張能

摘 要：廣西人民會堂舞臺的升降系統(tǒng)主要采用液壓傳動系統(tǒng)，通過分流集流閥向各升降臺的油缸注油，缸內(nèi)活塞桿將剪刀叉打開或閉合，從而達到舞臺升降目的。但是由于舞臺使用年份已久，舞臺在升降過程中出現(xiàn)平臺不同步、晃動、干涉、下降等情況，給使用造成了很大的影響。為了滿足客戶使用要求，現(xiàn)將舞臺升降系統(tǒng)由液壓傳動控制改造為伺服自動控制，并通過PLC系統(tǒng)精準(zhǔn)操控，徹底地解決上述問題。

關(guān)鍵詞：舞臺；剪刀叉；舞臺升降；PLC系統(tǒng)；伺服自動控制

中圖分類號：TH137 文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

廣西人民會堂舞臺采用剪刀叉式的液壓升降平臺，每兩個剪刀叉機構(gòu)舉升一個平臺，共有22組剪刀叉機構(gòu)。升降機構(gòu)采用的液壓推動升降方式，目前采用的是開環(huán)控制系統(tǒng)，無法實現(xiàn)任意高度的閉環(huán)，如圖1所示。

由于舞臺使用的年份已久，舞臺在升降中出現(xiàn)各種缺陷和故障，如升降平臺穩(wěn)定性不足，存在晃動。升降時平臺存在相干涉、不同步，位精度差，需要單動操縱升降平臺以調(diào)整各平臺的等高度。升降平臺出現(xiàn)自行下降，無法保證會議期間座位平臺高度不變。這些問題嚴(yán)重地影響了舞臺的使用性。為此，專門設(shè)計制造了新的舞臺升降系統(tǒng)，以解決上述問題。

1 升降系統(tǒng)改造方案

1.1 問題原因分析

通過對原有舞臺檢查分析，舞臺在升降中出現(xiàn)各種缺陷和故障主要由以下幾方面造成。

（1）舞臺的剛性、平整性及制造精度等都會影響舞臺使用時的幾何精度，并且升降系統(tǒng)沒有導(dǎo)向機構(gòu)，造成舉升直線無法保證，甚至出現(xiàn)扭擺行走。

（2）液壓系統(tǒng)是開環(huán)系統(tǒng)且液壓管路長度較長且不均衡，造成油缸的壓力與流量不均衡使升降不同步。

（3）舞臺使用年份已久，后期維護不到位、機構(gòu)的磨損、液壓元件性能下降，都會影響舞臺升降效果。

1.2 客戶對舞臺改造的要求

（1）不重新制作舞臺，在原來基礎(chǔ)上進行改造升級。

（2）剪刀叉平臺、地板以及相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施不做太大的更改。

（3）保證舞臺安全、穩(wěn)定、可靠。

（4）改進平臺穩(wěn)定性，消除平臺升降中的不同步和舞臺自行下降的現(xiàn)象。

（5）后期維護保養(yǎng)方便。

1.3 改造思路

根據(jù)客戶的需求，對舞臺升降機構(gòu)的改造提出了以下思路：

（1）舞臺升降系統(tǒng)由液壓傳動系統(tǒng)改造成伺服自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)舞臺任意高度自鎖。

（2）增加升降導(dǎo)向機構(gòu)，提升舞臺的穩(wěn)定性，減少舞臺的干涉與晃動。

（3）伺服電機、減速機與PLC配合，消除舞臺升降中的不同步和舞臺自行下降的現(xiàn)象。

（4）舞臺升降可實現(xiàn)單動、聯(lián)動和同步運動，達到升降的安全、可靠、準(zhǔn)確控制。

（5）舞臺所有的動作控制集中至電腦系統(tǒng)中控制。

（6）舞臺升降機構(gòu)的后期維護保養(yǎng)方便。

1.4 改造技術(shù)方案

根據(jù)客戶的需求，針對舞臺的現(xiàn)狀和存在的問題，對舞臺升降系統(tǒng)的改造設(shè)計了以下方案（如圖2所示）。

（1）方案概述

該方案主要是通過安裝在地面上的伺服驅(qū)動機構(gòu)通過齒輪傳動，帶動滾珠絲桿，然后通過與滾珠絲桿連接的推動機構(gòu)，推動剪刀叉上的滾輪機構(gòu)，那么下部的剪刀叉就會張開或閉合，舞臺必然隨著剪刀撐地張開、閉合直線運動，從而達到舞臺升降的要求。

（2）主動力（推力）計算

舞臺的升降過程中，所需要的動力是隨著高度的變化而變化的。只有計算出舞臺升降所需要的最大動力，才可以準(zhǔn)確設(shè)計驅(qū)動機構(gòu)以提供足夠的動力來推動舞臺，使其按要求升降。根據(jù)運動學(xué)仿真得知，舞臺運行到最低位置的時（根據(jù)行程要求最低位置為14°），整個伺服驅(qū)動結(jié)構(gòu)受到的力是最大，所需推力為426.9kN，如圖3所示。

為了能夠提供足夠的動力，驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計成伺服驅(qū)動機構(gòu)。該驅(qū)動機構(gòu)采用伺服電機、減速器、滾珠絲桿、線性導(dǎo)軌組合，設(shè)備運行平穩(wěn)、噪聲小、精度高、結(jié)構(gòu)合理、剛性好、承受力大、變形小并且具有可靠的定位鎖緊機構(gòu)。

（3）技術(shù)參數(shù)

①舞臺載荷。在確保原舞臺結(jié)構(gòu)（鋼結(jié)構(gòu)、舞臺木板結(jié)構(gòu)等）可靠的情況下，新制造的舞臺升降機構(gòu)承受的載荷為： 動載荷100kg/m2；在原點位置及正方向，靜載荷 400kg/m2；在最低點位置靜載荷為120kg/m2。注：舞臺原點是指舞臺與整體表演平臺平面相平的點，定義往上升為正，往下降為負。

②舞臺升降速度和行程。舞臺升降速度：0m/min～3m/min。

樂池行程：-2000mm～100mm。

1號平臺行程：-1400mm～1600mm。

2號平臺行程：-1400mm～1600mm。

3號平臺行程：-1100mm～1600mm。

4號平臺行程：-1100mm～1600mm。

5號平臺行程：-1100mm～1600mm。

6號平臺行程：-1100mm～1800mm。

2 控制系統(tǒng)

由于舞臺整個升降系統(tǒng)已經(jīng)徹底改變，原舞臺的控制系統(tǒng)已經(jīng)不適應(yīng)新的升降方式，因此需要重新設(shè)計一個專用的系統(tǒng)來控制舞臺的升降。設(shè)計新的數(shù)控系統(tǒng)時，應(yīng)當(dāng)充分考慮使用性能、經(jīng)濟性以及維修服務(wù)等因素。目前，PLC控制系統(tǒng)在工業(yè)上應(yīng)用越來越成熟，其定位功能精準(zhǔn)、程序的設(shè)計和調(diào)試簡單方便、硬件成本相對較低，因此，從經(jīng)濟性和使用性來考慮，舞臺的控制系統(tǒng)采用PLC控制。

新設(shè)計的系統(tǒng)主要通過PLC系統(tǒng)（如圖4所示）控制各個舞臺的升降。每個平臺是一個完整的系統(tǒng)，配有一個控制箱對平臺進行單獨控制，實現(xiàn)舞臺升降的準(zhǔn)確定位。用總PLC控制系統(tǒng)對7個平臺的控制箱進行集中控制，實現(xiàn)舞臺的聯(lián)動功能，且總PLC接到一臺工控機上面，通過一臺工控電腦對所有平臺的動作進行集中控制。

結(jié)語

從客戶對舞臺使用要求出發(fā)，對廣西人民會堂舞臺的升降系統(tǒng)進行改造提升，升降動力執(zhí)行元件由油缸改為伺服電機，并通過PLC控制系統(tǒng)對舞臺進行控制，實現(xiàn)了舞臺在任意高度準(zhǔn)確控制（如圖5所示）。伺服自動控制升降系統(tǒng)消除了舞臺升降中出現(xiàn)的干涉、晃動、不同步、自行下降等問題，并且舞臺還可以單動、聯(lián)動和同步運動。改造后的舞臺使用安全可靠，操作簡單、維護方便，并且創(chuàng)造了良好的工作環(huán)境，得到了用戶的好評。該舞臺升降系統(tǒng)自動控制設(shè)計方案對一些使用年份已久相類似的舞臺改造有較大的參考、推廣價值。

參考文摘

[1]趙鵬，劉意芬，馬天褆，等.廣西人民會堂的舞臺機械設(shè)計[J].廣西機械，1998（1）：34-46.

[2]趙鵬.廣西人民會堂舞設(shè)備微機群控監(jiān)測系統(tǒng)介紹[J].廣西土木建筑，1999（3）：147-149.

[3]張展.齒輪設(shè)計與實用數(shù)據(jù)速查[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[4]濮良貴，紀(jì)名剛.機械設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5]周軍.電氣控制及PLC[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[6]羅用順.機床數(shù)控化改造技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[7]現(xiàn)代實用機床設(shè)計手冊編委會.現(xiàn)代實用機床設(shè)計手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2006.