广西人民会堂舞台升降系统改造与自动控制设计

张能

摘 要：广西人民会堂舞台的升降系统主要采用液压传动系统，通过分流集流阀向各升降台的油缸注油，缸内活塞杆将剪刀叉打开或闭合，从而达到舞台升降目的。但是由于舞台使用年份已久，舞台在升降过程中出现平台不同步、晃动、干涉、下降等情况，给使用造成了很大的影响。为了满足客户使用要求，现将舞台升降系统由液压传动控制改造为伺服自动控制，并通过PLC系统精准操控，彻底地解决上述问题。

关键词：舞台；剪刀叉；舞台升降；PLC系统；伺服自动控制

中图分类号：TH137 文献标志码：A

0 引言

广西人民会堂舞台采用剪刀叉式的液压升降平台，每两个剪刀叉机构举升一个平台，共有22组剪刀叉机构。升降机构采用的液压推动升降方式，目前采用的是开环控制系统，无法实现任意高度的闭环，如图1所示。

由于舞台使用的年份已久，舞台在升降中出现各种缺陷和故障，如升降平台稳定性不足，存在晃动。升降时平台存在相干涉、不同步，位精度差，需要单动操纵升降平台以调整各平台的等高度。升降平台出现自行下降，无法保证会议期间座位平台高度不变。这些问题严重地影响了舞台的使用性。为此，专门设计制造了新的舞台升降系统，以解决上述问题。

1 升降系统改造方案

1.1 问题原因分析

通过对原有舞台检查分析，舞台在升降中出现各种缺陷和故障主要由以下几方面造成。

（1）舞台的刚性、平整性及制造精度等都会影响舞台使用时的几何精度，并且升降系统没有导向机构，造成举升直线无法保证，甚至出现扭摆行走。

（2）液压系统是开环系统且液压管路长度较长且不均衡，造成油缸的压力与流量不均衡使升降不同步。

（3）舞台使用年份已久，后期维护不到位、机构的磨损、液压元件性能下降，都会影响舞台升降效果。

1.2 客户对舞台改造的要求

（1）不重新制作舞台，在原来基础上进行改造升级。

（2）剪刀叉平台、地板以及相应基础设施不做太大的更改。

（3）保证舞台安全、稳定、可靠。

（4）改进平台稳定性，消除平台升降中的不同步和舞台自行下降的现象。

（5）后期维护保养方便。

1.3 改造思路

根据客户的需求，对舞台升降机构的改造提出了以下思路：

（1）舞台升降系统由液压传动系统改造成伺服自动控制系统，实现舞台任意高度自锁。

（2）增加升降导向机构，提升舞台的稳定性，减少舞台的干涉与晃动。

（3）伺服电机、减速机与PLC配合，消除舞台升降中的不同步和舞台自行下降的现象。

（4）舞台升降可实现单动、联动和同步运动，达到升降的安全、可靠、准确控制。

（5）舞台所有的动作控制集中至电脑系统中控制。

（6）舞台升降机构的后期维护保养方便。

1.4 改造技术方案

根据客户的需求，针对舞台的现状和存在的问题，对舞台升降系统的改造设计了以下方案（如图2所示）。

（1）方案概述

该方案主要是通过安装在地面上的伺服驱动机构通过齿轮传动，带动滚珠丝杆，然后通过与滚珠丝杆连接的推动机构，推动剪刀叉上的滚轮机构，那么下部的剪刀叉就会张开或闭合，舞台必然随着剪刀撑地张开、闭合直线运动，从而达到舞台升降的要求。

（2）主动力（推力）计算

舞台的升降过程中，所需要的动力是随着高度的变化而变化的。只有计算出舞台升降所需要的最大动力，才可以准确设计驱动机构以提供足够的动力来推动舞台，使其按要求升降。根据运动学仿真得知，舞台运行到最低位置的时（根据行程要求最低位置为14°），整个伺服驱动结构受到的力是最大，所需推力为426.9kN，如图3所示。

为了能够提供足够的动力，驱动机构设计成伺服驱动机构。该驱动机构采用伺服电机、减速器、滚珠丝杆、线性导轨组合，设备运行平稳、噪声小、精度高、结构合理、刚性好、承受力大、变形小并且具有可靠的定位锁紧机构。

（3）技术参数

①舞台载荷。在确保原舞台结构（钢结构、舞台木板结构等）可靠的情况下，新制造的舞台升降机构承受的载荷为： 动载荷100kg/m2；在原点位置及正方向，静载荷 400kg/m2；在最低点位置静载荷为120kg/m2。注：舞台原点是指舞台与整体表演平台平面相平的点，定义往上升为正，往下降为负。

②舞台升降速度和行程。舞台升降速度：0m/min～3m/min。

乐池行程：-2000mm～100mm。

1号平台行程：-1400mm～1600mm。

2号平台行程：-1400mm～1600mm。

3号平台行程：-1100mm～1600mm。

4号平台行程：-1100mm～1600mm。

5号平台行程：-1100mm～1600mm。

6号平台行程：-1100mm～1800mm。

2 控制系统

由于舞台整个升降系统已经彻底改变，原舞台的控制系统已经不适应新的升降方式，因此需要重新设计一个专用的系统来控制舞台的升降。设计新的数控系统时，应当充分考虑使用性能、经济性以及维修服务等因素。目前，PLC控制系统在工业上应用越来越成熟，其定位功能精准、程序的设计和调试简单方便、硬件成本相对较低，因此，从经济性和使用性来考虑，舞台的控制系统采用PLC控制。

新设计的系统主要通过PLC系统（如图4所示）控制各个舞台的升降。每个平台是一个完整的系统，配有一个控制箱对平台进行单独控制，实现舞台升降的准确定位。用总PLC控制系统对7个平台的控制箱进行集中控制，实现舞台的联动功能，且总PLC接到一台工控机上面，通过一台工控电脑对所有平台的动作进行集中控制。

结语

从客户对舞台使用要求出发，对广西人民会堂舞台的升降系统进行改造提升，升降动力执行元件由油缸改为伺服电机，并通过PLC控制系统对舞台进行控制，实现了舞台在任意高度准确控制（如图5所示）。伺服自动控制升降系统消除了舞台升降中出现的干涉、晃动、不同步、自行下降等问题，并且舞台还可以单动、联动和同步运动。改造后的舞台使用安全可靠，操作简单、维护方便，并且创造了良好的工作环境，得到了用户的好评。该舞台升降系统自动控制设计方案对一些使用年份已久相类似的舞台改造有较大的参考、推广价值。

参考文摘

[1]赵鹏，刘意芬，马天褆，等.广西人民会堂的舞台机械设计[J].广西机械，1998（1）：34-46.

[2]赵鹏.广西人民会堂舞设备微机群控监测系统介绍[J].广西土木建筑，1999（3）：147-149.

[3]张展.齿轮设计与实用数据速查[M].北京：机械工业出版社，2009.

[4]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5]周军.电气控制及PLC[M].北京：机械工业出版社，2006.

[6]罗用顺.机床数控化改造技術[M].北京：机械工业出版社，2007.

[7]现代实用机床设计手册编委会.现代实用机床设计手册[M]. 北京：机械工业出版社，2006.