移動組合墻體式LED屏的機(jī)械設(shè)計(jì)方案解析

文章轉(zhuǎn)載自：演藝科技傳媒 作者：馬繼革 

移動組合墻體式LED屏（以下簡稱“移動LED墻”）項(xiàng)目位于北京市海淀區(qū)青龍橋街道頤和園路33號的光科技館正南門內(nèi)側(cè)，是為實(shí)現(xiàn)“園區(qū)秀”展演開關(guān)門的儀式感而專門設(shè)計(jì)，于2020年10月投用。移動LED墻由左右兩扇墻體對拼組成，墻體部分的材質(zhì)為304不銹鋼與LED造型屏相結(jié)合。每扇墻體分為上下兩部分，組合完成后整體高度4 m，最大寬度8 m。沒有演出時(shí)移動LED墻收放在圍墻內(nèi)兩側(cè)，有演出時(shí)通過電動裝置將其滑移至道路中央組合成墻體式LED屏，配合燈光和水系統(tǒng)達(dá)到綜合演繹效果。投用至今，運(yùn)行狀況良好，達(dá)到預(yù)期使用要求。

1 設(shè)計(jì)需求

1.1 遮蔽性

移動LED墻安裝在光科技館南門入口通道伸縮門內(nèi)，由兩扇對開墻體組成。演出時(shí)面向人行道，起到遮蔽“圣火之光”雕塑的作用。

1.2 時(shí)限性

兩扇墻體白天存放在通道兩側(cè)，晚上演出時(shí)從兩側(cè)滑移至道路中間，組合成墻體式LED屏，演出完成退回到原來位置。移動就位見圖1。

圖1 墻體移動就位

1.3 水元素

移動LED墻頂部安裝水管，呈現(xiàn)水瀑表現(xiàn)模式。

1.4 機(jī)械感

墻體上層可實(shí)現(xiàn)分段升降排列組合效果，下降后落藏到下層墻體內(nèi)。上升過程見圖2，組合完成見圖3。

圖2 上部墻體上升過程    圖3 移動LED墻組合完成

2 機(jī)械裝置

2.1 墻體構(gòu)造

移動LED墻整體分上下兩部分：下部墻體由左右兩扇各自寬度為4.0 m、高度為2.0 m、厚度為 0.8 m的空心墻體對拼組成；上部墻體均分為6塊，左右兩側(cè)各3塊，不演出時(shí)隱藏在下部墻體腔內(nèi)，演出時(shí)待下部墻體就位后從墻體腔內(nèi)升到4.0 m高度，組合成墻體式LED屏。

墻體正面有橢圓形鏤空造型，每塊墻板上的橢圓形造型切割曲線順序連貫，不因?yàn)槠囱b縫隙而影響其連貫性；正反面的亞光不銹鋼面板鋪裝平整度達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求；安裝LED 屏的上部墻體分塊，其墻體背板可拆卸，便于LED 屏拆裝檢修。

2.2 運(yùn)動方式及技術(shù)要求

兩扇下部墻體采用連桿滑塊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)類似公交車門的開閉方式，開閉時(shí)間不超過20s；上部墻體的升降機(jī)構(gòu)將其從下部墻體腔內(nèi)升到演出高度，時(shí)間約10 s；推移定位機(jī)構(gòu)將上部墻體推移到與下部墻體同一立面。上部墻體就位后，與下部墻體間的縫隙不超過LED屏拼裝模塊的間隙，即3 mm；墻體6個(gè)墻體分塊間距不超過10 mm。

移動LED墻運(yùn)動過程中具備主動防護(hù)檢測安全裝置，當(dāng)運(yùn)動部分觸碰到異物或人體時(shí)，設(shè)備立即停止。

移動LED墻正常運(yùn)動時(shí)如突發(fā)斷電，可手動啟閉，避免阻擋消防通道；設(shè)備突發(fā)異常，手動急停裝置可確保設(shè)備安全。

2.3 驅(qū)動裝置及導(dǎo)向裝置

驅(qū)動裝置高效可靠，啟停平穩(wěn)；皮帶、鏈條、鋼絲繩等柔性傳動機(jī)構(gòu)具有防松、張緊措施及必要的防水、防塵措施。

導(dǎo)向裝置確保支撐結(jié)構(gòu)有足夠剛性和精度，有調(diào)節(jié)措施及必要的防水、防塵措施避免導(dǎo)向精度受影響。

2.4 穩(wěn)定性與抗傾覆性能

1）整個(gè)墻體自動互鎖，以提高整個(gè)墻體的安全性和穩(wěn)定性。兩扇下部墻體移動至演出位置時(shí)，對接縫自動實(shí)施互鎖；上部墻體升至演出位置時(shí)，上下墻體對接實(shí)施自動互鎖；演出結(jié)束后，自動解除互鎖，便于分別移動。

2）下部墻體設(shè)置隱藏式防傾覆支撐腿。在兩扇下部墻體背后適當(dāng)部位各安裝兩條隱藏式支撐腿，不演出時(shí)收納在墻體內(nèi)；演出時(shí)，當(dāng)下部墻體拼合并互鎖后支撐腿自動伸出，與地面配套的定位電磁靴連接并鎖定；演出結(jié)束時(shí)，電磁靴斷電，支撐腿自動收回隱藏在墻體內(nèi)。

3）移動LED墻設(shè)置強(qiáng)風(fēng)自動警報(bào)和停演限制系統(tǒng)，一旦遭受五級或以上的強(qiáng)風(fēng)，系統(tǒng)自動報(bào)警，上部墻體降入存儲位置，停止演出。

必要的技術(shù)措施提高了移動LED墻的抗傾覆性能，該裝置在存放位置可抵御八級強(qiáng)風(fēng)，在演出時(shí)可抵御五級強(qiáng)風(fēng)。

3 機(jī)械設(shè)計(jì)深化方案

3.1 技術(shù)路線

技術(shù)路線如圖4所示。

圖4 移動組合墻體式LED屏技術(shù)路線圖

3.2 技術(shù)平臺

使用ProE、ANSYS及EPLAN等軟件。

3.3 技術(shù)參數(shù)

技術(shù)參數(shù)如表1所示。

4 墻體有限元法計(jì)算

墻體各單元的有關(guān)參數(shù)采用有限元法進(jìn)行計(jì)算。如圖5～圖11所示。

5 機(jī)械系統(tǒng)

5.1 連桿滑塊機(jī)構(gòu)

移動LED墻的兩扇墻體采用連桿滑塊機(jī)構(gòu)滑移，實(shí)現(xiàn)類似“公交車門”式的開閉運(yùn)動。墻體框架為不銹鋼材質(zhì)，連桿滑塊機(jī)構(gòu)及驅(qū)動結(jié)構(gòu)為碳鋼材質(zhì)。墻體開閉機(jī)構(gòu)示意圖見圖12。

圖12 墻體開閉機(jī)構(gòu)示意圖

兩扇墻體雖然運(yùn)動形式與“公交車門”開閉方式類似，但其結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式完全不同。單扇墻體需承受近10 kN的水平方向風(fēng)力載荷，以及負(fù)載懸挑較大的自重。

公交車門寬度小于高度，直線導(dǎo)向位于上方門框處。本項(xiàng)目考慮到大門處為消防通道，因此大門上方無法布置橫梁及軌道結(jié)構(gòu)；重載直線導(dǎo)向裝置如果布置在大門下方通道位置，則需要深挖基礎(chǔ)，且重載直線導(dǎo)向裝置有較高的剛性、防塵、防水要求，車輛碾壓道路、灰塵雨水等也會對導(dǎo)向裝置的正常使用和壽命造成較大影響；最重要的是，本項(xiàng)目下方有運(yùn)營的地鐵線路，深挖基礎(chǔ)受到一定限制。因此，最終決定將直線導(dǎo)向裝置布置在大門兩側(cè)。

兩扇墻體下部設(shè)置有彈性輪組，可分擔(dān)墻體自重，降低結(jié)構(gòu)的負(fù)載。

墻體開閉狀態(tài)如圖13～圖17所示。

5.2 升降運(yùn)動機(jī)構(gòu)

每扇墻體設(shè)有3個(gè)等寬度升降墻體分塊，可獨(dú)立定速升降。如圖18所示。演出面為透明聚碳酸酯板，背面為鋁合金或不銹鋼穿孔板。升降墻體分塊框架材質(zhì)為鋁合金，由直線導(dǎo)軌做導(dǎo)向，齒輪齒條傳動，減速電機(jī)驅(qū)動。

圖18 后視圖：升降墻體分塊上升上限位置

5.3 平移運(yùn)動機(jī)構(gòu)

升降墻體分塊上升至上限位置后，向前推移至下部墻體同一立面，確保水系統(tǒng)流動自然順暢。平移機(jī)構(gòu)使用斜槽導(dǎo)向裝置，與升降系統(tǒng)共用動力裝置。

5.4 安全裝置

5.4.1 安全防夾裝置

兩扇墻體閉合處設(shè)有防剪切裝置。當(dāng)墻體閉合時(shí)，觸碰到人體或其他異物，墻體閉合動作停止，防止造成人身傷害或設(shè)備損壞。

5.4.2 應(yīng)急開啟裝置

墻體設(shè)有手動開啟裝置。當(dāng)墻體閉合時(shí)發(fā)生異常斷電、火災(zāi)等突發(fā)狀況時(shí)，能夠確保證墻體在斷電狀況下手動開啟。

6 電氣控制系統(tǒng)

6.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由人機(jī)界面的控制臺、控制中心的故障安全型主PLC及網(wǎng)絡(luò)柜、墻體安裝的PLC子站、墻體開合電機(jī)驅(qū)動箱、墻體分塊升降電機(jī)驅(qū)動箱、機(jī)組供配電、急停鏈路、工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。控制中心預(yù)留外接指令接口接收協(xié)調(diào)指令。墻體供電、控制、網(wǎng)絡(luò)等線纜采用柔性移動線纜。

墻體開閉與墻體分塊升降驅(qū)動采用矢量變頻器控制電機(jī)及其制動器。檢測部件由位置檢測開關(guān)、電機(jī)編碼器、墻體邊緣檢測開關(guān)等構(gòu)成。

墻體內(nèi)置分布I/O控制站、矢量變頻器、能耗制動單元、驅(qū)動和控制線路、工業(yè)環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、急停鏈路及低壓電器等。系統(tǒng)由控制臺集中操作，控制臺兼具工作站和操作站功能。

6.2 功能與原理

控制臺具備工作站功能，能夠完成對各子站的編場、調(diào)度、時(shí)間軸支配下的軌跡規(guī)劃等任務(wù)，與主站PLC之間經(jīng)由工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)鏈接。限位開關(guān)常閉檢測、正常/短路/斷線的電流環(huán)法檢測、配套軟件測試等措施完備。調(diào)速、定位等節(jié)奏和順序的編場由控制臺獨(dú)立完成或按更上級的中控指令完成。

6.3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

通過電機(jī)矢量變頻器控制、PLC編程、現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通訊、本質(zhì)安全和安全完整性、閉環(huán)調(diào)速定位、電氣驅(qū)動與邏輯、電磁兼容等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

7 機(jī)械設(shè)計(jì)方案特點(diǎn)

★系統(tǒng)集成集散靈活，機(jī)械結(jié)構(gòu)重量輕；

★電機(jī)矢量變頻控制，變速段平滑、噪音低、安全性高；

★融合了實(shí)時(shí)時(shí)鐘同步的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通訊；

★基于網(wǎng)絡(luò)分布式子站和變頻器驅(qū)動；

★無源分光器內(nèi)置了PLC和其他控制功能，本地位置、速度和時(shí)間軸控制等；

★I/O擴(kuò)展能力、開關(guān)位置、數(shù)字位置；★具備安全扭矩停止功能（STO）；★內(nèi)部集成線性濾波器、制動斬波器；

★配置可視觸控屏上位機(jī)，系統(tǒng)操控時(shí)既可以作為控制客體也可以作為控制媒體，提供了中控實(shí)現(xiàn)的手段。

通過對移動組合墻體式LED屏機(jī)械設(shè)計(jì)方案解析，分解原理構(gòu)造，明晰設(shè)計(jì)理念，為類似機(jī)械設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)，提供參考。