解析《國家寶藏》第二季舞臺機械的設計

石森

[摘要]分析了《國家寶藏》第二季中大視頻盒子和視頻平移升降柱舞臺機械的設計方案，并利用三維軟件solidworks進行參數化設計及仿真分析。

[關鍵詞]《國家寶藏》;舞臺機械;solidworks;仿真分析;視頻盒子;龍門鋼結構;平移升降柱;四出繩吊機

文章編號：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.07.010

《國家寶藏》第二季是由中央廣播電視總臺和央視紀錄國際傳媒有限公司聯合制作播出的大型文博探索節目。節目設計了大視頻盒子和視頻平移升降柱（以下簡稱“視頻柱”）兩部分的舞臺機械，如圖1所示。這兩部分舞臺機械的變化極大地增強了舞臺效果。下文將對這兩種舞臺機械進行解析。

這兩種舞臺機械全部采用了機械行業較為先進的參數化設計理念進行設計，以三維軟件SOLIDWORKS作為建模軟件，對必要零部件采用abaqus有限元軟件進行仿真分析，使設計快速準確，并在滿足舞臺美術要求的前提下降低了設備成本。

1大視頻盒子

大視頻盒子為7m×7m×7m的正方體視頻盒子（如圖2所示）。舞美造型要求：1）視頻盒子可在其前側、兩側、上側4個方向的平面上實現視頻輸出;2）保證視頻盒子在一個9m高的視頻墻內可以前后移動，移動行程為7m。為保證視頻效果，需要視頻盒子上的屏幕與視頻GB 50017-2003《鋼結構設計規范》中Q235B鋼許用應力190MPa。最大絕對位移為1.83mm，這個位移不會對其他結構造成額外的影響。

根據現場實際安裝情況，該鋼結構效果也非常好，在沒有安裝屏幕的前提下，四個人就可以將結構推動，滿足了輕量化的要求。在安裝過程中，工人在鋼結構上走動晃動都不會對結構造成可以感知的影響，其剛度足以滿足要求。

1.3視頻門

如上所述，為滿足動力性，舞臺需為車臺與視頻盒子相連的部分留出間隙。為滿足舞美造型需求，舞臺平面上不宜增加更多縫隙，因此視頻門的移動軌道定于視頻盒子側方通道即視頻盒子龍門鋼結構上（如圖5所示）。視頻門通過齒輪齒條的驅動方式進行移動。如上文所述，通道兩側需留有屏幕，因此，屏幕上需為視頻門移動軌道留出間隙。為使間隙不影響視頻效果，將軌道設置在視頻盒子通道的最底端（攝像頭是由下向上給視角，不會拍到這道縫隙。）

為了保證視頻門的平穩性，采用了雙導軌雙驅動的方式。兩臺電機分別驅動一組齒輪，分別在兩根齒條上運行，驅動電機采用伺服電機，依靠伺服電機自身的運行精度保證兩根齒條上的齒輪足夠同步的運行。伺服電機具有可以在不同的項目中使用、定位精度高、控制系統完善等特點，在舞臺機械上廣泛使用。

2視頻平移升降柱

該舞臺上另一組主要的舞臺機械為9根7m高的視頻柱，長、寬均為2m，單根含屏重量約620kg。需要實現每根視頻柱的前后移動和上下升降。

2.1伺服小車運行機構

不同于專門定制的非標機械視頻盒子，視頻柱是一款通用設備，由伺服電機控制，定位精確且靜音，曾應用在2018年北京國際電影節。筆者先后設計了三版視頻柱，在保證性能不變的前提下降低了設備的成本，增加了設備使用的便捷性。

視頻柱在常規小車運行機構的基礎上幾經改造，將驅動方式從普通電機改為伺服電機，將依靠滾輪滾動摩擦前后移動改為齒輪在齒條上滾動，極大地增加了起重滑車的定位精度。

在主輪的基礎上增加一組側輪和一個頂輪，這樣的設計極大地增加了起重滑車的穩定性、降低了設備本身的噪聲。在舞臺行業，設備噪聲對整個項目的聲音效果具有極大的影響，需要在設備可以使用的前提下靜音。伺服小車運行機構通過增加側輪和頂輪，成功將噪音聲控制到40dB以下，實現了起重滑車的可使用性。

2.2四出繩吊機

不同于電葫蘆等常見的起重設備，四出繩吊機顧名思義，有兩個卷筒可以出四根鋼絲繩，這四根鋼絲繩分別吊裝于視頻柱的四個角，極大地增加了視頻柱升降過程中的穩定性。

負載的水平移動+升降是舞臺機械中常用的運動形式。

在《國家寶藏第一季》的平移+升降舞臺機械的方案中，每組設備采用三套卷揚機（見圖7），其中，兩套卷揚機負責負載的前后移動，一套卷揚機負責負載的升降。這種方案使用的電機數目較多，同時無法對負載進行精確的定位。

在《中國音樂公告牌》的平移+升降舞臺機械方案中，每組設備采用一套伺服小車運行機構（這個伺服小車運行機構和前文中提到的伺服小車運行機構相同）和一套卷揚機，伺服小車運行機構負責負載的前后移動，卷揚機負責負載的升降。這種方案雖然提高了負責的水平定位精度，但是也帶來了兩個問題。

（1）卷揚機要經過復雜的輪系才能把卷揚機上的動力傳遞到吊裝物上。安裝輪系對現場安裝要求很高，尤其在需要升降非常多的場合，輪系的安裝非常耗費工時，也很容易產生問題。這個問題在上述兩檔綜藝節目中都是存在的。

（2）《中國音樂公告牌》中，負載正上方需要設置一個滑輪，通過這個滑輪將豎直拉力轉換為水平拉力，再將這個水平拉力傳遞給卷揚機，這種方式在與水平移動的伺服小車運行機構配合使用中會產生一個問題：水平移動的伺服小車運行機構不會提供過大的水平拉力（本文中使用的伺服小車運行機構為200kg左右）。小車運行結構200kg左右的水平拉力完全可以勝任2t甚至3t吊重的負載，但是一旦使用卷揚機，上述滑輪會產生一個與吊重負載相同大小的水平拉力，這樣一來伺服小車運行機構甚至不能承擔200kg的吊重。

四出繩吊機的設計目的是克服上述問題，由于相當于將卷揚機整體直接吊到了伺服小車運行機構上，其不產生水平拉力，也就避免了對伺服小車運行機構大水平拉力的要求。

3結語

利用三維軟件solidworks對大視頻盒子和視頻柱進行參數化設計，再對必要的零部件進行仿真分析，驗證設計的合理性，在保證設計快速、準確、直觀的同時減低了成本。大視頻盒子的設計包括車臺、龍門式鋼結構和視頻門三方面。其中，車臺的布置位置、穩定性，龍門鋼結構的剛度和精度，視頻門的間隙和軌道位置對整個舞臺的呈現影響較大。視頻柱的前后移動和上下升降通過伺服小車運行機構和四出繩吊機實現。伺服小車運行機構和四出繩吊機這兩種機械設備都是在常用機械設備的基礎上進行優化設計而來的，以適用于國家寶藏第二季舞臺。伺服小車運行機構的優化極大地增加了其穩定性，降低了設備本身的噪聲;四出繩吊機極大地增加了視頻柱升降過程中的穩定性并極大地降低了對伺服小車運行機構水平拉力的要求。