解析《國家寶藏》第二季舞臺機(jī)械的設(shè)計(jì)

石森

[摘要]分析了《國家寶藏》第二季中大視頻盒子和視頻平移升降柱舞臺機(jī)械的設(shè)計(jì)方案，并利用三維軟件solidworks進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)及仿真分析。

[關(guān)鍵詞]《國家寶藏》;舞臺機(jī)械;solidworks;仿真分析;視頻盒子;龍門鋼結(jié)構(gòu);平移升降柱;四出繩吊機(jī)

文章編號：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.07.010

《國家寶藏》第二季是由中央廣播電視總臺和央視紀(jì)錄國際傳媒有限公司聯(lián)合制作播出的大型文博探索節(jié)目。節(jié)目設(shè)計(jì)了大視頻盒子和視頻平移升降柱（以下簡稱“視頻柱”）兩部分的舞臺機(jī)械，如圖1所示。這兩部分舞臺機(jī)械的變化極大地增強(qiáng)了舞臺效果。下文將對這兩種舞臺機(jī)械進(jìn)行解析。

這兩種舞臺機(jī)械全部采用了機(jī)械行業(yè)較為先進(jìn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，以三維軟件SOLIDWORKS作為建模軟件，對必要零部件采用abaqus有限元軟件進(jìn)行仿真分析，使設(shè)計(jì)快速準(zhǔn)確，并在滿足舞臺美術(shù)要求的前提下降低了設(shè)備成本。

1大視頻盒子

大視頻盒子為7m×7m×7m的正方體視頻盒子（如圖2所示）。舞美造型要求：1）視頻盒子可在其前側(cè)、兩側(cè)、上側(cè)4個(gè)方向的平面上實(shí)現(xiàn)視頻輸出;2）保證視頻盒子在一個(gè)9m高的視頻墻內(nèi)可以前后移動(dòng)，移動(dòng)行程為7m。為保證視頻效果，需要視頻盒子上的屏幕與視頻GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中Q235B鋼許用應(yīng)力190MPa。最大絕對位移為1.83mm，這個(gè)位移不會(huì)對其他結(jié)構(gòu)造成額外的影響。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際安裝情況，該鋼結(jié)構(gòu)效果也非常好，在沒有安裝屏幕的前提下，四個(gè)人就可以將結(jié)構(gòu)推動(dòng)，滿足了輕量化的要求。在安裝過程中，工人在鋼結(jié)構(gòu)上走動(dòng)晃動(dòng)都不會(huì)對結(jié)構(gòu)造成可以感知的影響，其剛度足以滿足要求。

1.3視頻門

如上所述，為滿足動(dòng)力性，舞臺需為車臺與視頻盒子相連的部分留出間隙。為滿足舞美造型需求，舞臺平面上不宜增加更多縫隙，因此視頻門的移動(dòng)軌道定于視頻盒子側(cè)方通道即視頻盒子龍門鋼結(jié)構(gòu)上（如圖5所示）。視頻門通過齒輪齒條的驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行移動(dòng)。如上文所述，通道兩側(cè)需留有屏幕，因此，屏幕上需為視頻門移動(dòng)軌道留出間隙。為使間隙不影響視頻效果，將軌道設(shè)置在視頻盒子通道的最底端（攝像頭是由下向上給視角，不會(huì)拍到這道縫隙。）

為了保證視頻門的平穩(wěn)性，采用了雙導(dǎo)軌雙驅(qū)動(dòng)的方式。兩臺電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)一組齒輪，分別在兩根齒條上運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用伺服電機(jī)，依靠伺服電機(jī)自身的運(yùn)行精度保證兩根齒條上的齒輪足夠同步的運(yùn)行。伺服電機(jī)具有可以在不同的項(xiàng)目中使用、定位精度高、控制系統(tǒng)完善等特點(diǎn)，在舞臺機(jī)械上廣泛使用。

2視頻平移升降柱

該舞臺上另一組主要的舞臺機(jī)械為9根7m高的視頻柱，長、寬均為2m，單根含屏重量約620kg。需要實(shí)現(xiàn)每根視頻柱的前后移動(dòng)和上下升降。

2.1伺服小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)

不同于專門定制的非標(biāo)機(jī)械視頻盒子，視頻柱是一款通用設(shè)備，由伺服電機(jī)控制，定位精確且靜音，曾應(yīng)用在2018年北京國際電影節(jié)。筆者先后設(shè)計(jì)了三版視頻柱，在保證性能不變的前提下降低了設(shè)備的成本，增加了設(shè)備使用的便捷性。

視頻柱在常規(guī)小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上幾經(jīng)改造，將驅(qū)動(dòng)方式從普通電機(jī)改為伺服電機(jī)，將依靠滾輪滾動(dòng)摩擦前后移動(dòng)改為齒輪在齒條上滾動(dòng)，極大地增加了起重滑車的定位精度。

在主輪的基礎(chǔ)上增加一組側(cè)輪和一個(gè)頂輪，這樣的設(shè)計(jì)極大地增加了起重滑車的穩(wěn)定性、降低了設(shè)備本身的噪聲。在舞臺行業(yè)，設(shè)備噪聲對整個(gè)項(xiàng)目的聲音效果具有極大的影響，需要在設(shè)備可以使用的前提下靜音。伺服小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)通過增加側(cè)輪和頂輪，成功將噪音聲控制到40dB以下，實(shí)現(xiàn)了起重滑車的可使用性。

2.2四出繩吊機(jī)

不同于電葫蘆等常見的起重設(shè)備，四出繩吊機(jī)顧名思義，有兩個(gè)卷筒可以出四根鋼絲繩，這四根鋼絲繩分別吊裝于視頻柱的四個(gè)角，極大地增加了視頻柱升降過程中的穩(wěn)定性。

負(fù)載的水平移動(dòng)+升降是舞臺機(jī)械中常用的運(yùn)動(dòng)形式。

在《國家寶藏第一季》的平移+升降舞臺機(jī)械的方案中，每組設(shè)備采用三套卷揚(yáng)機(jī)（見圖7），其中，兩套卷揚(yáng)機(jī)負(fù)責(zé)負(fù)載的前后移動(dòng)，一套卷揚(yáng)機(jī)負(fù)責(zé)負(fù)載的升降。這種方案使用的電機(jī)數(shù)目較多，同時(shí)無法對負(fù)載進(jìn)行精確的定位。

在《中國音樂公告牌》的平移+升降舞臺機(jī)械方案中，每組設(shè)備采用一套伺服小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)（這個(gè)伺服小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和前文中提到的伺服小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)相同）和一套卷揚(yáng)機(jī)，伺服小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)負(fù)載的前后移動(dòng)，卷揚(yáng)機(jī)負(fù)責(zé)負(fù)載的升降。這種方案雖然提高了負(fù)責(zé)的水平定位精度，但是也帶來了兩個(gè)問題。

（1）卷揚(yáng)機(jī)要經(jīng)過復(fù)雜的輪系才能把卷揚(yáng)機(jī)上的動(dòng)力傳遞到吊裝物上。安裝輪系對現(xiàn)場安裝要求很高，尤其在需要升降非常多的場合，輪系的安裝非常耗費(fèi)工時(shí)，也很容易產(chǎn)生問題。這個(gè)問題在上述兩檔綜藝節(jié)目中都是存在的。

（2）《中國音樂公告牌》中，負(fù)載正上方需要設(shè)置一個(gè)滑輪，通過這個(gè)滑輪將豎直拉力轉(zhuǎn)換為水平拉力，再將這個(gè)水平拉力傳遞給卷揚(yáng)機(jī)，這種方式在與水平移動(dòng)的伺服小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)配合使用中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問題：水平移動(dòng)的伺服小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)不會(huì)提供過大的水平拉力（本文中使用的伺服小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)為200kg左右）。小車運(yùn)行結(jié)構(gòu)200kg左右的水平拉力完全可以勝任2t甚至3t吊重的負(fù)載，但是一旦使用卷揚(yáng)機(jī)，上述滑輪會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與吊重負(fù)載相同大小的水平拉力，這樣一來伺服小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)甚至不能承擔(dān)200kg的吊重。

四出繩吊機(jī)的設(shè)計(jì)目的是克服上述問題，由于相當(dāng)于將卷揚(yáng)機(jī)整體直接吊到了伺服小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)上，其不產(chǎn)生水平拉力，也就避免了對伺服小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)大水平拉力的要求。

3結(jié)語

利用三維軟件solidworks對大視頻盒子和視頻柱進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，再對必要的零部件進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，在保證設(shè)計(jì)快速、準(zhǔn)確、直觀的同時(shí)減低了成本。大視頻盒子的設(shè)計(jì)包括車臺、龍門式鋼結(jié)構(gòu)和視頻門三方面。其中，車臺的布置位置、穩(wěn)定性，龍門鋼結(jié)構(gòu)的剛度和精度，視頻門的間隙和軌道位置對整個(gè)舞臺的呈現(xiàn)影響較大。視頻柱的前后移動(dòng)和上下升降通過伺服小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和四出繩吊機(jī)實(shí)現(xiàn)。伺服小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和四出繩吊機(jī)這兩種機(jī)械設(shè)備都是在常用機(jī)械設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)而來的，以適用于國家寶藏第二季舞臺。伺服小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)化極大地增加了其穩(wěn)定性，降低了設(shè)備本身的噪聲;四出繩吊機(jī)極大地增加了視頻柱升降過程中的穩(wěn)定性并極大地降低了對伺服小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)水平拉力的要求。