基于自动控制的智能摄影棚设计-基于自动控制的智能摄影棚机械设计（论文定稿）.docx

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1、摘 要随着人们生活水平的提高，和摄影艺术的普及，人们对摄影的器材的需求正 向着更加智能更加方便。人们需要更加智能更加方便的摄影器材。特别是自媒体的发展，使得人们对拍摄的需求更加的旺盛。为了开阔市场，适应人们需求的发展，本文设计了一种小型智能化的摄影棚。能够满足人们对摄影的需求。由于传统的摄影棚是基于大型厂房进行设计的，摄影棚的搭建需要大型场地的支持。采用的设备昂贵，搭建人工成本高昂。但是更多的个人用户和摄影爱好者来说，无力负担这样昂贵的费用。为了个人用户和摄影爱好者提供一个物美价廉的小型摄影棚，方便个人创作。设计出一款小型智能化的摄影棚。小型智能化摄影棚的设计主题分为三个部分，机械结构设计、电

2、子电路设计、摄影效果设计，并分别由小组三名成员分别负责。本文主要论述机械部分的设计。机械部分的设计主体包括五个小的部分：框架设计、相机云台，摄影灯、载物转台、相机移动装置。本次设计，采用了一种新的综合设计方法，该方法融合了三次设计、TRIZ发明理论、有限元分析、可靠性设计。有效的将前人的设计方法理论应用的实践中。实现了产品设计，从理念到加工生产细节的系统设计。此外，由于历史的限制，上述的设计方法是纯粹的机械设计，缺少现代自动化控制相关理论。本文对此进行补充和发展。形成一种新的设计方法论机械程序设计法。机械程序设计法是本文的创新点，是一种由本人发明的新型设计方法。该方法能够充分利用程序的灵活性和

3、机械的可靠性，从而更加合理高效的设计出更加完美的产品。关键词：械程序设计法；三次设计理论；TRIZ发明理论；智能摄影棚；结构设计；有限元分析机英文题目AbstractWith the improvement of peoples living standard and the popularization of photography art, peoples demand for photographic equipment is becoming more intelligent and more convenient. People need more intelligent and m

4、ore convenient photographic equipment. Especially since the development of the media, so that people on the shooting of the demand more exuberant. In order to open up the market and adapt to the development of peoples demand, this paper designs a small intelligent studio. To meet peoples needs for p

5、hotography. Because the traditional studio is based on the design of large-scale workshop, the construction of the studio needs the support of large-scale site. The equipment is expensive and the construction labor is expensive. But more individual users and photography enthusiasts, can not afford s

6、uch expensive costs. For individual users and photography enthusiasts to provide a cheap and inexpensive small studio, easy to create. To design a small, intelligent studio. The design theme of the Small Intelligent Studio is divided into three parts, mechanical structure design, electronic circuit

7、design design, photographic effect design, and each of the three members of the team are responsible for. This paper mainly discusses the design of the mechanical part. The main body of the mechanical part design includes five small parts: frame design, camera head, photography light, load turntable

8、, camera mobile device. In terms of product design method, this paper adopts a comprehensive design method based on cubic design and TRIZ theory. Realized the product design, from the idea to the processing production detail system design.Keywords: Three-time design theory; TRIZ invention theory; in

9、telligent studio; structural design; finite element analysis；目 录1前言11.1 产品设计背景11.2 国内外研究现状11.2.1 国外智能摄影棚11.2.2 国内智能摄影棚11.2.3 国内简易摄影棚21.3 产品设计的意义和目标21.4 设计分工和任务明确22产品设计理念和设计方法32.1 基于三次设计和TRIZ理论的综合设计方法32.2 稳健设计32.3 TRIZ创新理论42.3.1 TRIZ发展历程42.3.2 TRIZ理论的基本思路42.3.3 TRIZ中的抽象模型52.4 本章小结53 本文创新机械设计方法机械程序设计法

10、73.1 机械程序设计法的定义和内涵73.2 机械程序设计法的设计过程73.3 机械程序设计法在本次设计中的应用93.4 本章小结104 总体方案确定114.1 整体需求分析114.2各部分功能实现115 相机移动框架设计155.1 相机移动框架传动设计155.2 同步带选型计算156 摄影灯的设计186.1 摄影灯的设计需求186.2 传动方案的选择187 载物转台设计228 相机云台的设计238.1 相机云台的设计238.2 相机云台材料选型248.3 垂直轴的设计258.4 有限元分析268.5 有限元分析的步骤268.6 具体分析步骤278.7 相机云台电机选型278.8 章节小结28

11、9 整体布局和设计的再调整2910 智能摄影棚容差设计3011 结论3112 总结32参考文献33谢 辞341前言1.1 产品设计背景随着人们生活水平的提高，和摄影艺术的普及，人们对摄影的器材的需求正 向着更加智能更加方便。人们需要更加智能更加方便的摄影器材。特别是自媒体的发展，使得人们对拍摄的需求更加的旺盛。为了开阔市场，适应人们需求的发展，本文设计了一种小型智能化的摄影棚。能够满足人们对摄影的需求。如今，网络购物逐渐进入千家万户。而各种网络平台的发展，带来了更多的商家入驻。这些新进驻的商家大多属于新开办的中小微型企业，又或者是个体户。由于这些商家缺乏经验，往往会在宣传这一块有较大的漏洞。由

12、于缺乏足够的资金支持，中小企业无力负担专业的摄影服务，往往选择自行拍摄。但是由于技术经验缺乏，拍摄的宣传效果强差人意。本次设计着眼中小企业拍摄专业产品宣传视频资金缺乏技术经验匮乏的现状，研究出一款能够快速、方便的用较低的市场价格拍摄高质量、高水平的产品宣传视频的智能摄影棚。解决了中小企业在拍摄产品宣传视频时，遇到的尴尬情况。为此我们萌发出设计一种，可以实现家庭或者小企业的摄影棚。这种摄影棚可以实现家庭小场景的拍摄，小企业产品的拍摄，手机等产品的宣传拍摄等。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外智能摄影棚智能摄影棚的研究较早的是出现在荷兰，荷兰一家公司styleshoots,设计出一款智能摄影棚

13、，该摄影棚主要用来拍摄模特和服装。通过模特的身高等信息，能够调节机位，光线等参数。从而实现拍摄。大大减轻了摄影师的工作量。并且能够拍摄4K高清影片和高像素图片。但是由于摄影棚搭建的比较大，并且是固定安装。因此只适合室内人物的拍摄，由于采用的是三轴机械臂搭载相机，使得摄影棚的搭载成本高昂，控制难度高。1.2.2 国内智能摄影棚国内一款成型的摄影棚是京东推出的JDL摄影棚，除了机械臂外还搭载虚拟视频场景，能够在室内模拟出室外的场景。通过AI拍摄和灯光组操作系统，可以实现专业的摄影师机位控制，营造出灯光师的专业灯光布置。但是由于虚拟现实技术的发展目前还不是很完善，在场景的制造上存在许多不足。在某些方

14、面根本无法和真实场景相提并论。1.2.3国内简易摄影棚目前市场上已经有非常简单的摄影棚产品，并且有一定的销量。但是由于功能简单，只是起到遮光和补光的基础作用外，没有任何功能。在摄影技术水平有限的情况下根本无法适应产品宣传视频的拍摄需求。由于国内外多采用三轴的机械臂，作为主要的移动相机的载体，成本高，控制困难。需要高昂的资金和专业的编程人员。不适合本设计。此外，本设计面对的对象是中小企业的产品宣传拍摄，不需要整个房间的摄影棚。因此，本设计采用独立搭建的箱式摄影棚。运用龙门式的运动搭载平台控制相机的移动。能够完成多种产品的拍摄。综上，目前国内外高端智能摄影棚虽然有功能强大、拍摄效率高等优点，但此类

15、摄影棚占用空间大，造价昂贵，便捷性和性价比低。而国内简易摄影棚虽然有足够的性价比，但功能单一，只能进行简单的图片拍摄。为此，我们针对目前国内简易摄影棚功能单一等不足进行优化设计，增加灯光智能调控和摄像机自定义运动等功能，完善其智能化设计。实现对小至珠宝，大至电脑的产品宣传视频的自动化拍摄。1.3 产品设计的意义和目标由于传统的摄影棚是基于大型厂房进行设计的，摄影棚的搭建需要大型场地的支持。采用的设备昂贵，搭建人工成本高昂。但是更多的个人用户和摄影爱好者来说，无力负担这样昂贵的费用。为了个个人用户和摄影爱好者提供一个物美价廉的小型摄影棚，方便个人创作。设计出一款小型智能化的摄影棚。决中小企业在拍

16、摄产品宣传视频时遇到的资金匮乏、拍摄困难、拍摄水平低等问题。在移动互联时代，视频要比文字和图片更简单直观、有冲击力，且随着移动网络和短视频APP的普及，短视频已成为产品宣传推广的重要形式和未来发展趋势。为此，本课题的主要目的是研发一款效率高、成本低、轻量化的智能化摄影棚，帮助企业解决产品宣传视频拍摄难、效率低、成本高等突出问题。1.4 设计分工和任务明确小型智能化摄影棚的设计主题分为三个部分，机械结构设计、电子电路设计、摄影效果设计，并分别由小组三名成员分别负责。本文主要论述机械部分的设计。机械部分的设计主体包括五个小的部分：框架设计、相机云台，摄影灯、载物转台、相机移动装置。2产品设计理念和

17、设计方法2.1 基于三次设计和TRIZ理论的综合设计方法本文的设计方法采用的是基于三次设计的稳健设计方法。本次的产品通过采用了基于三次设计、TRIZ理论相结合的设计方法进行设计。实现了产品设计，从理念到加工生产细节的系统设计。2.2 稳健设计在设计中为了将产品的质量、性能、成本这三大要素进行综合的权衡，在类机械设计中，我们通常采用稳健设计。从而形成一种高质量低成本的设计方案的设计方法论。稳健设计被欧美日等国家和地区广泛的应用，已经成为机械产品的标准设计方法。近年来，随着稳健设计的广泛应用，和各种科学技术手段的发展，稳健设计也得到了良好的发展。其中，三次设计方法是稳健设计中的一个重要方法，已经得

18、到广泛的应用。三次设计法是指系统设计、参数设计、容差设计。其中，通过分析产品在功能上的需求，设计产品基本的结构，再通过之前设计的结构设计每个部分的零件，这种设计就是系统设计。同时由于各种零部件在设计和执着的过程中，会产生各种影响产品性能的参数。而产品的设计本身又有需要满足的目标参数。这样一来，一个产品会在设计要求的数据的基础上形成一系类的目标函数。在大量的实际设计过程中发现，机械系统会形成一个由不同参数所影响的多目标系统。从而形成一个多目标的数学模型。在多目标数学模型形成之后，就进入设计的第二个阶段，这个阶段是参数设计。所谓参数设计，就是要对上面步骤中建立的数学模型进行求解。从各种限制和制约条

19、件中寻找最优解的过程就是第二阶段的设计过程。这一阶段的设计是整个设计的核心部分。这一部分设计基本确定了产品。可控设计参数和目标设计参数是在参数设计时首先要明确的参数。为了便于求解模型，需要在大量的参数和方程中，对最初开始建立的模型进行一个简化，尽可能的使模型求解简单化。简化模型的方法主要有两个，一个是简化模型中的方程，另一个是减少模型中的参数。在简化模型的过程中，必须要明确设计的产品的实际物理意义。切忌不可脱离实际问题，紧靠数学方法进行化简。否则将会导致许多不符合实际情况的荒谬结果。在确定好设计的各种参数之后，就需要考虑实际生产的问题。也就是最后一步的容差设计。容差设计也就是公差设计。是机械设

20、计转变为机械产品的重要的一步。在机械设计中主要是体现在工程图上。由于实际加工和设计的尺寸之间总是不一样的，因此机械加工中总是需要进行公差的设计。由于需要考虑带实际的加工需求以及加工对应的成本，在公差的设计中需要综合两方面因素进行考虑。更重要的是配合的情况。容差设计需要对加工有足够的了解。三次设计更加注重各种数字的计算。但是在整体的方案的确定方面，缺乏足够的理论依据，这样一来，在整体的设计方案面前只能凭借经验和所谓的灵光一现。为了弥补这方面的不足，本文在查阅先关资料的基础上，采用了前苏联的一种创新发明理论。而正是这种理论，能够在方案的选择以及技术问题的解决上提供行之有效的办法。2.3 TRIZ创

21、新理论在某些不能单纯依靠数学解决额定问题中，有一种方法得到了非常广泛的运用，那就是TRIZ理论。这种理论是通过总结了大量的发明专利，最终从中提取出的发明方法论。TRIZ理论在解决一些实际需求时往往效果拔群。例如通过数学问题的分析可以解决自动包装机最优包装轨迹的问题，但是不能解决如何将包装后的产品如何装箱的问题。可以说TRIZ理论和三次设计方法是分别所属不同领域的问题。2.3.1 TRIZ发展历程针对如何移动相机的问题，本次设计将主要运用TRIZ理论进行解决。TRIZ理论主要围绕矛盾进行分析。通过实际的发明问题观察其中的技术矛盾或者技术问题。在通过TRIZ理论介绍的方法进行一步一步的分析，从而化

22、解矛盾或者化解问题。这就是该理论的基本思路。这种理论是前苏联的阿奇舒勒发现的，阿奇舒勒是一位专利审查员，他在审查专利的过程中，隐约察觉这些发明中似乎存在着一定的规律。之后阿奇舒勒领导1500多人组织该项研究工作，并成功创立了该方法。在这套发明方法实现的初期，一直作为国家机密，并在苏联的各个领域中起到非常重要的作用。在苏联解体后，这种方法逐渐被世人所知。后来经过多年的传播逐渐发展完善。2.3.2 TRIZ理论的基本思路TRIZ解决问题的基本思路非常简单，主要是通过问题所表现的三个方面特征进行进行问题模型划分。即通过资源属性、结构属性、参数属性这三个基本属性进行划分。并通过基本属性将模型分成：技术

23、矛盾模型、物理矛盾模型、物理场模型、方法模型。通过基本属性分类的模型又对应了四种不同的解决工具：标准解法、分离原理、发明原理、知识库与科学效应。技术矛盾是指由于产品设计的过程中和产品直接相关的技术参数有着不可调和的矛盾，随着一个参数的提高另外一个参数必然下降。生活中常见的例子有手机的性能和成本。为了方便描述各种技术参数，人们总结出来39个不同的技术参数。这39个技术参数进行一对一的组合，形成了1482对技术矛盾，抽象的涵盖了所有的技术矛盾。发明原理是解决技术矛盾的非常好的工具，而发明原理目前一共有40种之多。40种的开发原理没必要在实际应用中全部带入到矛盾中一一分析，应该通过建立矛盾矩阵进行分

24、析。对于技术矛盾相对应的使用使用频率较高的发明理论。这样大大节省了设计的时间。在同一个参数上出现两种不同的状态的矛盾称之为物理矛盾。例如在设计摄像机的过程中，处于屏幕的考录我们希望相机越大越好，但是处于便携的考虑，我们希望越小越好。解决物理矛盾的工具是分离原理。将同一个参数矛盾的双发进行分离，可以是空间上的分离也可以是时间上的分离，甚至是心理上的分离。许多的超系统，系统以及子系统就是在分立原理的应用下产生的。分离原理某种程度上说，是功能细化和模块分类的动力。2.3.3 TRIZ中的抽象模型物场模型，可以认为这是一种分析的工具，是看待发明问题中的最小分析单元。类似物质世界的原子。无偿模型同样是发

25、明中的“原子”。一个发明必定是由许多个大大小小的物场模型组成的。物场模型主要有三个要素。承受体（S1），施加体（S2），中间场（F）。这样一来，就形成一个微小的体系，施加体（S2）通过中间场（F）向受力体（S1）施加某种作用。根据分析，这样的基本单元中纯在这样的几种问题，按物场的完整性可以分为：完整物场模型、不完整物场模型。完整物场模型中纯在的问题主要是场的作用问题，场的正向充分增益、场的正向不充分增益、场的反向增益（也就是抑制）。不完整物场模型。及时上面三个基本要素缺少一个或多个。解决物场模型的有一套完整的标准解体系。标准解体系共有76个标准解。运用分类的方法，用五个等级对物场模型进行划分，

26、划分出的五个等级的物场模型，不同等级物场模型分别对应若干的标准解。功能模型也叫HOW TO 模型。通过分析技术系统的功能语句，提炼出主谓宾三段的功能语句。而解决功能模型的工具是科学效应与知识库。在工程领域，常见的功能共有30种。根据长期的研究总结发现，如果将功能与特定的科学效应和现象相对应，并通过效应和清单列出现象清单和科学效应。由于产品的设计很大程度上就是功能实现的设计。因此在实际的产品设计中，设计者以产品的功能为起点，设计了一套功能分析设计方法。功能分析设计发，是以功能设计为出发点，着重于产品的功能。这样，对功能的定义变得尤为重要。功能的定义采用动宾结构，或者名词加形容词的形式。功能定位后

27、，将功能进行分类，根据分类确定各个功能之间的关系。2.4 本章小结在日常的设计工作中，需要设计的产品经常需要去实现一个或者多个复杂的功能。这个功能并不能够作为直接设计的依据。因此，将总共能进行细化拆分，并将细化后的功能进行细致的分类整理。通过对分类整理得到的功能进行分析，分析该功能的工作以及工作原理。进一步组合成原理方案。通过评价后得到最佳原理方案。通过综合TRIZ创新方法，三次设计方法以及基于功能的产品设计进行了一次综合的设计。3 本文创新机械设计方法机械程序设计法3.1 机械程序设计法的定义和内涵机械程序设计法，是在上述设计方法的基础上，以产品功能实现为目标，辅助并保障程序设计为手段的机械

28、设计方法。机械程序设计法是一种手段设计方法，而非目的设计方法。在产品的设计过程中依然要坚持产品功能实现为目标。机械程序设计法的目的有两个，一个是保障计算机程序运行的指令能够顺利通过机械部件执行，形成具有实际效果的某种功能。另一个是通过机械部件完成对外界的感知，并将感知的信息传递给程序接收部分。也就是保障程序的输入的准确性和输出的可靠性。机械程序设计的一个基本思路是，在确定好目标之后，设计的具体过程要从程序出发。时刻思考程序会对机械设计产生什么样的影响。机械程序设计法在实际的生产生活中已经有所体现。例如，在F1方程赛中，人们会采用微电脑智能控的方式减少耗流量，和增加赛程的速度。在飞机上，会采用程

29、序控制飞机的仰角。甚至直接采用电脑控制飞机。因为程序的存在，原来需要人为触发的执行动作，直接由电脑控制，因此机械部分会据此做出一些改变。在实际的产品中，往往这种改变都是被迫的。在一些大型的企业中，由于职能分化，许多机械设计在完成之后才被通知有许多需要更改的地方。此外，因为各种产品中，程序的比重增加了，在机械设计的过程中，会不得不为了保障程序的顺利运行而添加一些传感器、摄像头、收集装置。这些困扰的产生就是由于设计者没有从程序的角度出发，进行机械设计。机械程序设计法的运用将会很好的解决这些问题。3.2 机械程序设计法的设计过程机械程序设计法的基本思路是从程序出发设计机械。那么首先第一步必须要了解程

30、序。其次要了解程序所依靠的电路，最后也是最根本的是要熟练机械设计的各种方法。了解程序并不是去做一个程序员，更不是去实际的参与编程。而是要知道程序可以具体实现的功能。下面是本人在平常的学习和试验过程中的总结。简要的介绍程序以及程序的功能。程序的本质是利用芯片中的软件对信号进行处理。是一种具有逻辑的大脑。程序从系统的角度可以概括为三个功能：接受信息、处理信息、输出信息。这三个功能相互独立，又互相依靠。程序接受的信息只能是以电信号的方式接受，输出信息的方式也只能以电信号的方式输出。由于各种传感器和执行元件的存在，程序可以感知到自然界的各种信息及其变化。也可以对外界进行各种输出，影响外界。下表列出一些

31、感知和输出方式。依靠传感器和开关，可以感知：温度，湿度，距离，时间，高度，能量，颜色，光线声音等。图3.1机械程序设计法依靠执行元件可以实现：加热、制冷、压缩、旋转、伸缩、发光、等在实际的设计过程中，这些功能的实现，是需要程序进行控制的。而程序控制的依据各种传感器带来的数据。因此在机械设计的过程中要注意传感器的位置安放，和传感器线路的连接。传感器位置的安放将会影响传感器功能的发挥。如果安置不当，将会导致传感器失灵，传感器测量数值偏差。进而进行整体功能的实现。传感器位置的安放应当注意以下几点。第一，传感器应当受到良好的保护。第二，传感器应当尽可能和测量物体保持合适的距离。第三，传感器安装应当便于

32、拆卸，以方便后期的维修和更换。传感器线路的安排要合理，防止电联裸露在外面。例如3D打印机的温度传感器，和加热棒一起安装在导热铜块里面。这样既可以很好的保护传感器不被碰撞，可以准确的测量加热温度。由于程序需要一定的实物载体，常见的载体一般有单片机，CPU等。同时还有电路板，及其焊接在电路板上的电子元件。这样一来，将会有不小的体积。这个体积将是不容忽视的体积。为此，在进行机械设计的时候必须将体积考虑进去。由于这部分高密度的电子元件比较脆弱，又需要进行散热处理。因此，必须进行保护的同时考虑散热功能。综合考虑，常见的安放位置有如下的特点。第一，暗转在机器内部，通过导热装置，和外界连接。第二，安装在机器

33、下方，上部分连接机器的底盘，下部分散热。这样的安装方式常用于固定机械。第三，安装在机械外侧。安装在外侧可以方便更换维修。执行元件。执行元件常见的有加热棒，电机，LED灯等，这些安装各自有安装规范。为了满足这样的安装规范。需要进行加装一些支撑、固定物。支撑固定物需要在设计之初，就加以考虑，这样可以从整体结构上进行加固。机械程序设计为了更好的使得机械和程序相辅相成，还必须从整体的角度考虑机械设计。一方面，可以减少不必要的机械结构以最大程度的降低成本。另一方面，可以通过增加机械结构，优化程序算法，提高运行效率和可靠性，或者缩短研发周期。机械结构可增可减，并没有明确规定依照机械程序设计法必须增加还是必

34、须减少。但是要明确，增加还是减少，都是以程序为根基的，切不可妄自增删。这方面常见的例子有许多，其中简化结构的例子有。无人机的设计。无人机的设计是机械程序设计中的经典，整体的设计完全依靠程序算法，机械结构的作用仅仅起到增加强度，支撑零件的作用。不需要考虑上升下降，旋转控制。这些功能的实现统统交给算法通过电机实现。增加结构的例子有3D打印机。3D打印机程序控制喷头的移动，但是会面临定位精度的问题。如何解决定位精度的问题程，很难仅仅依靠程序的算法解决。因此有必要增加机械结构。通过触碰开关来检测到电机的喷头的实际位置。这样，通过简单的机械结构就可以实现3D打印机定位的问题。简单有效，而且具有很好的可靠

35、性。3.3 机械程序设计法在本次设计中的应用从成体拍摄物体的目的来看，相机是机器最重要的输入同时也是输出元件。为了拍摄物体，需要程序控制相机移动到和物体合适的位置。这个时候，就会发现，如果相机和被测物体发生碰撞将会损坏镜头。如何解决，如果纯粹采用程序算法的过程，将会涉及到三体运动的先关知识。建立一个以相机为原点的坐标系。通过输入被测物体的大小，在三个相互运动的物体中，求解路径。这样一来将会带来巨大的工作量。使得产品研发的时间大大增加。因此，利于机械程序设计法，将大量的程序工作量，转化为简答的机械结构。可以通过采用加装超声波传感器的方式，控制相机和物体的距离。如果相机和物体之间的距离过紧，将会启

36、动自动停止，或者回退的功能。这样一来编程的工作量就会大大减少。缩短研发周期。图3.1其次是相机的定位问题，根据分析，程序的定位，单单只是依靠程序是无法实现的。相机的定位同样也不能只靠电机的控制实现。通过加装定位开关，实现精准的定位。相机、灯光、被摄物体三者之间的位置关系通过程序进行控制是不太现实的。采用物体固定不动，相机和灯光移动，用两个物体的移动来模拟三个物体的移动。降低编程的难度，减少研发周期。在相机云台设计的过程中，由于电机转动误差，和外界的环境干扰，造成的误差难以用程序的方式直接减少。普通的触碰开关定位方式不能再此机构中使用。基于机械程序设计法，本文采用一种程序与机械结合的定位方式。图

37、3.2 旋转定位原理图中，采用的是激光照射在旋转物体上面，透过小孔可以照射到感光器上面。由于旋转物体的转动，会使得感光器在感光和不感光之间转化。从而可以通过两者交替的时间转化进行精度位置的控制。3.4 本章小结机械程序设计法能够充分发挥机械和程序的优势，做到两者相互和谐统一。本章是本次设计采用的主要的设计思想。是在设计工作中总结经验，归纳出来的理论方法。这种方法目前依然停留在定性的感知方面，目前没有具体的衡量方法和可以清楚描述的公式。在今后的工作实践中，将会继续完善该方法。4 总体方案确定总体方案确定既是三次设计中的系统设计。利用系统设计的思路进行整体的规划和调整。4.1 整体需求分析在设计前

38、先要明确本次的设计目标，即用于拍摄产品的摄影棚。并以此为出发点，设计一个能够进行产品宣传的摄影棚。这种摄影棚将来可以在化妆品产品宣传、电子产品宣传、手工艺品宣传。能够拍摄出全方位立体化的产品视频。尽可能的展现出产品的各个方面的各种效果。因此具体需求如下：1.相机可以在摄影棚的任意空间移动旋转；2.相机可以水平竖直方向旋转；3.载物平台可以顺时针逆时针旋转；4.灯光可以在摄影棚内任意移动；5.灯光可以水平方向竖直方向旋转；6.灯光的色温明亮光线等可以调节；7.摄影棚可以隔绝外界光线；8.以上要求可以动过电脑进行控制；4.2各部分功能实现本设计的摄影棚能够通过移动装置控制相机的移动旋转，从而实现相

39、机能够按照预定的轨迹移动，拍摄出特定的视频画面。相机的云台可以对相机起到固定和旋转的作用，摄影灯能够通过智能控制，实现灯光照射点的定轨迹移动，和灯光定点光照缘设定轨迹移动。载物平台的设计可以 在摄影棚的设计中，移动灯是一个非常重要的部分，移动灯的设计直接影响着最终的摄影功能以及产品的效果。本次设计采用的是二轴转动平台的移动摄影灯。通过电机的带动实现灯的X,Y轴旋转。这样的转动可以控制灯投射点的移动，移动的范围可以覆盖摄影棚的大部分位置，理论上可以覆盖到摄影棚98% 左右的面积和空间。但是由于摄影的范围主要集中在可以旋转移动的转台附近的位置，因此，根据设计需求分析，摄影灯的技术需求进行设计。摄影

40、灯需要实现，X轴小于360转动，Y轴小于360转动。并需要对灯光的四个主要参数：光线、光圈、光强、色温进行调节。实现以上功能的可用结构和成本分析。由于本次设计的灯光的总体的重量较轻，预计的重量应该在300g左右，因此设计直接采用电机直接驱动的方式，将转动的主题直接和电机相连接。形成如图所示的结构。通过分析实际测试的结果发现，设计的结构能够完美实现目标的设计需求。但是由于外观的美观性需求，可以进行稍加改进。灯光光线的调调节采用的是电路控制电机，可以实现灯光按照固定轨迹的移动。灯光色温的调节是通过电路控制两个并联的冷光和暖光灯珠，来实现冷光和暖光的转化。灯光光圈的变化是通过人工虹膜的电路的控制来实

41、现的。这样的结构能可以实现任意光圈大小的调节。这样的调节之后可以在拍摄的过程中形成聚光和散光的转化，由于采用的是智能控制，这样的结构能够实现一些奇妙的拍摄镜头。通过调整电流强弱对电路进行控制，再通过电路调节灯光强弱。相机云台的设计。相机云台的设计是采用三轴未定结构的设计，相机的三轴稳定可以和相机移动框架一起运动，配合运动可以实现对特定物体的定焦拍摄。摄影棚整体移动框架的方案设计。摄影棚的整体移动方案主要有丝杆滑台移动方案、螺纹杆移动方案、钢丝滑轮移动方案、同步带滑台移动方案。由于丝杆滑台的造价比较高，对于安装要求和维护成本要求高。一次不适合本次设计的定位。钢丝滑轮的方案研发周期长，加工成本高，

42、由于今年疫情的原因，加工的成本再次的上升，导致无法在毕业之前完成。相比较以上的方案，同步带滑台的移动方案成本低，能够符合本次设计的各种要求。因此选用同步带滑台进行整体框架的设计。根据设计需求分析，框架需要实现X、Y、Z三轴的移动。因此，采用的是四个滑台搭建的结构，结构的形状在下图中显示。这样的结构能够减少滑台的使用，降低成本。但是这样的结构存在若干的问题，因此在这样的结构的基础上进行改进。在如图所示的位置上加装结构2的支撑，增加刚性。采用这样的结构后，减少了晃动。根据下面的公式进行晃动的分析。由于摄影棚需要进行密封，防止外部光源对灯光系统的影响。需要在原来框架的基础上，设计一个遮光罩。遮光罩的

43、功能有两个，一个是需要防止外界的光源对小型摄影棚的影响，另一个是对内部的光源进行控制。需要控制内部的光源，由于摄影的过程中有时候需要灯光不发生漫反射，这样的要求就需要遮光布能够进行便捷的更换。因此在设计的时候，就需要遮光的外部框架能够便捷的拆卸和更换。对于框架的选择，同样是优先考虑结构强度，其次考虑生产成本。本次设计采用的是铝方管和连接结构。如下图所示，这样的结构没有使用螺丝紧固件，可以更加方便的拆装。此外连接的部分使用的是传统的榫卯结构，在强度和坚固程度上都可以达到使用要求。虽然市面上的摄影棚都是大型摄影棚，小型摄影棚目前还没有足够智能的小型摄影棚。但是具有很高的借鉴意义。摄影棚的智能摄影棚

44、的功能分析1.拍摄功能2.移动拍摄3.旋转拍摄4.自动调光5.承载物体6.物体旋转摄影棚的功能需求。为了适合小物品的拍摄，特别是手机宣传片的视频拍摄，需要在拍摄的时候，手机能够处于一个不受外界管线干扰的环境中，这样一来，方便控制光源，并对光源进行调节。由于手机宣传片的拍摄需要手机进行全方位的展示，这样就需要手机所在的平台可以旋转，通过软件能够控制旋转的速度和方向，这样拍摄出来的效果更好。相机在摄影棚中并不是固定不动的。而是需要移动，由于拍摄效果的需求，需要移动的轨迹能够轻松自如的控制，在移动的同时需要旋转。而优美的画面与视频需要通过旋转，平移相机来完成。主要的拍摄效果有如下几张图片的拍摄效果。

45、这样看来，可以简化出一个非常简单的黑箱模型。被拍摄物体的形状颜色作为输入，智能摄影棚作为一个黑箱，输出是拍摄后的画面。只能摄影棚的功能结构分析模型根据分析，智能摄影棚的总功能是拍摄物体，实现拍摄物体这样的功能，需要三个部分的功能，电机动力驱动、电路控制、灯光调控三个功能单元，另外还有辅助功能。电机动力驱动部分主要是灯光移动的电机，载物台移动的电机、相机移动的电机。灯光移动需要实现的是灯光的XY轴的旋转、载物台的转动和升降、相机的转动和移动。电路控制部分需要实现电机的协调控制，电机的速度时间控制、灯光的色温和光线的强弱控制。辅助功能需要摄影棚的便于拆装，摄影棚外壳不透光。摄影棚的外观整洁漂亮。建

46、立功能链：根据上面的分析，建立关于摄影棚的功能链分析。输入信息是被摄物体的形状颜色，改变形状的摆放位置，获得形状变化的视频；通过光纤的照射，展现被摄物体的颜色，通过调节灯光的颜色、光线强弱、灯光照射角度，影响拍摄的光阴效果。拍摄角度和相机的移动得到影像资料。智能能摄影棚的功能结构模型：本质上讲，智能摄影棚是一个受到两个因素影响的单一输入和单一输出模型。这两个影响因素是灯光和光影物三者相对位置。其模型可以用下面的形势来表示。分析智能摄影棚待设计的功能1.解决相机移动的问题，2.解决灯光移动的问题3.解决物体移动的问题根据上述的原理进行如下的分析设计。由此，三次设计中的第一部设计完成。根据第一步设

47、计的设计结果。发现优先面的几个参数还没有设计完成。因此进行如下的设计。进入三次设计的第二次设计，参数设计。这一步的设计目的是为了寻找到最优的设计参数，从而降低生产成本提高产品的可靠性。根据分析，有下面的参数没有设计完成。框架的长宽高、灯的尺寸、相机云台 的尺寸由于这三个系统有着相对的独立性，因此设计的过程中，是和自身对照的设计。由此确定了完成了第二次设计。确定了参数。而在真正的生产活动中，不能轻易的下结论，还要考虑到实际加工会给产品带来怎么样的影响。因此第三步设计就是容差设计。在考虑生产不完美的加工的状态下，依旧可以保障产品的顺利运行。5 相机移动框架设计5.1 相机移动框架传动设计传动方案的

48、选择决定了机械运行的效果，传动方案的选择应该比较各种传动方案的优缺点，进行综合的考虑。根据目前常见的传动方案进行分析考虑，总结出以下的传动方案。按照传动的原理来分，有以及下几种。图5.1由上述表格可以知道，传动的方式一共有两种。一种是啮合传动一种是摩擦传动，相比较摩擦传动，啮合传动具有工作可靠、寿命长、传动比准确、传动功率大、效率高的优点。符合本次设计的传动要求。在啮合传动中，由于本文需要比较长的传送距离，因此，应该选用链传动或者是同步带传动。将同步带传动与链传动进行比较发现，工作可靠，噪音小，传动效率高是链传动没有的优点。因此本文的设计采用同步带传动。5.2 同步带选型计算相机的重量一般为1.5kg，镜头的重量一般为1.3kg，相机总重量为2