解析《国家宝藏》第二季舞台机械的设计
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作者:石森
[摘要]分析了《国家宝藏》第二季中大视频盒子和视频平移升降柱舞台机械的设计方案，并利用三维软件solidworks进行参数化设计及仿真分析。
[关键词]《国家宝藏》;舞台机械;solidworks;仿真分析;视频盒子;龙门钢结构;平移升降柱;四出绳吊机
文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.07.010
《国家宝藏》第二季是由中央广播电视总台和央视纪录国际传媒有限公司联合制作播出的大型文博探索节目。节目设计了大视频盒子和视频平移升降柱（以下简称“视频柱”）两部分的舞台机械，如图1所示。这两部分舞台机械的变化极大地增强了舞台效果。下文将对这两种舞台机械进行解析。
这两种舞台机械全部采用了机械行业较为先进的参数化设计理念进行设计，以三维软件SOLIDWORKS作为建模软件，对必要零部件采用abaqus有限元软件进行仿真分析，使设计快速准确，并在满足舞台美术要求的前提下降低了设备成本。
1大视频盒子
大视频盒子为7m×7m×7m的正方体视频盒子（如图2所示）。舞美造型要求：1）视频盒子可在其前侧、两侧、上侧4个方向的平面上实现视频输出;2）保证视频盒子在一个9m高的视频墙内可以前后移动，移动行程为7m。为保证视频效果，需要视频盒子上的屏幕与视频GB 50017-2003《钢结构设计规范》中Q235B钢许用应力190MPa。最大绝对位移为1.83mm，这个位移不会对其他结构造成额外的影响。
根据现场实际安装情况，该钢结构效果也非常好，在没有安装屏幕的前提下，四个人就可以将结构推动，满足了轻量化的要求。在安装过程中，工人在钢结构上走动晃动都不会对结构造成可以感知的影响，其刚度足以满足要求。
1.3视频门
如上所述，为满足动力性，舞台需为车台与视频盒子相连的部分留出间隙。为满足舞美造型需求，舞台平面上不宜增加更多缝隙，因此视频门的移动轨道定于视频盒子侧方通道即视频盒子龙门钢结构上（如图5所示）。视频门通过齿轮齿条的驱动方式进行移动。如上文所述，通道两侧需留有屏幕，因此，屏幕上需为视频门移动轨道留出间隙。为使间隙不影响视频效果，将轨道设置在视频盒子通道的最底端（摄像头是由下向上给视角，不会拍到这道缝隙。）
为了保证视频门的平稳性，采用了双导轨双驱动的方式。两台电机分别驱动一组齿轮，分别在两根齿条上运行，驱动电机采用伺服电机，依靠伺服电机自身的运行精度保证两根齿条上的齿轮足夠同步的运行。伺服电机具有可以在不同的项目中使用、定位精度高、控制系统完善等特点，在舞台机械上广泛使用。
2视频平移升降柱
该舞台上另一组主要的舞台机械为9根7m高的视频柱，长、宽均为2m，单根含屏重量约620kg。需要实现每根视频柱的前后移动和上下升降。
2.1伺服小车运行机构
不同于专门定制的非标机械视频盒子，视频柱是一款通用设备，由伺服电机控制，定位精确且静音，曾应用在2018年北京国际电影节。笔者先后设计了三版视频柱，在保证性能不变的前提下降低了设备的成本，增加了设备使用的便捷性。
视频柱在常规小车运行机构的基础上几经改造，将驱动方式从普通电机改为伺服电机，将依靠滚轮滚动摩擦前后移动改为齿轮在齿条上滚动，极大地增加了起重滑车的定位精度。
在主轮的基础上增加一组侧轮和一个顶轮，这样的设计极大地增加了起重滑车的稳定性、降低了设备本身的噪声。在舞台行业，设备噪声对整个项目的声音效果具有极大的影响，需要在设备可以使用的前提下静音。伺服小车运行机构通过增加侧轮和顶轮，成功将噪音声控制到40dB以下，实现了起重滑车的可使用性。
2.2四出绳吊机
不同于电葫芦等常见的起重设备，四出绳吊机顾名思义，有两个卷筒可以出四根钢丝绳，这四根钢丝绳分别吊装于视频柱的四个角，极大地增加了视频柱升降过程中的稳定性。
负载的水平移动+升降是舞台机械中常用的运动形式。
在《国家宝藏第一季》的平移+升降舞台机械的方案中，每组设备采用三套卷扬机（见图7），其中，两套卷扬机负责负载的前后移动，一套卷扬机负责负载的升降。这种方案使用的电机数目较多，同时无法对负载进行精确的定位。
在《中国音乐公告牌》的平移+升降舞台机械方案中，每组设备采用一套伺服小车运行机构（这个伺服小车运行机构和前文中提到的伺服小车运行机构相同）和一套卷扬机，伺服小车运行机构负责负载的前后移动，卷扬机负责负载的升降。这种方案虽然提高了负责的水平定位精度，但是也带来了两个问题。
（1）卷扬机要经过复杂的轮系才能把卷扬机上的动力传递到吊装物上。安装轮系对现场安装要求很高，尤其在需要升降非常多的场合，轮系的安装非常耗费工时，也很容易产生问题。这个问题在上述两档综艺节目中都是存在的。
（2）《中国音乐公告牌》中，负载正上方需要设置一个滑轮，通过这个滑轮将竖直拉力转换为水平拉力，再将这个水平拉力传递给卷扬机，这种方式在与水平移动的伺服小车运行机构配合使用中会产生一个问题：水平移动的伺服小车运行机构不会提供过大的水平拉力（本文中使用的伺服小车运行机构为200kg左右）。小车运行结构200kg左右的水平拉力完全可以胜任2t甚至3t吊重的负载，但是一旦使用卷扬机，上述滑轮会产生一个与吊重负载相同大小的水平拉力，这样一来伺服小车运行机构甚至不能承担200kg的吊重。
四出绳吊机的设计目的是克服上述问题，由于相当于将卷扬机整体直接吊到了伺服小车运行机构上，其不产生水平拉力，也就避免了对伺服小车运行机构大水平拉力的要求。
3结语
利用三维软件solidworks对大视频盒子和视频柱进行参数化设计，再对必要的零部件进行仿真分析，验证设计的合理性，在保证设计快速、准确、直观的同时减低了成本。大视频盒子的设计包括车台、龙门式钢结构和视频门三方面。其中，车台的布置位置、稳定性，龙门钢结构的刚度和精度，视频门的间隙和轨道位置对整个舞台的呈现影响较大。视频柱的前后移动和上下升降通过伺服小车运行机构和四出绳吊机实现。伺服小车运行机构和四出绳吊机这两种机械设备都是在常用机械设备的基础上进行优化设计而来的，以适用于国家宝藏第二季舞台。伺服小车运行机构的优化极大地增加了其稳定性，降低了设备本身的噪声;四出绳吊机极大地增加了视频柱升降过程中的稳定性并极大地降低了对伺服小车运行机构水平拉力的要求。
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