一種新型多幅面廣告展示裝置研究*

何靖文，胡遠忠，付俊偉，曹泳靖，戴永祺，黃子鵬

(廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東 湛江 524088)

0 引言

廣告是信息傳播的主要途徑之一，在當今信息流動快速的時代，廣告在推動發展上有著無可替代的地位，沒有廣告就沒有效益。而廣告的宣傳一大部分是建立在廣告裝置上的，這就意味著廣告展示裝置與廣告都有著十分重要的作用。當今流行的戶外廣告裝置形式主要有射燈廣告牌、單面廣告牌、多面翻廣告牌、LED電子屏等，但都有著不同的缺點，導致廣告的傳播效果沒有最大化。

目前，廣告宣傳裝置可以歸納為兩類：一類是單面或雙面的燈箱、展板、條幅等，它們所含信息少，內容單一；另一類是電子顯示屏、字幕機，這類廣告展示設備所含信息量大，但在陽光直接照射下畫面不清晰，效果差，只適合于室內或夜間使用[1-3]。另外，一些大型廣告牌缺點也十分明顯，一是體型巨大，對于場地的要求利用較高，多在高速公路出現，但廣告牌過多不僅影響高速公路整體的美觀性，同時，還會給駕駛者帶來主觀上和客觀上的生命威脅[4]；二是制作的成本也相應較高，對于材料的硬度、抗性要求相應較高，不適用于人群密集的商業區、公園等；三是廣告展示畫面較少，空間利用率低，經濟效益低。這些都是現代廣告牌技術背景和使用上的一些缺點。

本設計的廣告展示裝置體型小，能安裝于各種人流多的地方，自身能夠旋轉，吸引力、新穎性較好，并且獲得了實用新型專利（ZL 2019 2 1881543.3）。同時，體型較小的優點也減少了結構材料和維護廣告牌的人力費用，可改善當前廣告裝置成本問題。再者，現在固定式的廣告裝置還占大多數，而該廣告展示裝置特有的運動性質與展示功能可很大程度地吸引路人的注意力，因此，具有廣闊的市場前景。

1 廣告牌裝置的結構和工作原理

1.1 整體結構

該廣告牌裝置三面翻轉、四面展示，整體結構為800 mm×800 mm×1 200 mm的長方體，結構簡圖如圖1所示，廣告牌的組成結構有框架和廣告主體。廣告牌框架由鋼材搭建，廣告主體由一定數量的三棱柱條組成，正三棱柱條由鋁合金板制成。每個三棱柱條間有一定的空隙以便廣告內容的變換，三棱柱條頂部和底部中心處都各焊有一根轉軸，轉軸由滾動齒輪帶動轉動，從而實現廣告畫面的變換。廣告牌框架底部焊有厚鋼板，用于支撐三棱柱條和滾動齒輪，框架頂部安裝頂蓋，頂蓋內將滾動齒輪和雙面同步帶安裝于三棱柱條頂部的轉軸，廣告牌運行的基本框架完成。

廣告畫面用電腦設計，噴繪出圖，將畫面裁成數條，依次貼在圖1上的正三棱柱條的一面。分別轉動所有三棱柱120°、240°，可貼出另兩個廣告畫面。廣告牌設計的關鍵在于使各三棱柱按指定方式轉動120°、240°，采用限位控制，形成3個平面，顯示3個廣告畫面。

圖1 廣告牌裝置結構簡圖

1.2 傳動方案

傳動方案采用小型電動機-蝸輪蝸桿減速機構-V形帶-同步齒形帶實現該運動。廣告牌裝置內部傳動機構如圖2所示。

圖2 廣告牌裝置內部傳動機構

廣告牌的驅動結構中的核心設計是同步帶的設計，采用蝸輪蝸桿傳動減速的原理控制廣告牌的轉動與停止。為實現減速器即蝸輪蝸桿的減速功能，需要改變同步雙面帶的齒數，初步確定轉軸齒輪的齒數為Z=15，加工雙面同步帶，將雙面同步帶外側帶齒，除了彼此相鄰的Z/3=5個齒外，其余齒都磨去。當雙面同步帶運作時，5個齒依次通過三棱柱條的第一個帶齒，帶動三棱柱條旋轉1/3轉，然后再驅動下一個帶齒旋轉1/3轉，使所有的帶輪依次轉動，使三棱柱條轉動時是依次轉動的，從而使廣告變換具有漸變的美觀，更具有吸引力。

在廣告靜止展示的設計上使用了彈簧片，在廣告牌合適位置上設置剛度合適的彈簧片。在三棱柱條每轉動到一面時，彈簧片可使其限位，讓廣告牌能靜止一段時間，而電動機的驅動力也能夠克服彈簧片的彈力，使三棱柱條的轉動換面不受彈簧片的影響。

將廣告畫面制出，按照廣告牌每面的三棱柱條數裁成相應數量，依次貼在廣告牌的同一面上即可完成一幅完成的廣告展示，利用同步帶依次轉動120°、240°，可貼出三棱柱另外兩面的廣告畫面，依次貼完廣告牌的四面，即可實現12幅廣告畫面的輪流展示。

1.3 廣告牌驅動裝置設計的替代方案

替代方案：利用光電傳感器-PLC-電動機-同步帶實現三棱柱條的翻轉與停止。該方案的核心是通過PLC的控制來運作的。

在廣告牌每一面的其中一條三棱柱條上貼上光電傳感器的反光膜，廣告牌上安裝光電傳感器，當三棱柱條轉動時，反光膜到達感應的位置，光電傳感器就會感應到，從而發送信號到PLC處。而電動機由PLC控制，當三棱柱條轉動到能完整地展示廣告后，控制器即發出指令，控制電機停止運轉，此時是展示廣告的時間，展示時間可編程控制，展示時間到后，控制器又發出指令給電動機，使電動機運轉，通過同步帶使三棱柱條同時運轉，從而切換到另一幅廣告展示，實現廣告牌的自動運轉及其暫停。該方案中使用PLC運轉與原方案使用蝸輪蝸桿驅動的不同在于三棱柱條是同時變換而不是依次變換，其他的運轉方式基本相同。

2 整體效果以及特點

如圖3所示，廣告牌裝置整體外觀高度大約3 000 mm，可根據實際所需調節支撐座的高度。在噴貼廣告時，將廣告裁剪成8等份，分別按順序貼在每個面上的三棱柱上，一面可貼3幅，四個面可貼12幅廣告。在箱體頂部安裝一個美觀的街燈；廣告畫面4個角落處分別安裝一條光管，光管用磨砂玻璃封住，將日光照射到廣告畫面上，以滿足日夜兩用。該廣告裝置造型美觀大方，對改善城市環境、城市風貌有著很大的幫助作用。具體優點有：1）體型相對較小，能安裝于城市各地，不占用大量空間，使廣告信息的傳播性更強。2）結構簡單，材料質量要求較低，便于安裝、日常的檢修和廣告的更換，節省人力，安全性較高。3）廣告幅數多達12幅，內容傳達性十分高，廣告裝置能實現自轉，更具有吸引性，傳達效率高，符合現代發展需求。4）可搭配性高，既能獨立安裝，又能安裝在其他裝置上，具有新穎性。5）使用太陽能供電，節省能源，綠色環保。

圖3 廣告牌裝置效果圖

3 設計與計算

3.1 廣告牌基本參數的確定

廣告牌規格：800 mm×800 mm×1 200 mm，立式，四面展示，每面3幅廣告，初定每面由8個正三棱柱組成，正三棱柱每個面寬94 mm，一共有8×4=32個正三棱柱，同步帶輪節徑d=60 mm，4個角落由4根較粗的鋼筋支撐。四面整體寬度920 mm，三棱柱的轉軸直徑為d=20 mm，相鄰三棱柱之間的間隙為2 mm，每幅廣告寬度為766 mm。

1）同步帶的選取。同步帶總長L=0.766×4+3.14×0.06=3.388 4 m，據GB/T11616—1989，選取帶長代號為1250的同步帶，為H型梯形同步帶，其參數如下：規格型號為DA 1250 H 100 GB11616-1989，節線長為3 175 mm，帶寬為25.4 mm，齒數為250，節距為12.7 mm。

2）同步帶輪的選取。據GB/T11362—1989，選取H型梯形同步帶輪。規格型號為15H，齒數為15，節徑為60.64 mm，外徑為59.27 mm，基本寬度為25.4 mm。

3）三棱柱上轉軸的同步帶輪的內徑d=20 mm，另外四個起傳動作用的同步帶輪，取其內徑為d=30 mm。

4）計算同步帶輪的中心距和布局：因為帶的長度為L=3 175 mm，所以每面帶長：

仍然每面廣告用8個同步帶輪，則同步帶輪的中心距：

把三棱柱子之間的間隙定為△=2 mm，

重新設計三棱柱的面寬，因為：

所以，面寬b=46.6×2=93.2 mm。

3.2 傳動機構參數的確定

1）每幅畫面展示時間：6 s。

2）翻轉方式：逐頁翻轉，每面廣告翻轉時間為2 s。

3）初步設計得到如圖4所示的結構：在圖4中，設置了同步帶的速度后，就能實現一個廣告的翻轉時間為2 s，轉好一個廣告后，其他三個面的廣告翻轉時間共需要2×3=6 s，故第一個廣告就能得到6 s的停歇時間，也就是廣告的展示時間。

4）同步帶輪轉速：總運動時間t=8 s。

在圖4中，同步帶輪的齒數為Z=15，使用雙面同步帶，但裝配前要對其進行加工。將外側帶齒，除彼此相鄰的Z/3=5個齒外，其余的帶齒全部磨去。當同步帶運動時，5個齒依次通過第一個帶齒，驅動其轉動3/15=1/3轉，然后帶齒再依次驅動第二、第三個帶輪，帶動所有的三棱柱條依次轉動。在廣告牌合適位置上設置剛度合適的彈簧片，在三棱柱條分別轉動1/3、2/3、3/3時，彈簧片都可將其保持限位。電機的驅動力矩足以克服彈簧片的彈力，彈簧片不會影響廣告畫面。

圖4 同步帶與齒輪

3.3 三棱柱干涉問題

在圖5中，先假設兩三棱柱在排列時，兩外接圓相切，在本次設計中，三棱柱是同向運動的，定為順時針翻轉，三棱柱O1從A點運動到B點時，三棱柱O3從E點到D點，兩者并不會相遇。將三棱柱的中心移到O2，此時兩三棱柱間的縫隙距離dmin=0，當三棱柱O2從F點運動到C點時，與三棱柱O3相遇，但是在隨后的運動軌跡中，兩者沒有接觸，因此，兩三棱柱并不發生干涉，為了使畫面更逼真，便于安裝，取間隙d=2 mm，與初次定的數值一樣。

圖5 三棱柱運動干涉

3.4 其他設計

3.4.1 防風防雨設計

考慮到廣告牌大多數情況都安裝在室外，因此考慮了防風防雨設計。防風設計中，廣告牌的整體框架皆為厚板，支柱焊接組成，硬度與強度都十分高，以防廣告牌箱體被風吹壞；防雨設計中，在箱蓋與箱體間可安裝密封圈，三棱柱條軸的頂部底部安裝時也安裝密封圈，防止雨水進入箱體及內部零件從而損壞廣告牌。

3.4.2 整體支撐設計

將廣告牌展示裝置單獨安裝在支撐桿上，支撐桿可設計為能獨立轉動的支撐桿，從而能讓廣告牌整體旋轉，但轉速與廣告牌三棱柱條的速度要有相對速度差，使廣告牌更具有吸引人的展示效果。另外，可以將廣告牌主體設計成符合街燈的樣式，將裝置安裝于街燈，以街燈支柱作為支撐桿，可以減少材料的使用，但廣告牌整體無法旋轉。

4 太陽能供電方案

考慮到當今發展的需求，綠色再生能源已逐漸取代傳統能源。因此，可以考慮在廣告牌裝置上安裝太陽能電池，在廣告牌頂部安裝光伏發電系統，由支撐桿支撐，采用太陽能供電的方式提供動力，更加綠色環保。

4.1 太陽能電池的運行方式

若安裝太陽能電池，太陽能電池則作為廣告牌動力提供的第二來源，通過PLC與光電傳感器實現。若太陽光照充足，信息傳送到光電傳感器后再到控制器，控制器則會接通太陽能電池作為動力源，提供動力使廣告牌運轉。

太陽能電池的運轉方式為：太陽能電池方陣吸收太陽光照，實現光電轉換，將電流儲存在蓄電池組中，再由逆變器將直流蓄電池中太陽能轉化的電能轉變成交流電供給廣告牌使用，當蓄電池中的電能充滿時，充放電控制器就會控制太陽能電池，防止蓄電池過度充放電從而導致系統損壞。

4.2 細節設計

太陽能電池的核心是跟蹤系統，跟蹤系統能保證太陽能電池板最大效率地吸收太陽光照，提高光伏發電系統的光電轉換效率及供電效率，同時，該系統還具備先進的識別天氣的功能，在遇到惡劣天氣如大風、暴雨等時能夠使系統自我保護，以免因天氣因素而損壞。

為提高太陽能板的太陽光照吸收率，考慮將太陽能板安裝于廣告牌支撐柱的頂部；為保證美觀和避免受力破損，太陽能電池板的面積不宜過大，在安裝過程中可適當加固連接桿件與支撐桿件。

安裝太陽能電池后的整體結構如圖6所示。

圖6 太陽能供電

5 結語

本新型多幅面廣告展示裝置的設計很好地完善了當今廣告牌展示裝置的一些缺點，能更好地推動廣告信息內容的傳播，十分適用于商業的發展，推廣應用前景廣闊，具有很大的實用價值。