一種多組共軸等速正反轉(zhuǎn)視覺(jué)動(dòng)態(tài)雕塑的研究及應(yīng)用

引言

雕塑有著非常悠久的歷史,不論從雕塑的體積還是表現(xiàn)的場(chǎng)景來(lái)看,雕塑作品散發(fā)出來(lái)的藝術(shù)氣息無(wú)不透露出人類無(wú)窮的智慧,然而傳統(tǒng)雕塑大多是對(duì)動(dòng)作或者場(chǎng)景的瞬間捕捉,具有唯一且確定的狀態(tài)。雕塑是最古老的藝術(shù)形式之一,黑格爾把雕塑定義為把人的形象當(dāng)作一種立體物在三維度空間中加以處理。從古希臘的菲狄亞斯到文藝復(fù)興時(shí)期的米開(kāi)朗基羅,再到l9世紀(jì)的羅丹,都將雕塑作為一個(gè)獨(dú)立自在的世界來(lái)對(duì)待,把團(tuán)塊和體積視為雕塑的重要原則,雕塑的空間形式和美學(xué)特征僅存在于單個(gè)形象本身的體面轉(zhuǎn)換關(guān)系之中。古希臘雕塑家制定的原則及創(chuàng)造的作品被贊譽(yù)得完美無(wú)缺,因而反過(guò)來(lái)成為雕塑家探索過(guò)程中的桎梏。

現(xiàn)今雕塑不再是以靜態(tài)單一的形式呈現(xiàn)在公眾面前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于動(dòng)態(tài)雕塑新形式的探究逐漸深入,對(duì)探索新媒介有著強(qiáng)烈渴望,動(dòng)態(tài)裝置雕塑也漸漸成為當(dāng)代公共藝術(shù)中不可或缺的藝術(shù)形式之一。動(dòng)態(tài)雕塑隸屬于動(dòng)態(tài)藝術(shù),是西方現(xiàn)代雕塑的一個(gè)重要組成部分。從20世紀(jì)初的立體主義、未來(lái)主義到其后俄羅斯的先鋒雕塑、包豪斯的藝術(shù)實(shí)驗(yàn)中,我們都能發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)雕塑早期發(fā)展的雛形。

巴西里約奧運(yùn)會(huì)主火炬背后的"動(dòng)態(tài)光環(huán)"就是非常具有代表意義的動(dòng)態(tài)雕塑,此裝置是由美國(guó)藝術(shù)家AnthonyHowe設(shè)計(jì)的,這種形式感極強(qiáng)的動(dòng)態(tài)模式幾乎成了AnthonyHowe作品的重要標(biāo)志。而這次的最大創(chuàng)新應(yīng)該在于圣火盆使其上方空氣溫度升高,產(chǎn)生冷熱循環(huán)氣流驅(qū)動(dòng)光環(huán)擺動(dòng),而非以往的利用自然風(fēng)力,達(dá)到了功能與形式美的完整統(tǒng)一。

本文介紹了一種創(chuàng)意動(dòng)態(tài)雕塑一山東省科技館標(biāo)志性動(dòng)態(tài)雕塑"云圖"的設(shè)計(jì),雕塑由上百個(gè)上下對(duì)稱、左右間隔反相布置、經(jīng)過(guò)特殊造型設(shè)計(jì)的弧形葉片組成,如圖l所示。在機(jī)電系統(tǒng)的控制下,葉片繞軸交錯(cuò)正反旋轉(zhuǎn),組成一副動(dòng)態(tài)交替變幻的優(yōu)美曲線。曲線無(wú)窮無(wú)盡,周而復(fù)始,讓人神往,在燈光系統(tǒng)的映襯下熠熠生光,吸引游客探究其奧秘。

1雕塑組成

該動(dòng)態(tài)雕塑總計(jì)有116片弧形葉片,繞軸按照兩個(gè)相反相位,以螺旋線方式間隔布置。單相58片,29組,每組兩片葉片軸對(duì)稱布置。兩組相反相位的葉片能夠在同一軸上實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),呈現(xiàn)出優(yōu)美的動(dòng)態(tài)曲線。同時(shí)葉片演示主體固定于轉(zhuǎn)臺(tái)上,轉(zhuǎn)臺(tái)能夠360o連續(xù)旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)臺(tái)上圓周分布8個(gè)七彩LED燈,LED燈可變色,配合葉片運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)演繹。葉片轉(zhuǎn)速l0~20r/min,轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速3r/min,轉(zhuǎn)速可調(diào)。

圖1  "云圖"展品

2多組共軸等速正反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

共軸等速正反轉(zhuǎn)的應(yīng)用非常廣泛,比如共軸雙旋翼直升機(jī)就是通過(guò)上下共軸反轉(zhuǎn)的兩組旋翼來(lái)平衡旋翼扭矩。實(shí)現(xiàn)共軸等速正反轉(zhuǎn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)有很多,如錐齒輪結(jié)構(gòu)、凸輪結(jié)構(gòu)、帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、聯(lián)桿機(jī)構(gòu)等。通過(guò)對(duì)比多種機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)并結(jié)合此處的應(yīng)用,本文最終選擇采用多組行星齒輪并列的傳動(dòng)方式進(jìn)行設(shè)計(jì),行星齒輪傳動(dòng)具有體積小、承載能力大、工作平穩(wěn)等特點(diǎn)。多組正反轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要需保證傳動(dòng)精度和多組結(jié)構(gòu)傳動(dòng)一致性,減小傳動(dòng)累積誤差,基于這些要求,使中間的多組太陽(yáng)齒輪并聯(lián)安裝在一根軸上,多組齒輪同時(shí)通過(guò)行星齒輪傳遞到外齒圈上。動(dòng)力源同時(shí)驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)輪軸和行星輪軸同向運(yùn)動(dòng),并且設(shè)計(jì)太陽(yáng)輪軸的轉(zhuǎn)速是行星輪軸的兩倍,利用行星齒輪運(yùn)動(dòng)之間的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)等速正反轉(zhuǎn),如圖2所示。

3葉片設(shè)計(jì)

為滿足視覺(jué)要求,葉片設(shè)計(jì)時(shí)各葉片之間間距較小,葉片本身較薄、較密,且只有中間的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行支撐。為保證葉片運(yùn)動(dòng)中相互交錯(cuò)、不干涉,葉片選用航空鋁材料制作,葉片的造型創(chuàng)意來(lái)源于數(shù)學(xué)曲線集合,若干組同軸交叉且規(guī)律變化的數(shù)學(xué)曲線緩慢旋轉(zhuǎn),形成令人驚奇的炫目圖形,體現(xiàn)了數(shù)學(xué)之美、科學(xué)之靈、藝術(shù)之氣,充分表現(xiàn)了科學(xué)與藝術(shù)結(jié)合的魅力,各葉片基于數(shù)學(xué)曲線的形狀,通過(guò)添加曲線加強(qiáng)筋增加強(qiáng)度。兩半葉片通過(guò)鎖緊環(huán)抱箍結(jié)構(gòu)固定在旋轉(zhuǎn)軸上,以便安裝調(diào)節(jié)各葉片之間的角度,如圖3所示。

圖2  多組共軸等速正反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3  葉片安裝結(jié)構(gòu)示意圖

4旋轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)葉片組件的公轉(zhuǎn)由旋轉(zhuǎn)臺(tái)承擔(dān),以回轉(zhuǎn)支撐軸承和齒輪系為載體,傳至電機(jī),并對(duì)所需驅(qū)動(dòng)進(jìn)行估計(jì),具體設(shè)計(jì)過(guò)程中,為縮小傳動(dòng)比,選用擺線針輪減速電機(jī)。預(yù)估公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速后,得出傳動(dòng)比,并以等接觸強(qiáng)度為依托,分配高、低速級(jí)齒輪傳動(dòng)比。確定齒數(shù)之后,對(duì)小齒輪分度圓進(jìn)行計(jì)算,保證其強(qiáng)度。結(jié)合材料性能,對(duì)齒輪系的彎曲疲勞強(qiáng)度和齒根強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算,從而滿足動(dòng)力系統(tǒng)強(qiáng)度要求:并配合采用變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速,以滿足公轉(zhuǎn)速度要求。

5結(jié)語(yǔ)

綜上所述,以行星齒輪傳動(dòng)為基礎(chǔ)對(duì)同軸等速正反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、緊湊,而且傳動(dòng)精度高、同步性好,不存在傳動(dòng)累積誤差。此動(dòng)態(tài)雕塑利用巧妙的機(jī)械結(jié)構(gòu),把深?yuàn)W的數(shù)學(xué)曲線美妙地展示出來(lái),從遠(yuǎn)處望去,如同一團(tuán)"變幻的云朵"在不停變幻科學(xué)的玄妙圖案,讓人體會(huì)到一種數(shù)學(xué)曲線行云流水般的韻律感,其中應(yīng)用到了機(jī)械、電子、材料、控制、數(shù)字曲線等技術(shù)。

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、城市空間的發(fā)展、人們生活的需求讓動(dòng)態(tài)雕塑藝術(shù)以前所未有的方式進(jìn)入了公共空間,動(dòng)態(tài)雕塑將藝術(shù)與科技因素結(jié)合起來(lái),使二者真正融合在一起。