廣西人民會堂舞臺升降系統改造與自動控制設計

張能

摘 要：廣西人民會堂舞臺的升降系統主要采用液壓傳動系統，通過分流集流閥向各升降臺的油缸注油，缸內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，現將舞臺升降系統由液壓傳動控制改造為伺服自動控制，并通過PLC系統精準操控，徹底地解決上述問題。

關鍵詞：舞臺；剪刀叉；舞臺升降；PLC系統；伺服自動控制

中圖分類號：TH137 文獻標志碼：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，每兩個剪刀叉機構舉升一個平臺，共有22組剪刀叉機構。升降機構采用的液壓推動升降方式，目前采用的是開環控制系統，無法實現任意高度的閉環，如圖1所示。

由于舞臺使用的年份已久，舞臺在升降中出現各種缺陷和故障，如升降平臺穩定性不足，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整各平臺的等高度。升降平臺出現自行下降，無法保證會議期間座位平臺高度不變。這些問題嚴重地影響了舞臺的使用性。為此，專門設計制造了新的舞臺升降系統，以解決上述問題。

1 升降系統改造方案

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，并且升降系統沒有導向機構，造成舉升直線無法保證，甚至出現扭擺行走。

（2）液壓系統是開環系統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，在原來基礎上進行改造升級。

（2）剪刀叉平臺、地板以及相應基礎設施不做太大的更改。

（3）保證舞臺安全、穩定、可靠。

（4）改進平臺穩定性，消除平臺升降中的不同步和舞臺自行下降的現象。

（5）后期維護保養方便。

1.3 改造思路

根據客戶的需求，對舞臺升降機構的改造提出了以下思路：

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

（2）增加升降導向機構，提升舞臺的穩定性，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象。

（4）舞臺升降可實現單動、聯動和同步運動，達到升降的安全、可靠、準確控制。

（5）舞臺所有的動作控制集中至電腦系統中控制。

（6）舞臺升降機構的后期維護保養方便。

1.4 改造技術方案

根據客戶的需求，針對舞臺的現狀和存在的問題，對舞臺升降系統的改造設計了以下方案（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動機構通過齒輪傳動，帶動滾珠絲桿，然后通過與滾珠絲桿連接的推動機構，推動剪刀叉上的滾輪機構，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，才可以準確設計驅動機構以提供足夠的動力來推動舞臺，使其按要求升降。根據運動學仿真得知，舞臺運行到最低位置的時（根據行程要求最低位置為14°），整個伺服驅動結構受到的力是最大，所需推力為426.9kN，如圖3所示。

為了能夠提供足夠的動力，驅動機構設計成伺服驅動機構。該驅動機構采用伺服電機、減速器、滾珠絲桿、線性導軌組合，設備運行平穩、噪聲小、精度高、結構合理、剛性好、承受力大、變形小并且具有可靠的定位鎖緊機構。

（3）技術參數

①舞臺載荷。在確保原舞臺結構（鋼結構、舞臺木板結構等）可靠的情況下，新制造的舞臺升降機構承受的載荷為： 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

由于舞臺整個升降系統已經徹底改變，原舞臺的控制系統已經不適應新的升降方式，因此需要重新設計一個專用的系統來控制舞臺的升降。設計新的數控系統時，應當充分考慮使用性能、經濟性以及維修服務等因素。目前，PLC控制系統在工業上應用越來越成熟，其定位功能精準、程序的設計和調試簡單方便、硬件成本相對較低，因此，從經濟性和使用性來考慮，舞臺的控制系統采用PLC控制。

新設計的系統主要通過PLC系統（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，配有一個控制箱對平臺進行單獨控制，實現舞臺升降的準確定位。用總PLC控制系統對7個平臺的控制箱進行集中控制，實現舞臺的聯動功能，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。

結語

從客戶對舞臺使用要求出發，對廣西人民會堂舞臺的升降系統進行改造提升，升降動力執行元件由油缸改為伺服電機，并通過PLC控制系統對舞臺進行控制，實現了舞臺在任意高度準確控制（如圖5所示）。伺服自動控制升降系統消除了舞臺升降中出現的干涉、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，并且創造了良好的工作環境，得到了用戶的好評。該舞臺升降系統自動控制設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

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