廣西人民會(huì)堂舞臺(tái)升降系統(tǒng)改造與自動(dòng)控制設(shè)計(jì)

張能

摘 要：廣西人民會(huì)堂舞臺(tái)的升降系統(tǒng)主要采用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，通過分流集流閥向各升降臺(tái)的油缸注油，缸內(nèi)活塞桿將剪刀叉打開或閉合，從而達(dá)到舞臺(tái)升降目的。但是由于舞臺(tái)使用年份已久，舞臺(tái)在升降過程中出現(xiàn)平臺(tái)不同步、晃動(dòng)、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(tái)升降系統(tǒng)由液壓傳動(dòng)控制改造為伺服自動(dòng)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(tái)；剪刀叉；舞臺(tái)升降；PLC系統(tǒng)；伺服自動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TH137 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

廣西人民會(huì)堂舞臺(tái)采用剪刀叉式的液壓升降平臺(tái)，每?jī)蓚€(gè)剪刀叉機(jī)構(gòu)舉升一個(gè)平臺(tái)，共有22組剪刀叉機(jī)構(gòu)。升降機(jī)構(gòu)采用的液壓推動(dòng)升降方式，目前采用的是開環(huán)控制系統(tǒng)，無法實(shí)現(xiàn)任意高度的閉環(huán)，如圖1所示。

由于舞臺(tái)使用的年份已久，舞臺(tái)在升降中出現(xiàn)各種缺陷和故障，如升降平臺(tái)穩(wěn)定性不足，存在晃動(dòng)。升降時(shí)平臺(tái)存在相干涉、不同步，位精度差，需要單動(dòng)操縱升降平臺(tái)以調(diào)整各平臺(tái)的等高度。升降平臺(tái)出現(xiàn)自行下降，無法保證會(huì)議期間座位平臺(tái)高度不變。這些問題嚴(yán)重地影響了舞臺(tái)的使用性。為此，專門設(shè)計(jì)制造了新的舞臺(tái)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(duì)原有舞臺(tái)檢查分析，舞臺(tái)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(tái)的剛性、平整性及制造精度等都會(huì)影響舞臺(tái)使用時(shí)的幾何精度，并且升降系統(tǒng)沒有導(dǎo)向機(jī)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(zhǎng)度較長(zhǎng)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(tái)使用年份已久，后期維護(hù)不到位、機(jī)構(gòu)的磨損、液壓元件性能下降，都會(huì)影響舞臺(tái)升降效果。

1.2 客戶對(duì)舞臺(tái)改造的要求

（1）不重新制作舞臺(tái)，在原來基礎(chǔ)上進(jìn)行改造升級(jí)。

（2）剪刀叉平臺(tái)、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(tái)安全、穩(wěn)定、可靠。

（4）改進(jìn)平臺(tái)穩(wěn)定性，消除平臺(tái)升降中的不同步和舞臺(tái)自行下降的現(xiàn)象。

（5）后期維護(hù)保養(yǎng)方便。

1.3 改造思路

根據(jù)客戶的需求，對(duì)舞臺(tái)升降機(jī)構(gòu)的改造提出了以下思路：

（1）舞臺(tái)升降系統(tǒng)由液壓傳動(dòng)系統(tǒng)改造成伺服自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)任意高度自鎖。

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

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

（4）舞臺(tái)升降可實(shí)現(xiàn)單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)和同步運(yùn)動(dòng)，達(dá)到升降的安全、可靠、準(zhǔn)確控制。

（5）舞臺(tái)所有的動(dòng)作控制集中至電腦系統(tǒng)中控制。

（6）舞臺(tái)升降機(jī)構(gòu)的后期維護(hù)保養(yǎng)方便。

1.4 改造技術(shù)方案

根據(jù)客戶的需求，針對(duì)舞臺(tái)的現(xiàn)狀和存在的問題，對(duì)舞臺(tái)升降系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)構(gòu)通過齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)滾珠絲桿，然后通過與滾珠絲桿連接的推動(dòng)機(jī)構(gòu)，推動(dòng)剪刀叉上的滾輪機(jī)構(gòu)，那么下部的剪刀叉就會(huì)張開或閉合，舞臺(tái)必然隨著剪刀撐地張開、閉合直線運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到舞臺(tái)升降的要求。

（2）主動(dòng)力（推力）計(jì)算

舞臺(tái)的升降過程中，所需要的動(dòng)力是隨著高度的變化而變化的。只有計(jì)算出舞臺(tái)升降所需要的最大動(dòng)力，才可以準(zhǔn)確設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以提供足夠的動(dòng)力來推動(dòng)舞臺(tái)，使其按要求升降。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真得知，舞臺(tái)運(yùn)行到最低位置的時(shí)（根據(jù)行程要求最低位置為14°），整個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)力，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)、減速器、滾珠絲桿、線性導(dǎo)軌組合，設(shè)備運(yùn)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(jī)構(gòu)。

（3）技術(shù)參數(shù)

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

②舞臺(tái)升降速度和行程。舞臺(tái)升降速度：0m/min～3m/min。

樂池行程：-2000mm～100mm。

1號(hào)平臺(tái)行程：-1400mm～1600mm。

2號(hào)平臺(tái)行程：-1400mm～1600mm。

3號(hào)平臺(tái)行程：-1100mm～1600mm。

4號(hào)平臺(tái)行程：-1100mm～1600mm。

5號(hào)平臺(tái)行程：-1100mm～1600mm。

6號(hào)平臺(tái)行程：-1100mm～1800mm。

2 控制系統(tǒng)

由于舞臺(tái)整個(gè)升降系統(tǒng)已經(jīng)徹底改變，原舞臺(tái)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(jì)一個(gè)專用的系統(tǒng)來控制舞臺(tái)的升降。設(shè)計(jì)新的數(shù)控系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮使用性能、經(jīng)濟(jì)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(jì)和調(diào)試簡(jiǎn)單方便、硬件成本相對(duì)較低，因此，從經(jīng)濟(jì)性和使用性來考慮，舞臺(tái)的控制系統(tǒng)采用PLC控制。

新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要通過PLC系統(tǒng)（如圖4所示）控制各個(gè)舞臺(tái)的升降。每個(gè)平臺(tái)是一個(gè)完整的系統(tǒng)，配有一個(gè)控制箱對(duì)平臺(tái)進(jìn)行單獨(dú)控制，實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)升降的準(zhǔn)確定位。用總PLC控制系統(tǒng)對(duì)7個(gè)平臺(tái)的控制箱進(jìn)行集中控制，實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)的聯(lián)動(dòng)功能，且總PLC接到一臺(tái)工控機(jī)上面，通過一臺(tái)工控電腦對(duì)所有平臺(tái)的動(dòng)作進(jìn)行集中控制。

結(jié)語

從客戶對(duì)舞臺(tái)使用要求出發(fā)，對(duì)廣西人民會(huì)堂舞臺(tái)的升降系統(tǒng)進(jìn)行改造提升，升降動(dòng)力執(zhí)行元件由油缸改為伺服電機(jī)，并通過PLC控制系統(tǒng)對(duì)舞臺(tái)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了舞臺(tái)在任意高度準(zhǔn)確控制（如圖5所示）。伺服自動(dòng)控制升降系統(tǒng)消除了舞臺(tái)升降中出現(xiàn)的干涉、晃動(dòng)、不同步、自行下降等問題，并且舞臺(tái)還可以單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)和同步運(yùn)動(dòng)。改造后的舞臺(tái)使用安全可靠，操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，并且創(chuàng)造了良好的工作環(huán)境，得到了用戶的好評(píng)。該舞臺(tái)升降系統(tǒng)自動(dòng)控制設(shè)計(jì)方案對(duì)一些使用年份已久相類似的舞臺(tái)改造有較大的參考、推廣價(jià)值。

參考文摘

[1]趙鵬，劉意芬，馬天褆，等.廣西人民會(huì)堂的舞臺(tái)機(jī)械設(shè)計(jì)[J].廣西機(jī)械，1998（1）：34-46.

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

[3]張展.齒輪設(shè)計(jì)與實(shí)用數(shù)據(jù)速查[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

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

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

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

[7]現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.