PALM EXPO 2019专家调研报告舞台机械设备及技术
2019-03-30PALMEXPO2019调研专家团舞台机械组
PALM EXPO 2019调研专家团舞台机械组
【摘要】结合PALM EXPO 2019的舞台机械设备及技术调研情况，阐述了舞台机械新技术的应用及创新成果，提出对目前国内舞台机械行业的看法。
【关键词】PALM EXPO 2019;舞台机械;展会调研;设备;技术特点
文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.10.002
1展商参展概况
第二十八届中国国际专业音响、灯光及技术展览会（音响·灯光展）
（以下简称“PALM EXPO 2019”）于8月10日至12日在北京国家会议中心举办。参展的舞台机械厂商有：浙江大丰实业股份有限公司（以下简称“大丰”）、北京北特圣迪科技发展有限公司（以下简称“北特圣迪”）、北京东方高科舞台科技有限公司（以下简称“东方高科”）、甘肃工大舞台技术工程有限公司（以下简称“工大舞台”）、江苏时代演艺设备有限公司（以下简称“时代舞台”）、江苏中惠舞台设备技术有限公司（以下简称“中惠舞台”）、北京泊斯迪尼舞台工程技术有限公司、北京长征天民高科技有限公司（以下简称“长征天民”）、泰州星海舞台设备工程有限公司、江苏金银杏舞台设备有限公司（以下简称“金银杏舞台”）、江苏美艺舞台设备工程有限公司、江苏中邦智能科技有限公司、江苏建声影视设备研制有限公司（以下简称“建声影视”）、北京星光影视设备科技股份有限公司、佑图物理应用科技发展（武汉）有限公司、焦作市晟光影视设备有限责任公司。以产品配套为主的生产商有河北伊特舞台机械设备制造有限公司、石家庄首域传动科技有限公司（以下简称“首域”）、江蘇美事科电机制造有限公司、上海丹马电机技术有限公司、诺德（中国）传动设备有限公司;以电动葫芦等起重设备为主的厂商有河北怀鸽起重机械集团有限公司、捷仕起重机械（上海）有限公司、牧德科技（北京）有限公司、北京北起雄鹰起重吊索具有限公司等。首次参加PALM展的有成都炎兴自动化工程有限公司（以下简称“成都炎兴”）、北京光顺数控技术有限公司。另外，瓦格纳一比罗公司、德国霍阿克（HOAC）焊接技术有限责任公司（以下简称“霍阿克”）和韩国Haon atec舞台技术公司也出现在本次展会。
PALM EXPO 2019的舞台机械参展商在所有参展商中的占比较往届有所提高。参展商多以视频播放、展板的图文资料介绍为主，结合部分静态产品样机或模型，动态演示的产品数量同前两年相比明显减少。
2主要展品及技术介绍
2.1浙江大丰实业股份有限公司
大丰展出的有STACON舞台集成控制台和OXAS3轴控制器。STACON集成控制台具有如下主要特点。
（1）分体式、模块化设计。可根据现场实际情况，安装具备不同功能的各类模块，以满足用户的不同需求：硬件方面，可根据需求，配置不同功能的操作手柄，如滚轮式、手柄式等，也可根据需求扩展为多屏显示（最多可扩充到5组显示器）;软件方面，可选取舞台机械设备控制软件，灯光、音响、机械一体化集中控制软件，环境安全数据检测等各种不同功能模块的组合，以满足用户的不同需求（见图1）。
（2）人性化的控制面板：主操作手柄采取滚轮式速度调节器+液晶显示按钮的方式，提供方便直接的操作手段;提供简易式功能键盘，支持设备的快速选取和参数编辑;主显示器支持多点触控，人机界面的操作更为便捷。
（3）支持单场景、多场景、场景+临时设备等多种模式的设备运行方式;支持安全编组、固定编组、自由编组等灵活多变的设备编组方式。
此外，大丰还展示了按照杭州西溪湿地洪园的互动装置“西溪诗话”项目等比例缩小的3D Mapping投影技术和一款基于将虚拟信息与真实世界融合的增强现实技术的作品。
2.2北京北特圣迪科技发展有限公司
2.2.1徒手拖曳编绘双3D飞行表演轨迹装置
3D四轴飞行器的空间飞行轨迹的编绘是一项重要的工作，第一代飞行轨迹的编绘是由软件编制专业人员采用几何图形函数相连接的方式编绘，空间飞行轨迹是由直线、圆、椭圆等的直线段和弧线段相连接组成，轨迹曲线不可任意。
随着技术的进步，第二代3D空间飞行轨迹采用在触摸屏上徒手绘制（手绘）的方式，手绘的轨迹曲线将通过计算机软件离散处理后的移动点三维（X、Y、z）坐标及速度值（u）数据编码组集合按序列下载到数字控制器处理，经数字控制器计算控制伺服系统驱动吊点做3D空间机械运动，手绘创造了空间轨迹的绘制任意性，取得了很大的进步，但是手绘的方法仍需要学习和实践。
近年来，随着3D四轴飞行器在旅游演艺类表演中的应用越来越多，节目创意要求飞行器在演出空间能沿着任意曲线轨迹进行表演，如何让非技术专业的艺术人员能够快速编绘任意空间轨迹呢？在这种背景下一种全新的第三代编绘方式——徒手拖曳快速编绘装置应运而生。
徒手拖曳快速编绘装置是在按比例缩小的表演空间模型上进行的，徒手拖曳四绳中心结点可在有效空间内任意徒手拖曳，在实际运行空间内同步运行并按比例放大还原徒手拖曳的轨迹曲线，轨迹曲线可进行多次修改，并实时存储记忆，存储记忆的曲线在运行中可实时调整运行速度，并实时存储记忆，系统可记忆多条运行曲线。
徒手拖曳快速编绘方式的特点：
（1）徒手拖曳不需要进行学习;
（2）快速直观，效果立现;
（3）适用于需要经常变换运行轨迹的演出;
（4）非常容易解决双运行轨迹之间的干涉问题。
徒手拖曳快速编绘方式特别适用于多变曲线和在双3D空间的运行轨迹，由于双四绳运行时的相互干涉，目前，上述第一代和第二代编绘方式难以避免双四绳相互干涉，徒手拖曳的方式能很容易解决这个问题，只要两套拖曳装置的八根吊绳在人眼观察下不干涉就可达到编绘目的，徒手拖曳快速编绘3D空间运行轨迹在多轴数控飞行器中得以实现。
新的创意理念及实现必将大大推动演艺行业广泛应用和长足发展。
2.2.23D控制系统及虚拟剧场编场功能
3D控制系统是在传统控制台的数据界面基础上增加触摸屏，通过3D仿真剧场能更直观立体地表现出设备在3D空间中操作后的运行状态和相对其他设备的位置，让操作人员心里有数。
虚拟剧场编场功能则提供了一种新的编场方式，通过在3D仿真剧场里对设备进行编场，直到走场效果达到导演设想中的效果，然后把编场文件导入控制系统，再操作机械设备进行走场验证，可以有效减少现场设备的编场次数，节省人力、物力成本。
运行参数里可以对设备的位置、速度、延时进行设置，曲线运动可以让设备在一场表演中在指定的时间轴上以多个不同的速度运行到多个不同的位置。
2.2.3动态雕塑系统
动态雕塑系统由微型吊机和控制系统组成。吊机的吊线采用专门开发的抗拉电缆，抗拉强度为0.5kN，缆径仅4mm，通过该电缆可让悬吊的小球或其他造型的悬吊物实现自发光及明暗和色彩的变化。控制系统采用管理层、控制层、执行层三层结构，各层之间采用EtherCAT通信，保证系统中的所有设备能够达到精确的时钟同步，实现实时的控制效果。
2.2.4其他设备
除了上述设备以外，北特圣迪还介绍了专门为演艺秀场节目剧情需要开发的设备，如可以实现升降、旋转、横向颠簸和纵向摇摆、甲板倾斜等运动的四动作机械大船、数控动态升降柱、集成了洪水特效系统的洪水车台、高速轨道飞行器、多功能倾斜旋转升降台等。
2.3北京东方高科舞台科技有限公司
2.3.1基于虚拟样机技术的多自由度虚铰翻板设备
基于虚拟样机技术的多自由度虚铰翻板设备包括机架、横梁、立柱和翻板，如图2所示，可滑动的横梁安装在两个机架之间，并通过升降驱动机构驱动，横梁在升降驱动机构的驱动下沿竖直方向移动;滑动的横梁上安装有一立柱，该立柱通过平移驱动机构驱动，立柱在平移驱动机构的驱动下沿水平方向移动;翻板安装在立柱的顶部，并通过旋转驱动机构驱动。
技术特点：
（1）采用三自由度机械系统，构成正反两面翻转较大角度的虚铰机构，可以更好地实现创意要求;
（2）将现有的三维设计、有限元分析、动力学仿真的联合仿真技术应用到翻板的设计过程中，通过虚拟样机进行性能仿真和优化设计，对提高设计质量、缩短产品开发周期有重要的现实意义。
2.3.2升降台机械同步轴系统
升降台机械同步轴系统如图3所示，由4组驱动单元组成，每一驱动单元的结构相同，均包括电机、多级减速器、联轴器和刚性链，电机的输出轴与第一级减速器的输入端传动连接，电机的输出轴通过制动器制动。
技術特点：
（1）4组驱动单元对称布置，相互之间用联轴器刚性连接，建立同步轴系统实现机械同步;
（2）如果一台电机失效、其余电机能够驱动升降台继续运行，此时，电机功率按一台电机失效、其余电机在不过载的条件下可继续完成升降台的本次运行的原则确定;
（3）可以避免台体倾斜，保证台体在一台电动机故障时到达对接位置，避免台体长时间悬吊在半空中。
2.3.3双向连杆机构振动平台
双向连杆机构振动平台的台体下部的中央设有左右相互铰接的水平连杆（见图4），这两个水平连杆的铰接点的前方设有复位螺旋升降机，后方设有触发螺旋升降机;振动平台的台体下部的左右两侧分别安装有一套升降机构，每套升降机构均由位于四角的4个竖直连杆以及将4个竖直连杆的下部连接在一起的连杆连接架组成，连杆连接架通过连杆与位于同侧的水平连杆铰接;每个竖直连杆的底部安装有滚轮;滚轮可沿导轨左右滑动。
技术特点：
（1）具有慢速上升（复位）和快速下降（触发）两个动作，每个动作由一套螺旋升降机（也可用液压缸或电动推杆来代替）来驱动;
（2）具有自身高度低、行程短、动作快、复位慢等特点，主要用于承载观众，在特定情景中配合灯光、音响及雾效等特效瞬间动作，自由落体下降，给观众一种逼近真实的地震感觉;
（3）通过双向连杆机构多次转化，使得驱动力大大降低，也就降低了驱动装置机座号，压缩了驱动装置空间，节省了驱动功率，更加经济可靠;
（4）通过双向连杆机构的转换将水平方向的平移动作转换成垂直方向的升降动作，大大节省了空间，并且仅用一套复位驱动和一套触发驱动装置就能够实现升和降两个动作，节省了电机数量，具备更好的经济性和可维护性;
（5）利用连杆过死点能瞬间动作原理来实现自由落体动作，克服了传统振动平台需要利用液压缸等驱动单元的快速反应特性来达到快速降落功能的弊端，使得驱动更加简洁高效。
2.3.4无供电式三自由度双点飞行器
无供电式三自由度双点飞行器包括驱动装置以及小车，如图5所示。驱动装置包括旋转卷扬机，旋转卷扬机为电动驱动。小车的底部安装有齿轮，齿轮与齿条啮合;齿条的两侧安装有动滑轮，齿条通过封闭式循环钢丝绳依次穿过动滑轮、水平滑轮和竖直滑轮，与旋转卷扬机相连;齿轮的底部固定连接有双吊点装置。
技术特点：
（1）可以实现升降、行走和旋转三个动作，让演员在空中展示的动作更加丰富多彩;
（2）驱动装置均固定于马道上方，小车上没有驱动装置，故小车上无需装载供电系统，减轻了小车负载，使小车承载能力更强，同时可以避免使用滑触线及移动电缆等移动供电装置，大大降低了成本，这样经济性和使用性更高，结构更加简洁;
（3）旋转动作采用双侧动滑轮方案为本套设备最大创新点，使旋转驱动装置从小车上移到了设备马道上，解决了传统飞行机构只要有旋转动作就必须在小车上装载驱动单元的弊端，同时动滑轮具备随动特点，旋转动作和行走动作互不干涉，旋转电机与行走电机无须同步，两者可以独立控制，使得控制系统更加简便;
（4）采用位置可调节的拖轮装置，布绳合理紧凑，节省了小车的空间。
2.4甘肃工大舞台技術工程有限公司
工大舞台的展台面积达到216m2，为历年之最，展台的设计也独辟蹊径，突出体现了甘肃文化特色，把甘肃文化中的突出代表——敦煌莫高窟元素、大地湾彩陶文化呈现给广大观众，有耳目一新的直观感受（见图6）。工大舞台展出了3D四轴空间威亚系统、轨道飞行器以及平移、升降、旋转吊挂系统等三项产品，体现了工大舞台近几年在技术研发上的成果。
2.5成都炎兴自动化工程有限公司
成都炎兴是一家年轻的企业，专注于演艺行业机械设备控制领域，产品和服务主要集中在剧场、室外实景演出和室内秀场、流动演出三个领域。展出的产品有轴控制器和适用于不同场合的控制台。
极光Pro全功能舞台机械控制台，主要特点有：内置DMX512通信接口，使其能接收灯光控制台的指令;配置3D鼠标，在3D建模界面操作更加直观;配置了2块快捷功能区，可以快捷编程、设定位置、调用场景、切换场景、保存参数等;1路手动备份操作，可在计算机失效时通过手动备份装置实现备份操作功能。
ZNK紧凑型控制台和极光专业舞台机械控制台都适用于既有复杂运动控制同时又对设备便携性有要求的场合。前者内置了DMX512通信接口，能接收灯光控制台的指令，有2路手动备份操作装置，可在计算机失效时实现手动备份操作功能，在开关失效时应急启动设备达到救场的目的;后者通过全向摇杆和定向摇杆的组合使用，可实现设备的三维运动。
针对流动演出专门开发的IAC变频电动葫芦控制系统，由轴控制器、称重传感器、电源分配箱、主控制器等构成，将驱动单元与控制单元集成为一体，能方便地对整个系统进行控制。
2.6石家庄首域传动科技有限公司
首域介绍了新研制的刚性传动柱装置，其结合了柔性转动柱和拉链机构的拉起和解开技术，在没有导向的情况下可直接顶起载荷，可承受规定的任何方向的水平载荷。
刚性柱由带导向的传动箱、柱节、存储箱、支撑架组成，如图7所示。传动箱内设有特殊导向，能够让柱节之间顺利解开或啮合，柱节解开两半后是非常柔软的，一旦咬合后立即形成刚度很大的具备抗弯能力的柱子;柱节由特殊形状的板材通过互相咬合而成，柱节中的连接轴既是传动轴，又是导向滚轮的连接轴，如图8所示。存储箱分单层、双层、三层、四层、五层，主要让刚性柱收起时按规律存放在存储箱内。支撑柱主要用于刚性柱防倾翻，随着行程加大，支撑架需要与地基牢固地连接，或者可做成起重机可伸缩或旋转的支腿一样，加大支点位置。
2.7北京长征天民高科技有限公司
长征天民呈现的是可折叠观众席和包括升降台、车台、转台等模块化的舞台设备。所有模块化舞台按照一定模数制造，可以任意组合，形成多个模块变化多端的型式;与伸缩式座椅相比，折叠观众席可以运到库房储存、可以搬运到其他房间或者室外使用;在同一个房间内舞台模式改变时，折叠式观众席可以改变角度摆放，让多功能厅实现真正的多功能。通过模块化舞台和可折叠式观众席的配合使用和组合可以实现不同的观演形式的变换，在已有建筑条件下满足厅堂多用途的功能要求。
2.8其他企业产品
2.8.1中国的其他几家舞台机械企业
中惠舞台展出了流动式自排绳卷扬机、轻便式自排绳卷扬机、多功能自排绳卷扬机等几种不同形式，适用于不同场合的自排绳类卷扬机以及可以实现升降、旋转、摇摆等动作组合的吊机。
金银杏舞台、时代舞台、建声影视等企业也都展示了各自不同的舞台卷扬机实物样品。
2.8.2德国霍阿克（HOAC）焊接技术有限责任公司
霍阿克介绍了他们的铝合金拼装式转台，在需要时手动将这些模块拼装成一个完整的转台，演出结束后拆开便于存放，不占用舞台空间。同以前展出的可自由运行的车台一样，均符合DIN EN 729-2、DIN 18800、DIN4113等标准，自重较轻，但承受动载可达2.5kN/m2、静载可达5.0kN/m2，可以像搭积木一样便捷且不受环境限制，在现有条件下可以搭建成异形舞台、看台的铝合金框架。
2.8.3广州彩熠灯光股份有限公司
值得一提的是，广州彩熠灯光股份有限公司作为舞台灯光制造企业，也准备进军舞台机械控制领域，着手研发舞台机械控制产品。虽然在本次PALM展上没有样品展示，但据该公司的高层介绍，已经进入样机测试验证阶段，将于2020年亮相。据该公司的技术人员介绍，研制的产品包括舞台机械控制台和轴控制器。
（1）舞台机械控制台的技术特点
①具有自主知识产权的以太网组件控制协议，具备网络拓扑结构及设备自动发现功能，实时控制帧率最高支持10kHz，可对该公司的轴控制器进行控制;
②基于3D空间的对象编程与多轴联控，操作直观而且便捷;
③基于运动过程的精细控制，持续输出高阶多项式插补系数，确保各轴位置误差实时可控;
④支持机械、灯光等多种舞台元素的3D模拟仿真，效果细腻，同时还支持空间干涉的仿真检测;
⑤支持网络分布式计算与联机热备份，保证控制系统的可扩展性和稳定性;
⑥支持机械、灯光的联机仿真、编程及控制，通过网络与TEKMAND系列灯光控制产品无缝对接，打破声光视械等不同控制领域的限制;
⑦除配备急停开关、安全按钮、复位锁等物理安全保障外，还从通信、系统、流程、权限等角度采取多项策略，确保控制系统的安全：可在10ms内触发通信超时异常，确保所有设备安全停机;定制工业级应用的操作系统，确保实时性、可靠性;内置工作强度等业务规则的监控;关键操作需要相应的用户权限多步骤确认。
可以满足多元化、动态化的舞美造型的应用需求，提供安全、稳定的舞台机械控制。
（2）轴控制器的技术特点
轴控制集功率驱动与运动控制单元于一体，主要满足高性能变速驱动的需求。
①支持自主知识产权的以太网组件控制协议，菊花链拓扑形式连接，控制指令执行及设备状态报告的延迟均低于0.1ms;
②位置控制指令采用高阶多项式表达，支持插补输出，确保位置、速度、加速度的连续无突变;
③支持矢量运动控制算法，可进行高精度位置控制，动态力矩响应快;
④功率驱动单元采用高效率半导体器件，控制支持四象限运行，用电效率较高;
⑤全单元采用多个逻辑主控器件进行协作及冗余控制，指令响应时间低于0.1m s，异常处理时间低于100ms，安全性较高;
⑥支持多种信号及物理量的异常检测与处理：除了支持软件限位、开关限位以及机械限位之外，还监控了载荷、温度、电压、电流、位置、速度，甚至控制器空间姿态、工作时长等多个物理量;
⑦采取冗余及守望的策略确保系统安全：主电源需要单元内多个主控器件协同分步骤控制导通，控制器单元内或者控制器与控制台之间任一环节的通信及数据异常均可有效触发断电停车逻辑;
⑧制定流程及权限的策略确保操作安全：将状态查看、配置维护、运行输出、异常处理等划分入不同的操作权限，且各操作需要执行相应的流程，有效控制用户操作失误的风险。
3小结
从PALM EXPO 2019上展示的产品和技术来看，呈现如下特点。
（1）传统意义上的常规剧场的舞台机械产品没有明显的变化，反映出需求趋于成熟稳定，但各个厂商产品在产品的细节方面，如外观设计、加工质量、安全设施等方面还是有所提高。此外，针对不同应用条件，出现了产品细分的特点。
（2）随着各地文旅類项目的蓬勃发展，为各种实景演出、室内外秀场演出、主题剧场演出量身定做的舞台机械设备逐渐成为研发的主流，这些设备呈现载荷大、速度快、动作复杂、使用频率高、控制精度要求高、多为异形结构、使用环境条件更为复杂等特点，对设计手段、材料、工艺、产品的研发提出了新的要求，促进了技术的创新发展，同时也对设备的安全性、可靠性研究提出了新的课题。
（3）文化和旅游的融合发展，极大地提高了观众的欣赏水平，为了丰富演出的艺术效果、增加节目的艺术感染力，舞台机械和舞台灯光、音响、视频装备技术以及水雾烟气火等特效技术的融合发展也逐渐成为一种趋势，这在不少产品的研发中已经得到体现。
