升降舞台的研究现状及发展趋势

2022-11-26胥世琳费叶琦马竹樵潘知瑶刘雨浩闫业斌

科技创新与应用 2022年28期

胥世琳，费叶琦，2*，马竹樵，潘知瑶，刘雨浩，闫业斌

（1.南京理工大学紫金学院智能制造学院，南京 210046；2.南京林业大学机械电子工程学院，南京 210037；3.上海普密德自动化科技有限公司，上海 200000）

升降舞台是舞台机械台下设备中应用最广泛的机构之一，可以快速转换布景，根据实际需要配合舞美需求改变舞台高度，在场景转换时移动布景和演员、丰富舞台表演形式上有着极其重要的作用。随着我国文化建设不断进步，人们生活水平不断提高，越来越多的人走进剧院，追求精神上的娱乐。为了满足更多观众的需求，提高表演质量，需要进一步提高舞台机械的控制精度。因此升降舞台技术的提高显得极为重要。

1 发展历程

从手摇舞台到现代机械化舞台，随着科学技术的发展，舞台机械技术水平得到了极大的丰富和发展，同时一些高新技术和控制系统在其中得到了应用。

1.1 国外发展历程

随着科学技术的发展，在改造已有剧院的基础上，国外进一步优化舞台机械结构，更加重视舞台机械的监测系统，以确保舞台的安全性。

2017年改造完成的德累斯顿文化宫[1]，其现有音乐厅演奏台均采用刚性链驱动，大幅提高了升降台的升降行程，同时满足了多种表演类形式演出对于舞台的要求，提高了舞台的利用率。Melnikov等[2]使用声学超材料包裹齿轮箱，能够在保证良好通风的情况下有效隔绝升降舞台齿轮箱所产生的噪声。古川晃等[3]发明的电动驱动装置，拥有2组定子绕组并通过多个微处理器互相协作，当其中一个定子绕组发生异常时，可以利用另一个正常定子绕组来继续进行控制，保证了升降舞台电动驱动系统的正常运行。Crivelli等[4]采用声发射技术监测升降舞台机构，尤其是齿轮和轴承，通过监测声波识别机构中是否存在损伤。Benmahdjoub等[5]提出了一种基于树莓派的智能保护装置，通过实时通信系统，在并联交流发电机出现故障的情况下向终端设备发出警告。实现了更高效的升降舞台的监控系统。Rodriguez-Jorge等[6]通过实时监测升降舞台机械的振动信号来判断机械结构是否存在故障，如果存在异常振动系统将实时发出警告。

近年来，国外舞台设计公司更加重视升降舞台的安全性能，一方面进一步优化舞台机械的结构设计，一方面开始研发更加安全可靠的舞台机械检测设备。一些新型的检测理念，如无损检测，开始在舞台机械中被体现。同时新的复合材料为舞台机械的降噪提供了新的思路。

1.2 国内发展历程

国内舞台发展起步较晚，新中国成立以后，由国家建造了第一批现代剧院。为了展现更好的演出效果，我国舞台机械水平不断提高。

杭州大剧院的主升降台[7]首次采用受额定拉力不会产生拉伸变形的特殊处理钢丝绳作为升降台的牵引装置。使用时稳定性好，有较好的噪声隔绝技术，减少了对舞台表演的影响。其主升降台采用完全闭环控制系统，并在两侧安装高精度导轨，保证了升降台在工作时的同步性和稳定性。火照晶[8]在剪撑机构的升降台中增加刚性链，有效限制了升降台在运动中的水平位移，保障了演员的安全。李阳等[9]设计的无极差动台阶升降台，结构紧凑小巧，通过配置随动定位导向滑槽保证了升降台相互之间的高差始终相等，实现了以阶梯结构或者平台形式整体升降。周厚金等[10]设计了具有柔性效果的链轮链板驱动装置，在保证运动精度的同时，减小了升降舞台的基坑深度。

李炜等[11]在速度并联同步控制的基础上借助干扰观测器，同时采用位置输出耦合补偿控制，减小位置同步误差，实现多个升降舞台的同步控制。叶兵兵等[12]设计的双动力头舞台液压传动系统保险措施，其中一个动力元件出现故障时能立即使用另一个进行工作，使得整个装置具有更佳的安全保障。曹毅[13]提出的同步液压控制系统具有备纠偏功能，通过在每个分流油路并联一个纠偏回路和配置位移传感器，使各液压缸位移一致，从而保证升降舞台同步。沙宝银[14]采用高频电液比例方向阀作为液压系统的执行元件，在闭环系统中采用高精度位移传感器进行反馈，对同步过程进行实时调整，减小了升降台的误差。江苏大剧院的戏剧厅[15]采用CAT（计算机辅助剧院）舞台机械控制系统，相较于国产的神州3000系统，该系统更加稳定，能够快速编写程序，为演出的前期准备带来便捷。高伟等[16]在液压缸的活塞杆端部设置位移传感器，保证了多个液压缸的运行速度同步，提高稳定性的同时减少了舞台升降过程中的噪音。刘榛等[17]在电动机上增加变频器接受并处理信号，来调整所述电动机的转速，使得多个所述升降台之间的升降速度可以保持一致。

目前国内升降舞台采用的主要结构形式有：钢丝绳牵引式、液压剪刀撑式和齿轮齿条爬升式。这几种机构的机械传动装置和液压系统相对孤立，没有综合两者的优点。同时控制系统作为同步升降系统的核心在国内舞台并没有引起足够的重视，虽然大型剧院基本采用了安全可编程逻辑控制器（PLC）系统或轴控制器系统进行控制，但是其他小型剧院的控制系统与国外安全完整性等级SIL3的要求仍有一定差距。

2 存在的问题

我国剧院已经基本完成了自动化的变革，但是升降舞台仍然存在下列问题。

2.1 部分舞台升降机构存在安全隐患

例如为了避免偏载对升降舞台液压系统造成过大影响，会采用双缸顶升、双剪叉撑的结构形式。顶升机构在液压缸升降过程中，随叉架角度变化较大，液压缸负载出现偏心现象，容易导致密封圈失效，影响液压缸的正常工作。同时多缸液压系统难以保证绝对的同步，轻则造成舞台倾斜影响演出效果，重则造成安全事故。

2.2 很少采用机械传动装置配合液压系统的形式

目前我国较多使用的几种升降方式都有其独特的优缺点，例如钢丝绳升降重复定位精度较差但是减少了噪声对演出的干扰；液压对舞台地基要求较高，同时存在漏油污染的危险，但其传动平稳性远高于钢丝绳升降装置。如果做到机械传动和液压系统相互配合，不仅能够使升降舞台在保证安全的情况下平稳运行，减少噪声对演出的影响，还能提高舞台的重复定位精度。

2.3 国内舞台机械系统与国外在控制系统方面存在差距

目前国内大型剧院舞台控制系统以PLC为主，但是由于现场组态的要求，需要携带大量的设备，在灵活性上略显逊色。欧洲国家采用的是为舞台机械控制专门开发的轴控制器，产品完全符合SIL3的要求。以SBS公司开发的COSTACOwinR系统为例，系统可按每个模块的顺序逐个调整，迅速重新搭建系统，也可以向系统内加入其他专业设备并保证使用的安全。

3 解决的途径

针对上述问题，可以在以下几个方面进行优化。

3.1 对现有舞台的液压系统进行改良

由于液压缸不能受弯矩作用，所以在结构设计上需要格外注意。随着消除偏心弯矩机构的发展，万向节已经在机械行业中被广泛使用并规模化生产，使用这样的小型机构可以进行结构优化、延长舞台液压系统的使用寿命。

3.2 发展液压与机械传动相结合的结构形式

综合机械和液压有各自的优点，可利用液压低速大功率调速平稳、机械传动制动可靠的长处，弥补各自的不足。工程机械上液压和机械传动相结合的方式更为成熟，例如新型的垂直缸剪式液压升降舞台不会出现悬臂状态失衡的状况，有效增加了升降台的工作行程。机械系统和液压系统二者相互作用，能够更好地使升降台平稳运行，有效保障演出人员的安全，确保演出顺利进行。

3.3 加大PLC或轴控制器等控制系统的应用，提高控制精度

由于科技的发展，传感器的发展非常迅速，成本也较从前有明显下降。目前机械行业已经开始运用位移传感器或力传感器来提高同步控制系统的精确度和灵敏度。在冶金等行业得到广泛运用的同步马达多缸同步控制系统，具有纠偏功能。每个液压缸设置纠偏回路，通过各纠偏回路与对应位移传感器的配合，增加了系统的冗余度，提高了对设备偏载的适应性，获得很高的同步精度。

4 未来发展趋势

随着我国行业标准的进一步规范，机械制造工艺不断提高，升降舞台发展趋势主要体现在提高升降舞台系统总体的安全性和灵活性上。

完善台上台下系统的急停按钮，对所有设备设置限位开关，以及增设自动纠偏装置都可以增加系统的安全可靠性。增设普遍被用于航天、航空等重要领域的冗余技术也是提高控制系统可靠性的一种有效手段。由于搭建PLC系统相对简单，价格较为便宜，目前我国舞台机械控制系统主要基于PLC，虽然能够达到SIL3的要求但相较于为舞台机械开发的轴控制器来说缺少即插即用的灵活性。专用轴控制器能够适合各种调速控制系统，并在内集成安全功能，在确保设备在安全运行范围内的同时，避免非故意的危险动作。合理配置控制系统将是今后研究的重点。