第一章 世界线变动率探测仪 | Divergence Meter 结构方案设计

分析Divergence Meter原作尺寸

本作品的外形设计是以Steins;Gate中出现的Divergence Meter为原型,从25集的《命运石之门》动漫中可以看到,Divergence Meter一共有12个主要镜头,每个镜头的角度不尽相同,由这些镜头大致能看到Divergence Meter的全貌。

再次看了一遍25集《命运石之门》,把这12个主要镜头截图出来汇总一下:

No.1 第1集 起源与终结的序章 09’30” No.2 第14集 形而下的坏死 19’21” No.3 第14集 形而下的坏死 19’32” No.4 第15集 缺失环节上的坏死15’13”
No.5 第15集 缺失环节上的坏死15’27” No.6 第15集 缺失环节上的坏死15’33” No.7 第15集 缺失环节上的坏死 15’47” No.8 第15集 缺失环节上的坏死 16’17”
No.9 第15集 缺失环节上的坏死 16’18” No.10 第16集 不可逆的坏死 13’33′ No.11 第16集 不可逆的坏死21’12” No.12 第17集 虚像歪曲的混合 00’44”

本章将基于这些截图来对外形尺寸、外壳材质、安装方式进行分析与假设,并从可行性角度来对外壳结构进行设计。

首先我们来讨论一下尺寸大小问题,抛开辉光管的大小规格不谈,我们从视频截图中可以看到几张对比图片(上图列表中的第1张、第2张、第3张和第5张),由这些图片虽然看不出来具体尺寸,但可以通过一些元素来推算。我们先看第2张图,这张图基本上展示了完整的顶部面板,所有顶部的零组件包括辉光管都是焊接固定在这个顶部面板上,而且从顶部面板上可以看到很多均匀分布的小孔,没错,熟悉电子设计的朋友们一定不陌生,这块顶部的面板其实就是我们做实验常用的万能板(俗称洞洞板),它上面按照标准IC间距2.54mm均匀分布着很多过孔,电子器件可以将引脚从这些小孔穿到底面并用焊锡焊接固定在底面的覆铜层。下图是2010年做辉光管升压电路实验时使用的一块典型的万能板,与原作中世界线变动仪的顶部面板是类似的:

刚才提到,万能板上的小孔间距是标准的IC间距100mil(0.1英寸),也就是2.54mm,我们再通过第2张视频截图仔细数一下,横向一共有60个孔,最左边的孔到最右边的孔距离为2.54x(60-1)=149.86mm,纵向一共16个孔,最顶上的孔到最底部的孔距离为2.54x(16-1)=38.1mm,再假设四周边缘再增加一个标准IC间距2.54mm,那就得出顶部面板的尺寸为:长154.94mm,宽43.18mm

根据这个尺寸大小,再结合视频截图上能看到的器件位置及尺寸比例,我绘制了一下顶部面板的3D图纸。
从绘制的3D图来看,顶部面板的布局及板载零部件尺寸与动漫中的Divergence Meter保持一致,如下图所示:

顶部面板尺寸推算出来以后,下面的外壳尺寸也可以基本确定了,现在需要确定的就是高度。
由于高度并没有我们所熟悉的标准参照物,所以我们就通过视频图片里的一张正面截图来计算一下比例得出高度吧。
第4张截图的视角非常接近前视角度,我把刚才推算出来的长度尺寸154.94mm带入视图内,按比例得到的高度大概是25.70mm,请见下图:

推算出的 长 x 宽 x 高 = 154.94mm x 43.18mm x 25.7mm有了这些尺寸作为参考,我绘制了符合Steins;Gate中原作尺寸的1:1比例的3D图,图中除了顶部面板和底部外壳以外,其他零件都是根据图中的比例大小绘制。其实在这个过程中,其他零件的大小也比较好推算,因为顶部面板均匀分布着2.54mm间距的小孔,可以通过图中零部件所跨越的小孔数量来推算出零件的尺寸。

这个3D模型采用Solidworks绘制,为了展示细节,整个绘制过程也经过了反复修正,无论从形状上还是尺寸上,最终效果如下:

 

确定实际制作的Divergence Meter尺寸

3D模型创建以后便有了可以参考的实际尺寸数据,并且根据现实中具备可行性的条件来设计外壳和顶部面板的具体结构和安装方式,不过在这之前,我决定还是来逐个检查一下顶部面板上的各个零部件的尺寸,其实最主要的目的还是为了检查3D模型中推算出来的辉光管尺寸,在现实中是否存在。

从各个角度动漫截图来看,再结合顶部面板比例图,不难看出原作中的辉光管直径占据的6个标准孔间距,也就是辉光管直径为2.54×6=15.24mm。然而针对这个尺寸来讲,的确比较尴尬,因为根据这5年多接触辉光管的经验来说,根本不存在这个直径大小的Nixie tube。而与此直径想近似并且综合其他特性来看符合Divergence Meter应用条件的辉光管直径为0.75英寸(19.05mm),具体是如何分析与选择辉光管型号的细节介绍将在 第二章 Divergence Meter 辉光管选型与型号对比 中会作为重点描述,在这里先使用其研究结果。

基于以上分析结果,我们不得不根据现实情况来调整外形设计,尤其是实际选用的辉光管直径确定以后,原本推算的长度154.94mm将不再合适,所以我将根据推算的原作辉光管直径15.24mm与实际辉光管直径19.05mm来等比例放大外壳尺寸,最终的底部外壳设计尺寸调整为 长 x 宽 x 高 = 190mm x 53mm x 35mm

根据等比例调整后的尺寸,我又重新绘制了3D模型,对比推算的原作尺寸后,可以非常直观的看出来大小的差别,相关比例图纸如下:

截至目前,基于现实中既有的辉光管尺寸,我们已经确定了符合原作Divergence Meter比例的外形尺寸,并绘制了3D模型。
从两个3D模型的比例来看,尺寸差别并不大,准确来说,本作品设计的这个世界线变动率探测仪与原作中的尺寸比例为 1.23:1。

设计外壳各部分零件及确定安装方式

下一步将基于原作Dievergence Meter的外形特点来设计外壳的零件种类及可行的安装方式。

可以肯定的是,整个外壳部分除了顶部面板是电路板基板,其他5个面将采用金属板来制作,本作品中前、后、左、右四面采用的是国标1.0mm厚的304不锈钢板,单面精细直纹拉丝,底板采用的是2.0mm厚的304不锈钢板,带双面精细直纹拉丝。(在为何选择304不锈钢直纹拉丝板的问题上曾做过认真的考虑与比对,具体想法将在 第三章 Divergence Meter 外观零件选型与细节对比 中详细介绍)。

从动漫截图中可以看出,前面板与两侧面板都是独立的一个整体,除了两侧直角边上有两颗螺丝固定以外,整个面板区域并无任何安装固定用的零件。顶部面板则采用6颗类似六角铜柱的标准件固定,底部对应顶部6颗六角铜柱零件的位置,也有几颗类似螺丝的零件,所以化繁为简,直接采用激光切割不锈钢面板,然后采用非标加工的方法做4颗方形截面铜柱凡在四个角上,然后用螺丝直接贯穿不锈钢面板来固定4个面,底部的不锈钢底板则采用螺丝直接固定在铜柱上,前后面板的中间位置放置两颗标准的六角铜柱,同样采用螺丝直接固定在底板上,这样一来,顶部的面板也就可以如同动漫截图中的原作一样,使用6颗类似六角铜柱的标准件直接固定在外壳上的这6个铜柱螺丝孔上。分解视图如下:

 

至此,整个外形与结构方案已经确定,概念设计已经完成,而重要的是具备可操作性。
概念设计完成以后,将进入详细设计阶段,详细设计阶段则要考虑的问题更多,包括具体实施的一些细节,包括装配工艺、可靠性、尺寸公差等等都要认真设计。详细设计完成以后,每一个外壳与结构零件的尺寸也就确定了下来,分别导出每一个零件的2D加工图纸,就可以送到加工厂进行打样加工了,单单这些外壳零件需要用到的加工工艺有:激光切割、磨床抛光、铣床加工、钻床钻孔、攻丝、冲压折弯等等… 具体的外壳制作过程请详见 第四章 Divergence Meter 外壳制作过程

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世界线变动率探测仪 | Divergence Meter 项目首页
第一章 Divergence Meter 结构方案设计
第二章 Divergence Meter 辉光管选型与型号对比
第三章 Divergence Meter 外观零件选型与细节对比
第四章 Divergence Meter 外壳制作过程
第五章 Divergence Meter 电路方案设计与制作
第六章 Divergence Meter 电路板组装与调试
第七章 Divergence Meter 功能设计与操作说明
第八章 Divergence Meter 包装设计及附件选型

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