胥世琳，費(fèi)葉琦，2*，馬竹樵，潘知瑤，劉雨浩，閆業(yè)斌

（1.南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 智能制造學(xué)院，南京 210046；2.南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，南京 210037；3.上海普密德自動(dòng)化科技有限公司，上海 200000）

升降舞臺(tái)是舞臺(tái)機(jī)械臺(tái)下設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的機(jī)構(gòu)之一，可以快速轉(zhuǎn)換布景，根據(jù)實(shí)際需要配合舞美需求改變舞臺(tái)高度，在場(chǎng)景轉(zhuǎn)換時(shí)移動(dòng)布景和演員、豐富舞臺(tái)表演形式上有著極其重要的作用。隨著我國(guó)文化建設(shè)不斷進(jìn)步，人們生活水平不斷提高，越來(lái)越多的人走進(jìn)劇院，追求精神上的娛樂(lè)。為了滿足更多觀眾的需求，提高表演質(zhì)量，需要進(jìn)一步提高舞臺(tái)機(jī)械的控制精度。因此升降舞臺(tái)技術(shù)的提高顯得極為重要。

1 發(fā)展歷程

從手搖舞臺(tái)到現(xiàn)代機(jī)械化舞臺(tái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，舞臺(tái)機(jī)械技術(shù)水平得到了極大的豐富和發(fā)展，同時(shí)一些高新技術(shù)和控制系統(tǒng)在其中得到了應(yīng)用。

1.1 國(guó)外發(fā)展歷程

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在改造已有劇院的基礎(chǔ)上，國(guó)外進(jìn)一步優(yōu)化舞臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)，更加重視舞臺(tái)機(jī)械的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以確保舞臺(tái)的安全性。

2017年改造完成的德累斯頓文化宮[1]，其現(xiàn)有音樂(lè)廳演奏臺(tái)均采用剛性鏈驅(qū)動(dòng)，大幅提高了升降臺(tái)的升降行程，同時(shí)滿足了多種表演類形式演出對(duì)于舞臺(tái)的要求，提高了舞臺(tái)的利用率。Melnikov等[2]使用聲學(xué)超材料包裹齒輪箱，能夠在保證良好通風(fēng)的情況下有效隔絕升降舞臺(tái)齒輪箱所產(chǎn)生的噪聲。古川晃等[3]發(fā)明的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，擁有2組定子繞組并通過(guò)多個(gè)微處理器互相協(xié)作，當(dāng)其中一個(gè)定子繞組發(fā)生異常時(shí)，可以利用另一個(gè)正常定子繞組來(lái)繼續(xù)進(jìn)行控制，保證了升降舞臺(tái)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。Crivelli等[4]采用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測(cè)升降舞臺(tái)機(jī)構(gòu)，尤其是齒輪和軸承，通過(guò)監(jiān)測(cè)聲波識(shí)別機(jī)構(gòu)中是否存在損傷。Benmahdjoub等[5]提出了一種基于樹莓派的智能保護(hù)裝置，通過(guò)實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)，在并聯(lián)交流發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障的情況下向終端設(shè)備發(fā)出警告。實(shí)現(xiàn)了更高效的升降舞臺(tái)的監(jiān)控系統(tǒng)。Rodriguez-Jorge等[6]通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)升降舞臺(tái)機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)來(lái)判斷機(jī)械結(jié)構(gòu)是否存在故障，如果存在異常振動(dòng)系統(tǒng)將實(shí)時(shí)發(fā)出警告。

近年來(lái)，國(guó)外舞臺(tái)設(shè)計(jì)公司更加重視升降舞臺(tái)的安全性能，一方面進(jìn)一步優(yōu)化舞臺(tái)機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一方面開(kāi)始研發(fā)更加安全可靠的舞臺(tái)機(jī)械檢測(cè)設(shè)備。一些新型的檢測(cè)理念，如無(wú)損檢測(cè)，開(kāi)始在舞臺(tái)機(jī)械中被體現(xiàn)。同時(shí)新的復(fù)合材料為舞臺(tái)機(jī)械的降噪提供了新的思路。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展歷程

國(guó)內(nèi)舞臺(tái)發(fā)展起步較晚，新中國(guó)成立以后，由國(guó)家建造了第一批現(xiàn)代劇院。為了展現(xiàn)更好的演出效果，我國(guó)舞臺(tái)機(jī)械水平不斷提高。

杭州大劇院的主升降臺(tái)[7]首次采用受額定拉力不會(huì)產(chǎn)生拉伸變形的特殊處理鋼絲繩作為升降臺(tái)的牽引裝置。使用時(shí)穩(wěn)定性好，有較好的噪聲隔絕技術(shù)，減少了對(duì)舞臺(tái)表演的影響。其主升降臺(tái)采用完全閉環(huán)控制系統(tǒng)，并在兩側(cè)安裝高精度導(dǎo)軌，保證了升降臺(tái)在工作時(shí)的同步性和穩(wěn)定性。火照晶[8]在剪撐機(jī)構(gòu)的升降臺(tái)中增加剛性鏈，有效限制了升降臺(tái)在運(yùn)動(dòng)中的水平位移，保障了演員的安全。李陽(yáng)等[9]設(shè)計(jì)的無(wú)極差動(dòng)臺(tái)階升降臺(tái)，結(jié)構(gòu)緊湊小巧，通過(guò)配置隨動(dòng)定位導(dǎo)向滑槽保證了升降臺(tái)相互之間的高差始終相等，實(shí)現(xiàn)了以階梯結(jié)構(gòu)或者平臺(tái)形式整體升降。周厚金等[10]設(shè)計(jì)了具有柔性效果的鏈輪鏈板驅(qū)動(dòng)裝置，在保證運(yùn)動(dòng)精度的同時(shí)，減小了升降舞臺(tái)的基坑深度。

李煒等[11]在速度并聯(lián)同步控制的基礎(chǔ)上借助干擾觀測(cè)器，同時(shí)采用位置輸出耦合補(bǔ)償控制，減小位置同步誤差，實(shí)現(xiàn)多個(gè)升降舞臺(tái)的同步控制。葉兵兵等[12]設(shè)計(jì)的雙動(dòng)力頭舞臺(tái)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)保險(xiǎn)措施，其中一個(gè)動(dòng)力元件出現(xiàn)故障時(shí)能立即使用另一個(gè)進(jìn)行工作，使得整個(gè)裝置具有更佳的安全保障。曹毅[13]提出的同步液壓控制系統(tǒng)具有備糾偏功能，通過(guò)在每個(gè)分流油路并聯(lián)一個(gè)糾偏回路和配置位移傳感器，使各液壓缸位移一致，從而保證升降舞臺(tái)同步。沙寶銀[14]采用高頻電液比例方向閥作為液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件，在閉環(huán)系統(tǒng)中采用高精度位移傳感器進(jìn)行反饋，對(duì)同步過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，減小了升降臺(tái)的誤差。江蘇大劇院的戲劇廳[15]采用CAT（計(jì)算機(jī)輔助劇院）舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)，相較于國(guó)產(chǎn)的神州3000系統(tǒng)，該系統(tǒng)更加穩(wěn)定，能夠快速編寫程序，為演出的前期準(zhǔn)備帶來(lái)便捷。高偉等[16]在液壓缸的活塞桿端部設(shè)置位移傳感器，保證了多個(gè)液壓缸的運(yùn)行速度同步，提高穩(wěn)定性的同時(shí)減少了舞臺(tái)升降過(guò)程中的噪音。劉榛等[17]在電動(dòng)機(jī)上增加變頻器接受并處理信號(hào)，來(lái)調(diào)整所述電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得多個(gè)所述升降臺(tái)之間的升降速度可以保持一致。

目前國(guó)內(nèi)升降舞臺(tái)采用的主要結(jié)構(gòu)形式有：鋼絲繩牽引式、液壓剪刀撐式和齒輪齒條爬升式。這幾種機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng)裝置和液壓系統(tǒng)相對(duì)孤立，沒(méi)有綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)控制系統(tǒng)作為同步升降系統(tǒng)的核心在國(guó)內(nèi)舞臺(tái)并沒(méi)有引起足夠的重視，雖然大型劇院基本采用了安全可編程邏輯控制器（PLC）系統(tǒng)或軸控制器系統(tǒng)進(jìn)行控制，但是其他小型劇院的控制系統(tǒng)與國(guó)外安全完整性等級(jí)SIL3的要求仍有一定差距。

2 存在的問(wèn)題

我國(guó)劇院已經(jīng)基本完成了自動(dòng)化的變革，但是升降舞臺(tái)仍然存在下列問(wèn)題。

2.1 部分舞臺(tái)升降機(jī)構(gòu)存在安全隱患

例如為了避免偏載對(duì)升降舞臺(tái)液壓系統(tǒng)造成過(guò)大影響，會(huì)采用雙缸頂升、雙剪叉撐的結(jié)構(gòu)形式。頂升機(jī)構(gòu)在液壓缸升降過(guò)程中，隨叉架角度變化較大，液壓缸負(fù)載出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，容易導(dǎo)致密封圈失效，影響液壓缸的正常工作。同時(shí)多缸液壓系統(tǒng)難以保證絕對(duì)的同步，輕則造成舞臺(tái)傾斜影響演出效果，重則造成安全事故。

2.2 很少采用機(jī)械傳動(dòng)裝置配合液壓系統(tǒng)的形式

目前我國(guó)較多使用的幾種升降方式都有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)，例如鋼絲繩升降重復(fù)定位精度較差但是減少了噪聲對(duì)演出的干擾；液壓對(duì)舞臺(tái)地基要求較高，同時(shí)存在漏油污染的危險(xiǎn)，但其傳動(dòng)平穩(wěn)性遠(yuǎn)高于鋼絲繩升降裝置。如果做到機(jī)械傳動(dòng)和液壓系統(tǒng)相互配合，不僅能夠使升降舞臺(tái)在保證安全的情況下平穩(wěn)運(yùn)行，減少噪聲對(duì)演出的影響，還能提高舞臺(tái)的重復(fù)定位精度。

2.3 國(guó)內(nèi)舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)與國(guó)外在控制系統(tǒng)方面存在差距

目前國(guó)內(nèi)大型劇院舞臺(tái)控制系統(tǒng)以PLC為主，但是由于現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)的要求，需要攜帶大量的設(shè)備，在靈活性上略顯遜色。歐洲國(guó)家采用的是為舞臺(tái)機(jī)械控制專門開(kāi)發(fā)的軸控制器，產(chǎn)品完全符合SIL3的要求。以SBS公司開(kāi)發(fā)的COSTACOwinR系統(tǒng)為例，系統(tǒng)可按每個(gè)模塊的順序逐個(gè)調(diào)整，迅速重新搭建系統(tǒng)，也可以向系統(tǒng)內(nèi)加入其他專業(yè)設(shè)備并保證使用的安全。

3 解決的途徑

針對(duì)上述問(wèn)題，可以在以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 對(duì)現(xiàn)有舞臺(tái)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行改良

由于液壓缸不能受彎矩作用，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需要格外注意。隨著消除偏心彎矩機(jī)構(gòu)的發(fā)展，萬(wàn)向節(jié)已經(jīng)在機(jī)械行業(yè)中被廣泛使用并規(guī)?；a(chǎn)，使用這樣的小型機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、延長(zhǎng)舞臺(tái)液壓系統(tǒng)的使用壽命。

3.2 發(fā)展液壓與機(jī)械傳動(dòng)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式

綜合機(jī)械和液壓有各自的優(yōu)點(diǎn)，可利用液壓低速大功率調(diào)速平穩(wěn)、機(jī)械傳動(dòng)制動(dòng)可靠的長(zhǎng)處，彌補(bǔ)各自的不足。工程機(jī)械上液壓和機(jī)械傳動(dòng)相結(jié)合的方式更為成熟，例如新型的垂直缸剪式液壓升降舞臺(tái)不會(huì)出現(xiàn)懸臂狀態(tài)失衡的狀況，有效增加了升降臺(tái)的工作行程。機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)二者相互作用，能夠更好地使升降臺(tái)平穩(wěn)運(yùn)行，有效保障演出人員的安全，確保演出順利進(jìn)行。

3.3 加大PLC或軸控制器等控制系統(tǒng)的應(yīng)用，提高控制精度

由于科技的發(fā)展，傳感器的發(fā)展非常迅速，成本也較從前有明顯下降。目前機(jī)械行業(yè)已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)用位移傳感器或力傳感器來(lái)提高同步控制系統(tǒng)的精確度和靈敏度。在冶金等行業(yè)得到廣泛運(yùn)用的同步馬達(dá)多缸同步控制系統(tǒng)，具有糾偏功能。每個(gè)液壓缸設(shè)置糾偏回路，通過(guò)各糾偏回路與對(duì)應(yīng)位移傳感器的配合，增加了系統(tǒng)的冗余度，提高了對(duì)設(shè)備偏載的適應(yīng)性，獲得很高的同步精度。

4 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

隨著我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步規(guī)范，機(jī)械制造工藝不斷提高，升降舞臺(tái)發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在提高升降舞臺(tái)系統(tǒng)總體的安全性和靈活性上。

完善臺(tái)上臺(tái)下系統(tǒng)的急停按鈕，對(duì)所有設(shè)備設(shè)置限位開(kāi)關(guān)，以及增設(shè)自動(dòng)糾偏裝置都可以增加系統(tǒng)的安全可靠性。增設(shè)普遍被用于航天、航空等重要領(lǐng)域的冗余技術(shù)也是提高控制系統(tǒng)可靠性的一種有效手段。由于搭建PLC系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，價(jià)格較為便宜，目前我國(guó)舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)主要基于PLC，雖然能夠達(dá)到SIL3的要求但相較于為舞臺(tái)機(jī)械開(kāi)發(fā)的軸控制器來(lái)說(shuō)缺少即插即用的靈活性。專用軸控制器能夠適合各種調(diào)速控制系統(tǒng)，并在內(nèi)集成安全功能，在確保設(shè)備在安全運(yùn)行范圍內(nèi)的同時(shí)，避免非故意的危險(xiǎn)動(dòng)作。合理配置控制系統(tǒng)將是今后研究的重點(diǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文概括了近年來(lái)升降舞臺(tái)的發(fā)展歷程，敘述了目前升降舞臺(tái)存在的問(wèn)題并提出了解決方案，最后展望了我國(guó)升降舞臺(tái)的發(fā)展方向。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外升降舞臺(tái)現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，突出同步控制系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)代舞臺(tái)的重要性。

由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及對(duì)文化建設(shè)的逐漸重視，演義與機(jī)械等行業(yè)的不斷深入溝通。隨著不同行業(yè)新技術(shù)的融合，現(xiàn)代舞臺(tái)技術(shù)在升降結(jié)構(gòu)及同步控制系統(tǒng)上都會(huì)有新的突破。