插件后，会在实用程序多出一个图标

点击 GF Gear Generator 工具，会弹出一个设计各种类型齿轮的菜单。我只需要正齿轮（Spur Gear）。

GF Gear Generator 工具可以选择多种不同的齿轮类型

在正齿轮的窗口，我输入上面测试得到的模数 1.11mm，然后输入齿数 16，设置齿轮厚度 为 4mm，压力角（Pressure angle）使用默认值 14.5 度。确认后就得到了图示的齿轮结构。

创建正齿轮

我初步设计了齿轮舱，并打算使用 3D 打印的轴来固定齿轮，如下图所示。

初步设计的齿轮舱，打算用 3D 打印的轴来固定齿轮

但打印好后发现 PLC 材料的强度很有限，用很小的力气都能让脆弱的轴折断，如下图所示，这会导致整个结构报废。所以我考虑使用 4mm 直径的钢轴来承载这些传动齿轮，而且对我的项目来说只需要 2cm 长度，有 2 根就够了。

在淘宝看了很多，发现这种小钢轴的最低起售数量是 100 个，而且价格极其便宜，我支付了 4.22 RMB，就拿到了 100 个，多余的留在柴火空间给需要的人用吧。

100 个 4mm 直径，2cm 长的钢轴，算邮费只需 4.22 元 RMB，有点难以置信

为了找到适合的孔径，我设计并打印了 3 个不同孔径的齿轮，分别是直径 4mm、4.2mm 和 4.25mm。结果发现：

• 4mm 的钢轴完全无法插入；
• 4.2mm 可以较为轻松的插入，但转动齿轮会需要稍微用点力量，适合作为钢轴底座的轴孔，让钢轴能插入底座但又不至于太松动；
• 4.25mm 的感觉正好，能很轻松的插入，且齿轮能很顺畅的转动，所以这个尺寸我就用作齿轮的轴孔。

3D 打印测试不同的齿轮孔径在 4mm 钢轴的效果

尝试将几个齿轮摆放在合适的位置，说实话，我在这方面还谈不上什么经验，就是觉得这样应该差不多能行。

通过顶部视图调整几个齿轮的位置

经过一番尝试后，初步完成了齿轮舱和齿轮结构的设计，齿轮舱的盒装结构是用来放置电机的，如下图所示。

初步完成的齿轮舱和齿轮结构的设计

3D 打印齿轮舱和齿轮，并装上了钢轴后的效果。

尝试转动灯笼转笼，感觉效果不错，转笼和齿轮都能顺畅工作，见下面的视频。

购买了拓竹小火车模型组件：https://detail.tmall.com/item.htm?from=detail&id=794818823372&skuId=5589242529650&spm=tbpc.orderdetail.suborder_itemtitle.1.5ae06aa6YUIz6Q，找到这个双侧出轴电机：

N20-10D双侧出轴电机-130rpm，售价约 RMB ¥30.02

产品参数

产品 ID	LA009
输入端	SH1.0-2P
额定电压	3V
工作电压范围	2V ~ 4V
堵转扭矩	350
空载转速（RPM）	130
电机转向	CCW
出轴类型	侧向双出D型轴

接下来，我准备在齿轮舱上增加一层电子设备层，重新设计一个圆形的 PCB。