有限空間針狀科普藝術(shù)裝置的優(yōu)化方案與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭 波

（合肥探奧自動(dòng)化有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

科技館的存在，不僅僅是給參觀者提供信息，其真正的價(jià)值在于培養(yǎng)人們的好奇心和洞察力[1]，激發(fā)人們思考和創(chuàng)新的熱情以及最重要的行動(dòng)力。本文針對科技館中的標(biāo)志性展項(xiàng)“魔針”展開分析，通過探討魔針設(shè)計(jì)方案落地與施工安裝調(diào)試的過程，最終完成有限空間作業(yè)面內(nèi)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方案。

1 展品原型設(shè)計(jì)理念

1.1 初期構(gòu)思

最初的設(shè)計(jì)思路為：結(jié)合整體環(huán)境做一個(gè)包含幾何內(nèi)容的具有代表性特點(diǎn)的展品，并將展品單獨(dú)陳列，將它作為一種標(biāo)識(shí)、一種縮影、一種象征，能夠引導(dǎo)參觀者在游覽后想到“魔針”就會(huì)想到特定的科技館。

1.2 分析、優(yōu)化

當(dāng)初步設(shè)計(jì)思路制定后，團(tuán)隊(duì)對設(shè)計(jì)理念進(jìn)行深入的探索研究，并在與業(yè)主方反復(fù)溝通、對比、確認(rèn)后，終于確定了展品的最終方案思路：在原設(shè)計(jì)理念里加入一些科學(xué)和藝術(shù)元素，使展品整體不再只是一個(gè)為了展示而展示的展品，而是成為一個(gè)具有科學(xué)、人文、藝術(shù)等多方面元素的綜合體，不僅從展品本身體現(xiàn)科技館的固有特色，更從展品的設(shè)計(jì)上突出對科學(xué)理念的挖掘。

1.3 形體確認(rèn)

根據(jù)最終確定的設(shè)計(jì)理念，展品定義為：研究空間結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的幾何內(nèi)容與LED相結(jié)合的“魔針”展項(xiàng)[2]。此展項(xiàng)中既有對數(shù)學(xué)研究的探索，又有在科技加持下的展品，展現(xiàn)在參觀者眼前給予一種視覺沖擊的效果。展項(xiàng)“魔針”將機(jī)械運(yùn)動(dòng)與幾何知識(shí)相結(jié)合，旨在展示幾何學(xué)的多變性與無限可能性。

魔針位于展墻上，利用超高壓水刀在展墻上開取數(shù)個(gè)孔洞，魔針的整套機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)全部設(shè)置在這些孔洞背后，魔針的動(dòng)力系統(tǒng)主要由伺服電機(jī)構(gòu)成，每個(gè)電機(jī)連接著轉(zhuǎn)軸穿過孔洞伸出到展墻的表面，每個(gè)轉(zhuǎn)軸上均有4個(gè)擺桿，上面覆蓋著全彩LED燈帶，通過展墻后面的控制系統(tǒng)變幻出形態(tài)各異的奇妙圖案。

2 總體結(jié)構(gòu)與施工內(nèi)容

2.1 總體結(jié)構(gòu)

魔針位于某科技館中庭建筑墻內(nèi)，制作于其中一層扶梯的反面墻體上，由三行三列模塊分布而成，展示在8.8 m×8.8 m的平面上，每個(gè)模塊有4根1.8 m的LED燈板，通過展墻后面的控制系統(tǒng)變幻出形態(tài)各異的奇妙圖案，其造型如圖1所示。

圖1 魔針現(xiàn)場展示圖

2.2 施工內(nèi)容

本展品的展示方式不同于普通展品那樣僅是平放在地面或墻面上供人參觀、游覽，它是采用壁掛模式懸掛在墻體之上，所以在展示科技的同時(shí)[3]，強(qiáng)度和承重也成為其基礎(chǔ)制作的要點(diǎn)，故而需在其背后的墻面內(nèi)部預(yù)埋管件做承重基礎(chǔ)。而墻面為原建筑墻面，已完成干掛大理石裝飾面，在早期施工時(shí)未曾預(yù)留預(yù)埋管線，經(jīng)討論詢問后得知，將墻面拆除重建屬于危險(xiǎn)系數(shù)較大的工程，須在不破壞墻面承重的基礎(chǔ)上改造部分區(qū)域，而后在墻面背面進(jìn)行鋼架搭建，并使前面展示部分與后面基礎(chǔ)部分拼接在一起，在為展品固定基礎(chǔ)的同時(shí)也對展品的承重起到了關(guān)鍵作用。所以，施工方式為在原建筑墻面進(jìn)行開孔穿管，并將管件拼接固定在墻面后背的鋼架之上（圖2）。

圖2 魔針安裝示意圖

2.3 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

“魔針”展項(xiàng)是一組三維立體運(yùn)動(dòng)與顯示相結(jié)合的項(xiàng)目，為了實(shí)現(xiàn)館方和效果設(shè)計(jì)方的設(shè)計(jì)意圖，在整個(gè)項(xiàng)目圖像顯示方面采用了先進(jìn)的圖像處理和傳輸技術(shù)，在整個(gè)項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)方面采用了強(qiáng)大的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)。DP總線協(xié)議是工業(yè)上非常成熟的一種通信方式，具有高效率、低成本的特點(diǎn)，絕大多數(shù)工業(yè)級(jí)產(chǎn)品都可以支持DP協(xié)議，因此整個(gè)項(xiàng)目通過PROFIBUS DP協(xié)議與各子站進(jìn)行通信，性能穩(wěn)定可靠，這將為以后魔針的升級(jí)換代帶來不可替代的優(yōu)勢?！澳п槨闭鬼?xiàng)以工控機(jī)為控制載體，NI控制卡為控制核心，采用WAGO分布式模塊、西門子分布式模塊和施耐德伺服系統(tǒng)為輸出載體，驅(qū)動(dòng)外圍硬件來體現(xiàn)魔針的魔力（圖3）。工控機(jī)發(fā)出指令，通過WAGO分布式模塊控制柜內(nèi)低壓器件動(dòng)作，通過西門子分布式模擬量模塊控制彩燈的閃爍顏色變化，通過施耐德伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)外圍機(jī)械結(jié)構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)以一個(gè)高效而穩(wěn)定的方式有條不紊地執(zhí)行設(shè)定的動(dòng)作，可變換升級(jí)性強(qiáng)，維修方便。

圖3 電氣系統(tǒng)配置示意圖

2.4 控制系統(tǒng)及組成

2.4.1 電控設(shè)計(jì)思路

“魔針”展項(xiàng)是將空間幾何學(xué)和視覺影像藝術(shù)相結(jié)合的一種高科技產(chǎn)物，對于運(yùn)行軌跡和燈光變幻的控制都提出了非常高的要求，其電控部分主要包括電機(jī)、導(dǎo)電滑環(huán)、控制柜，主要實(shí)現(xiàn)空間不同位置組合和燈光變幻的組合。為了能準(zhǔn)確完成整個(gè)系統(tǒng)的精確控制和燈光變幻藝術(shù)效果的控制[4]，采用當(dāng)前最新的現(xiàn)場總線控制技術(shù)，選用主從模式，在軌跡和位置運(yùn)算方面，功能運(yùn)算和規(guī)劃放到主站實(shí)現(xiàn)，用LabView編程語言來實(shí)現(xiàn)主站的編程；對生成的過程控制數(shù)據(jù)通過PRIFIBUS DP總線主站板卡來實(shí)現(xiàn)對從站的通信。從站由36臺(tái)伺服從站、9臺(tái)燈光控制從站、1臺(tái)IO點(diǎn)控制從站組成，所有從站都能通過總線通信的方式來交互數(shù)據(jù)。伺服電機(jī)使用施耐德進(jìn)口電機(jī)，IO點(diǎn)從站模塊采用德國知名品牌——WAGO模塊，主站卡也是德國進(jìn)口品牌，主控制柜和低壓電器選用法國施耐德電氣產(chǎn)品。

2.4.2 電控設(shè)計(jì)方案

2.4.2.1 控制過程

主站通過過程控制模型計(jì)算出每個(gè)運(yùn)動(dòng)伺服電機(jī)的參數(shù)，如速度、加速度、時(shí)間、位置參數(shù)，再一起下發(fā)到每個(gè)伺服電機(jī)，然后發(fā)送“開始運(yùn)行”指令，在運(yùn)行過程中，不停刷新燈光控制模塊的參數(shù)值，來實(shí)現(xiàn)燈光顏色和亮度的變幻?？偩€通信具有高速性，因此可以實(shí)現(xiàn)位置變化和燈光變幻的統(tǒng)一和配合（圖4）。

圖4 電控系統(tǒng)示意圖

2.4.2.2 技術(shù)參數(shù)

整個(gè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了電磁兼容和抗干擾方面的要求，對于總線增加了一個(gè)西門子的總線控制器，來提高整個(gè)總線的信噪比，減少通信的誤碼率，為整個(gè)系統(tǒng)的高速高效穩(wěn)定運(yùn)行提供了硬件保證。在低壓電器方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得手動(dòng)和自動(dòng)模式可以自由轉(zhuǎn)換，簡單操作，能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行，減少人員操作工作量，簡單易用。

展項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

表1 展項(xiàng)參數(shù)表

2.5 機(jī)電設(shè)備安裝難點(diǎn)分析、解決方案

本展項(xiàng)設(shè)備間后部施工空間有限且需高空拼接作業(yè)，因此為施工過程帶來了不小的困擾。其中登高作業(yè)難度較大，不僅需要在高處進(jìn)行拼接施工，還需要保證施工安全[5]。因此，會(huì)同現(xiàn)場技術(shù)人員測量探討后決定，前部中庭的燈管模組將腳手架作業(yè)模式優(yōu)化為腳手架結(jié)合自行式升降機(jī)模式，既能保障安全又能方便燈管的安裝作業(yè)。在設(shè)備間后部作業(yè)頂面位置加裝吊裝葫蘆，為上方拼接作業(yè)人員提供安全作業(yè)平臺(tái)，用跑車葫蘆將已拼接完成的部分吊至指定位置，后由作業(yè)人員在下部進(jìn)行拼接組裝，整體作業(yè)完成后由吊裝葫蘆將作業(yè)人員運(yùn)送至高處指定位置，將已拼接完成的拼接件與前面展示部分連接為一個(gè)整體，完成鋼架施工全部作業(yè)內(nèi)容。

因?yàn)榭臻g狹小，無法同時(shí)堆積大量材料及施工器具，所以展品所需鋼架由外部空曠空間拼接為80 cm×40 cm×80 cm的拼接段（圖5），相繼運(yùn)至作業(yè)區(qū)內(nèi)，而后由跑車葫蘆將拼接段已完成部分整體向上拖移至指定位置，進(jìn)行拼接組裝。

圖5 展品焊接段照片

展品整體固定及承載施工均應(yīng)避開原建筑墻面中的鋼梁部分，如鋼梁位置與施工位置有沖突，則采取繞梁處理，處理辦法如圖6所示，沖突部分則采用繞梁辦法進(jìn)行固定。繞梁施工區(qū)域需要鉆孔處理，孔徑一般為100 mm，繞梁鋼架呈U形固定。

圖6 過梁示意圖

2.6 燈具組裝

拼接件安裝完成后，由現(xiàn)場操作人員將指示燈從中心模塊開始往四周安裝，其中橫向和縱向的指示燈是交叉重疊的，所以安裝的層次也應(yīng)隔開，燈組寬度為80 mm，每兩個(gè)之間的距離為100 mm（圖7）。當(dāng)所有燈管每組都處于同一個(gè)平面且運(yùn)行無交叉干涉時(shí)，即為安裝結(jié)束。

圖7 燈組示意圖

2.7 設(shè)備間恢復(fù)

當(dāng)展品全部安裝完成且調(diào)試無誤后，將展項(xiàng)背面進(jìn)行裝飾恢復(fù)，使用輕鋼龍骨進(jìn)行支撐，頂面由阻燃板做基層面層，使用石膏板做恢復(fù)。整體恢復(fù)完成后，在管閥部位預(yù)留60 cm×60 cm檢修口，以方便后續(xù)維修時(shí)使用。

3 結(jié)束語

綜上所述，針對有限空間內(nèi)的高空作業(yè)，充分考慮物體的運(yùn)輸和現(xiàn)場環(huán)境，對裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化及方案落地，可以最大程度為項(xiàng)目增值，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)科技館的科普功能?！澳п槨闭鬼?xiàng)的施工不僅把“服務(wù)公眾，安全第一”放在了首位，更使得項(xiàng)目質(zhì)量得到了大幅提升。