一种适用于智能互动风洞平台的像素化机械升降装置

摘要

本发明公开了一种适用于智能互动风洞平台的像素化机械升降装置，包括可分离的上段和下段，上段包括观察窗，下段包括滚珠轴承、若干个机械升降单元和可移动框架；滚珠轴承包括上滚珠轴承和下滚珠轴承，分别设于机械升降单元的顶部和底部，底部均与可移动框架连接，上滚珠轴承嵌合入观察窗底板的孔洞，下滚珠轴承还连接旋转驱动装置；机械升降单元包括被测模型单元、支撑结构、传动齿条和升降驱动构件，被测模型单元顶部预留电子传感器放置口，机械升降单元底部与下滚珠轴承可拆卸连接；旋转驱动装置、升降驱动构件和电子传感器均连接控制器。通过像素化的机械升降单元对城市、建筑进行近似性模拟，实现了风洞内实验模型的连续变化。

权利要求

1.一种适用于智能互动风洞平台的像素化机械升降装置，其特征在于包括可分离的上段（6）和下段（7），所述上段（6）包括观察窗（8），下段（7）包括滚珠轴承、若干个机械升降单元（20）和可移动框架（22）；

所述观察窗（8）为长方体，高长比为0.4‑0.5，包括金属框架（12），所述金属框架（12）在长度方向的两侧留空，其他各面分别连接顶板（10）、后板（11）、可开合窗门（13）和底板（14），所述金属框架（12）与可移动框架（22）为可拆卸连接；底板（14）上开有孔洞；

所述滚珠轴承包括上滚珠轴承（9）和下滚珠轴承（21），分别设于机械升降单元（20）的顶部和底部，底部均与可移动框架（22）连接，所述上滚珠轴承（9）嵌合入观察窗（8）的底板（14）的孔洞，所述下滚珠轴承（21）还连接旋转驱动装置（31）；

所述上滚珠轴承（9）位于观察窗（8）下方，从上至下依次包括滚珠轴承顶板（15）、升降单元限位顶板（16）、若干滚珠（17）、滚珠限位板（18）和垫板（19），所述滚珠轴承顶板（15）和升降单元限位顶板（16）边界重合，共同对机械升降单元（20）进行限位，板件间粘合在一起，所述垫板（19）与可移动框架（22）的顶部框架连接；

所述下滚珠轴承（21）从上至下依次包括升降单元限位底板（29）、若干滚珠（17）、滚珠限位板（18）和承重垫板（30），所述机械升降单元（20）的支撑结构（24）底部通过法兰板（28）连接升降单元限位底板（29），所述升降单元限位底板（29）边缘为齿轮，所述旋转驱动装置（31）为步进电机，升降单元限位底板（29）边缘的齿轮与步进电机上的齿轮咬合，所述承重垫板（30）与可移动框架（22）的下部框架连接；

所述升降单元限位底板（29）上设有若干空洞和定位凸榫，与机械升降单元（20）和法兰板（28）对应，所述法兰板（28）上设有三个孔，两侧的孔为定位孔，连接定位凸榫，中间的孔用来对法兰板（28）和升降单元限位底板（29）进行紧固；

所述机械升降单元（20）包括被测模型单元（23）、提供导轨的支撑结构（24）、与被测模型单元（23）连接的传动齿条（25）和升降驱动构件（26），所述被测模型单元（23）顶部预留电子传感器放置口，所述机械升降单元（20）底部与下滚珠轴承（21）可拆卸连接；所述旋转驱动装置（31）、升降驱动构件（26）和电子传感器均连接控制器。

2.根据权利要求1所述的适用于智能互动风洞平台的像素化机械升降装置，其特征在于，所述被测模型单元（23）包括两个互相咬合的实验模块，实验模块顶部预留可供放置电子传感器的开口，所述支撑结构（24）包括两根导轨，分别对应两个实验模块和一个升降驱动构件（26），所述传动齿条（25）置于导轨中，顶部与被测模型单元（23）底部粘接。

3.根据权利要求1所述的适用于智能互动风洞平台的像素化机械升降装置，其特征在于，所述升降驱动构件（26）包括舵机支架（32）和置于其中上下错层放置的两个伺服舵机（33），所述舵机支架（32）连接其两侧的两个机械升降单元（20）的导轨，所述伺服舵机（33）上的齿轮与传动齿条（25）的齿条段相接。

4.根据权利要求1所述的适用于智能互动风洞平台的像素化机械升降装置，其特征在于，所述控制器为ARDUINO电箱（27），ARDUINO电箱（27）与电脑连接，用来读取实验数据并控制旋转驱动装置（31）和升降驱动构件（26）工作实现机械升降装置的生形，所述ARDUINO电箱（27）固定于机械升降单元（20）的一侧，随若干个机械升降单元（20）整体一起转动。

5.根据权利要求1所述的适用于智能互动风洞平台的像素化机械升降装置，其特征在于，所述可移动框架（22）包括铝型材框架（34）和其底部的移动轮（35）。

说明书

一种适用于智能互动风洞平台的像素化机械升降装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种适用于智能互动风洞平台的像素化机械升降装置，属于城市风环境模拟技术领域。

背景技术

[0002] 随着高密度城市建筑群的发展，针对城市风环境影响进行初期概念设计决策成为研究城市高层建筑群体设计的重要课题。以环境性能为切入点的逻辑化生成设计离不开大
量性能数据的分析支持。

[0003] 目前受制于模型细节程度和风环境模拟时长的博弈；同时借助于后互联网时代人工智能技术与传感技术的快速发展，采用物理风洞与动态机械装置的物理交互实验方法则
具有可感知性和数据实时性的双重优势，能够在短时间内快速产生大量形体与环境数据，
契合用机器学习进行从性能到形体的预测需求，提供一种有别于计算流体动力学软件CFD
的风环境性能化设计范式。因此，研发一种成本低、适用于智能互动风洞平台的快速生形切
能实时反馈的风洞实验装置十分有必要。

[0004] 目前有一适用于智能平台的风洞，可以通过电子传感器、ARDUINO板以及电脑程序实现实验物理数据的收集与即时传导，完成与建筑设计模块的无缝对接，将基于真实环境
模拟的测量数据直接反馈到建筑生形和形态优化过程中，节省大量数据转化和模型制作时
间。

[0005] 目前有一种基于3D打印技术的超高层建筑风洞试验模型，采用3D打印成型，多层可调节结构，可以模拟不同结构不同层数的超高层建筑，且各部件可以通用，制备方便可重
复使用。现有应用于城市风环境的物理风洞实验装置通常使用3D打印的模型作为实验体或
制作简单的互动装置进行风洞实验，但这样的无互动或简单互动实验模型或装置需要时间
进行打印或手动放置，很难实现方案模型的连续风环境模拟和优化生形，极大的降低了方
案模拟和优化生形的效率，生形时间变长。现有用于风洞的可调节或互动模型通常只适用
于特定类型甚至特定形态的建筑，不能广泛用于各类不同形态的建筑或是城市街区形态，
适应性较差，不能根据特定方案进行调整。现有应用于风洞的像素化可连续变化实验装置
精度只能满足对地形条件的模拟，达不到建筑或城市模型生形的精度。

[0006] 公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域普通技术人员所公知的现有技术。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种适用于智能互动风洞平台的像素化机械升降装置，通过像素化的机械升降单元对城市、建筑进行近似性模拟，实现了风
洞内实验模型的连续变化。

[0008] 为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

[0009] 一种适用于智能互动风洞平台的像素化机械升降装置，包括可分离的上段和下段，所述上段包括观察窗，下段包括滚珠轴承、若干个机械升降单元和可移动框架；

[0010] 所述观察窗可拆卸连接于可移动框架顶部，设有可开合窗门，底板上开有孔洞；

[0011] 所述滚珠轴承包括上滚珠轴承和下滚珠轴承，分别设于机械升降单元的顶部和底部，底部均与可移动框架连接，所述上滚珠轴承嵌合入观察窗底板的孔洞，所述下滚珠轴承
还连接旋转驱动装置；

[0012] 所述机械升降单元包括被测模型单元、提供导轨的支撑结构、与被测模型单元连接的传动齿条和升降驱动构件，所述被测模型单元顶部预留电子传感器放置口，所述机械
升降单元底部与下滚珠轴承可拆卸连接；

[0013] 所述旋转驱动装置、升降驱动构件和电子传感器均连接控制器。

[0014] 本发明所述观察窗为长方体，高长比为0.4‑0.5，可保证空气平直、稳定地通过。观察窗包括金属框架，所述金属框架在长度方向的两侧留空，其他各面分别连接亚克力顶板、
亚克力后板、可开合窗门和亚克力底板，亚克力板间可以通过榫卯接缝咬合，与金属框架通
过角码连接，并用热熔胶涂抹接缝以保证密闭性，可开合窗门通过金属合页和内六角螺丝
与观察窗的框板连接，使其可上下开合，所述金属框架与可移动框架为可拆卸连接。

[0015] 本发明所述上滚珠轴承位于观察窗下方，从上至下依次包括滚珠轴承顶板、升降单元限位顶板、若干滚珠、滚珠限位板和垫板，所述滚珠轴承顶板和升降单元限位顶板边界
重合，一起对机械升降单元进行限位，板件间用胶粘合在一起，所述垫板与可移动框架的顶
部框架通过螺栓连接。常态下观察窗的底板、滚珠轴承顶板和所有机械升降单元的顶面处
于同一水平面上，观察窗的底板构成非实验域，滚珠轴承顶板和机械升降单元共同形成实
验域。

[0016] 本发明所述下滚珠轴承从上至下依次包括升降单元限位底板、若干滚珠、滚珠限位板和承重垫板，所述机械升降单元的支撑结构底部通过法兰板连接升降单元限位底板，
所述升降单元限位底板边缘为齿轮，所述旋转驱动装置为步进电机，升降单元限位底板边
缘的齿轮与步进电机上的齿轮咬合，步进电机用于驱动机械升降单元进行旋转，所述承重
垫板为金属垫板，与可移动框架的下部框架连接。所述滚珠轴承的滚珠及滚珠限位板可以
消减机械升降单元旋转时的摩擦力。

[0017] 本发明所述升降单元限位底板上设有若干空洞和定位凸榫，与机械升降单元和法兰板对应，所述法兰板上设有三个孔，两侧的孔为定位孔，连接升降单元限位底板上的定位
凸榫，中间的孔可以通过法兰螺栓对法兰板和升降单元限位底板进行紧固。

[0018] 本发明所述被测模型单元包括两个互相咬合的3D打印实验模块，实验模块顶部预留可供放置电子传感器的开口，所述支撑结构可以为铝金属支撑结构，包括两根导轨，分别
对应两个实验模块和一个升降驱动构件，所述传动齿条可以为亚克力传动齿条，传动齿条
置于导轨中，顶部与被测模型单元底部粘接。

[0019] 本发明所述升降驱动构件包括舵机支架和置于其中上下错位放置的两个伺服舵机，舵机支架可以为SLA层积式打印舵机支架，所述舵机支架连接其两侧的两个机械升降单
元的导轨，所述伺服舵机上的齿轮与传动齿条的齿条端相接，用来驱动传动齿条及其连接
的被测模型单元升起，所述传动齿条升起高程最大为250mm，所述伺服舵机与控制器连接。

[0020] 本发明所述控制器为ARDUINO电箱，控制器与电脑连接，用来读取实验数据并控制旋转驱动装置和升降驱动构件工作实现机械升降装置的生形，所述控制器固定于机械升降
单元的一侧，随若干个机械升降单元整体一起转动，防止线路缠绕。

[0021] 本发明所述可移动框架包括铝型材框架和其底部的金属移动轮。

[0022] 与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

[0023] (1)本发明所述机械升降装置通过像素化的机械升降单元对城市、建筑进行近似性模拟，实现了风洞内实验模型的连续变化。

[0024] (2)本发明所述机械升降单元，每一个被测模型单元都配置一个升降驱动机构，可以自由升高不同的高度。整体升降装置可根据设计方案或优化需要实现风洞内模型的连续
变化，且可以结合电脑软件进行方案的模拟、优化和迭代生形。

[0025] (3)本发明所述机械升降单元与限位底板通过法兰板进行连接，既保证了定位精度，可方便了升降单元的抽取，被测模型单元的两个3D打印模块，可以不通过螺栓实现拆装
和拼接，方便取出单个机械升降单元进行替换和调试。

[0026] (4)本发明所述机械升降装置上段可以与下段分离，并设置有可开合观察窗，且与风洞其它部分可以分离，方便对于升降单元的调试和修正。

附图说明

[0027] 图1是本发明实施例适用的智能互动风洞平台的透视结构示意图。

[0028] 图2是本发明实施例所述的像素化机械升降装置的透视结构示意图。

[0029] 图3是本发明实施例所述的观察窗和上滚珠轴承的爆炸图。

[0030] 图4是本发明实施例所述的机械升降单元、下滚珠轴承和可移动框架的爆炸图。

[0031] 图5是本发明实施例所述的单个机械升降单元的细部爆炸图。

[0032] 图6是本发明实施例所述的下滚珠轴承的细部爆炸图。

[0033] 图7是本发明实施例所述的像素化机械升降装置的俯视示意图。

[0034] 图中：1‑风机段，2‑扩散段，3‑试验段，4‑收缩段，5‑稳定段，6上段，7‑下段，8‑观察窗，9‑上滚珠轴承，10‑顶板，11‑后板，12‑金属框架，13‑可开合窗门，14‑底板，15‑滚珠轴承
顶板，16‑升降单元限位顶板，17‑滚珠，18‑滚珠限位板，19‑垫板，20‑机械升降单元，21‑下
滚珠轴承，22‑可移动框架，23‑被测模型单元，24‑支撑结构，25‑传动齿条，26‑升降驱动构
件，27‑ARDUINO电箱，28‑法兰板，29‑升降单元限位底板，30‑承重垫板，31‑旋转驱动装置，
32‑舵机支架，33‑伺服舵机，34‑铝型材框架，35‑移动轮。

具体实施方式

[0035] 下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

[0036] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位
置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须
具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0037] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是
两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语
在本发明中的具体含义。

[0038] 实施例

[0039] 如图1所示的一种智能互动风洞平台，该平台为直流式，由稳定段5、收缩段4、试验段3、扩散段2及风机段1依次连接组成，为方便拆装、观察和运输，风洞装置可拆为三个部
分，风洞的稳定段5和收缩段4组成发烟段，试验段3独立，包括用于自动生形的升降装置，扩
散段2和风机段1组成一体风机段。

[0040] 根据图2‑所示的一种智能互动风洞平台的像素化机械升降装置，适用于上述智能互动风洞平台的试验段3，所述像素化机械升降装置包括可分离的上段6和下段7，所述上段
6包括观察窗8，下段包括滚珠轴承、60个机械升降单元20和可移动框架22。

[0041] 本实施例所述观察窗8为长方体，长度1000mm、宽570mm、高370mm，可保证空气平直、稳定地通过。观察窗8包括金属框架12，所述金属框架12在长度方向的两侧留空，其他各
面分别连接亚克力顶板10、亚克力后板11、可开合窗门13和亚克力底板14，亚克力板间通过
榫卯接缝咬合，与金属框架12通过角码连接，并用热熔胶涂抹接缝以保证密闭性，可开合窗
门13通过金属合页和内六角螺丝与观察窗8的框板连接，使其可上下开合，金属框架12与下
段的可移动框架22为可拆卸连接。所述亚克力底板14上以长边中线靠近扩散段方向的三分
点为圆心开一个半径为520mm的孔洞。

[0042] 本实施例所述滚珠轴承包括上滚珠轴承9和下滚珠轴承21，分别设于机械升降单元20的顶部和底部，底部均与可移动框架22连接。所述上滚珠轴承9位于观察窗8下方，从上
至下依次包括滚珠轴承顶板15、升降单元限位顶板16、72颗滚珠17、滚珠限位板18和垫板
19，所述上滚珠轴承9嵌合入观察窗8的底板14的孔洞，滚珠轴承顶板15和升降单元限位顶
板16边界重合，共同对机械升降单元20进行限位，其外边界为直径500mm的圆。上述各板件
间用胶粘合在一起，所述垫板19与可移动框架22的顶部框架通过螺栓连接。常态下观察窗8
的底板14、滚珠轴承顶板15和所有机械升降单元20的顶面处于同一水平面上，观察窗8的底
板14构成非实验域，滚珠轴承顶板15和机械升降单元20共同形成实验域；所述下滚珠轴承
21从上至下依次包括升降单元限位底板29、72颗滚珠17、滚珠限位板18和金属承重垫板30，
所述机械升降单元20的支撑结构24底部通过法兰板28连接升降单元限位底板29，所述升降
单元限位底板29边缘为齿轮，升降单元限位底板29边缘的齿轮与步进电机上的齿轮咬合，
所述步进电机作为旋转驱动装置31用于驱动机械升降单元进行旋转，所述金属承重垫板30
与可移动框架22的下部框架连接。所述升降单元限位底板29上设有若干空洞和定位凸榫，
与机械升降单元20和法兰板28对应，所述法兰板28上设有三个孔，两侧的孔为定位孔，连接
升降单元限位底板29上的定位凸榫，中间的孔通过法兰螺栓对法兰板28和升降单元限位底
板29进行紧固。所述滚珠轴承的滚珠17及滚珠限位板18可以消减机械升降单元旋转时的摩
擦力。

[0043] 本实施例所述机械升降单元20包括被测模型单元23、提供导轨的铝金属支撑结构24、与被测模型单元23连接的亚克力传动齿条25和升降驱动构件26；所述被测模型单元23
包括两个互相咬合的3D打印实验模块，实验模块顶部预留可供放置电子传感器的开口，所
述支撑结构24包括两根导轨，分别对应两个实验模块和一个升降驱动构件26，所述传动齿
条25置于导轨中，顶部与被测模型单元23底部粘接；所述升降驱动构件26包括SLA层积式打
印舵机支架32和置于其中上下错位放置的两个伺服舵机33，所述舵机支架32连接其两侧的
两个机械升降单元20的导轨，所述伺服舵机上33的齿轮与传动齿条25的齿条端相接，用来
驱动传动齿条25及其连接的被测模型单元23升起，所述传动齿条25升起高程最大为250mm。

[0044] 本实施例所述步进电机、伺服舵机33和电子传感器均通过数据线连接控制器ARDUINO电箱27，ARDUINO电箱27通过数据线与电脑的USB接口相连，用来读取实验数据并控
制旋转驱动装置31和升降驱动构件26工作实现机械升降装置的生形，所述ARDUINO电箱27
固定于机械升降单元20的一侧，随若干个机械升降单元20整体一起转动，防止线路缠绕。

[0045] 本实施例所述可移动框架22包括2020铝型材框架34和其底部的50DC金属移动轮35。

[0046] 上述装置应用于建筑设计初期的物理风洞自动生形的工作过程如下：

[0047] 1.根据恰当的几何缩尺比确定用于实验的城市或建筑模型的区域范围和比例，通过电脑中Rhino软件将电脑模型的形态数据和朝向数据转化为的像素化升降单元高度数据
和升降装置旋转角度并输入ARDUINO电箱控制电路板中，由电路板控制伺服舵机和步进电
机开始工作。

[0048] 2.伺服舵机齿轮带动支撑结构导轨内的亚克力传动齿条将被测模型单元顶起，模拟城市或建筑的模型形态；步进电机带动升降单元限位底板旋转至合适角度，模拟城市或
建筑模型朝向。

[0049] 3.启动电脑中Rhino软件的Grasshopper插件，打开应用Firefly插件编写完成的可视化程序，即可实现对ARDUIMO读数的同步提取。进行风洞实验，气流进入试验段后撞击
垫子传感器表面，风压和风速数据可以同步在Grasshopper程序中显示，待压力数据变化幅
度满足程序预设范围，保存该组数据。

[0050] 4.在Grasshopper中打开用python编写的神经网络自动生形程序，通过对获取的风数据来进行分析并对模型进行优化，将优化后的模型数据重新输入ARDUINO电箱中，带动
升降装置重新生形，重新进行风洞实验，获取风环境数据并再次对模型进行优化，直到获得
最优解。

[0051] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形
也应视为本发明的保护范围。