動態變形墻的設計與實現

宋海軍，杜云龍，黃傳金

（ 1.中州大學 工程技術學院，鄭州 450044；2.鄭州機械研究所，鄭州 450000）

0 引言

動態變形墻展現的是機械運動與動態圖像之間的關系，利用氣動原理產生機械運動[1]，在墻面上形成動態圖像，主要用于為游客展示各種各樣的立體圖像，使游客對圖像的認識從平面走向立體，并能夠與游客互動，使游客可以從觸覺上感受圖像變化的美妙。動態變形墻還采用全自動控制系統，可以在無人操作情況下連續運行，并不斷地變換展示內容，呈現出千變萬化的動態效果，具有很高的科教性、觀賞性和娛樂性，已成為公共空間的亮點。

1 動態變形墻的功能和工作原理

1.1 動態變形墻的功能

動態變形墻展項的主要功能包括：

1）可以通過面板的凸凹表現出各種靜止的畫面；

2）可以通過面板的凸凹變化表現出不斷變化的畫面；

3）可以通過凸起面板的移動表現出向各個方向運動的畫面；

4）工作人員的根據自己的想法編輯需要顯示的各種圖像；

5）可以展示不同運動速度的畫面；

6）游客可以將身體靠在動態變形墻墻面，感受動態變形墻的推動效果。

1.2 動態變形墻的工作原理

動態變形墻的設計運用了氣動系統、機械運動機構和電氣控制系統。動態變形墻各組成部件的系統連接圖如圖1所示。

圖1 動態變形墻部件組成圖

動態變形墻的設計利用氣動驅動原理，推動32行×11列共352個氣缸伸縮運動，并由工控機自動控制的三位五通電磁閥決定了氣缸的運動和方向[2]，形成生動流暢的動態立體圖像。同時動態變形墻具有非常完善的擴展功能，能夠形成豐富的圖像。其墻面由一種自主研發的柔性高分子復合材料組成，具有金屬質感，但觸摸時會發現其質地非常柔軟，具有很高的安全性。

2 動態變形墻的機械系統

動態變形墻的機械系統包括：墻體機架、氣缸固定單元和矩陣墻體表面。

2.1 墻體機架

該機架為動態變形墻主體結構，由于展項總高3.71米，長9.6米，厚1米，考慮到公路運輸和進入科技館的通行尺寸及方便安裝，將該機架分解為四個3.57米×2.4米×0.5米的機架。由于變形墻厚度僅為0.5米，為防止傾倒及使用現場地板承載限制，在墻體下方設總長9.6米、寬1米，高0.14米的地座與墻體剛性連接，以保證墻體的穩定性。底座也分解為四個，長度為2.4米，便于運輸和搬運進入安裝現場。

2.2 氣缸固定單元

氣缸前端連接一個圓盤，四根彈簧十字交叉鉤掛在圓盤上，彈簧另一端連接到機架。氣缸后端用螺母及大墊片加緊固定在橡膠板上，橡膠板再與機架固定。從而形成氣缸的柔性支撐，以減少沖擊噪聲和氣缸橫向力。

2.3 矩陣墻體表面設計及材料

墻體面板全部是直角等腰三角形，共計有2816片，每八片為一組，組成300x300mm的方形，該方形以陣列（11行，32列）組成高3.3米、寬9.6米的變形墻面。

圖2 動態變形墻的電控系統結構圖

為確保觀眾在參觀及與展項互動時的安全，材料采用特制的柔性聚氨酯模壓制品。為了改善墻面材料的質感，在材料中加入鋁粉，可以產生金屬美感。為防止面板靜電吸附灰塵，在材料中或在表面噴涂抗靜電劑。為防火，在材料中還添加有阻燃助劑。

3 氣動系統

氣動系統包括：空壓機、前置儲氣罐、油分離器、一級過濾、冷卻干燥機、二級精濾、后置儲氣罐、調壓閥、設備現場的儲氣罐、電磁閥、氣缸、管路系統等。空壓機、油分離器、一級過濾、冷卻干燥機、二級過濾、兩級儲氣罐、精密調壓閥布置在空壓機房，現場儲氣罐與電磁閥、氣缸都布置在機架內。現場所有電磁閥排出的空氣均匯總到設定的管道引至空壓機房集中排放（將排放噪音引到機房釋放）。電磁閥兩個一組布置在所控制的兩個氣缸中間，所有氣管和電纜均沿著機架用管卡或線槽規則布置，整齊劃一。電控系統的總線端子模塊也按此要求整齊安裝在機架背后。

4 控制系統

控制系統包括人機交互計算機系統、實時控制計算機系統、EtherCAT現場總線端子模塊[3,4]和I/O端子、電源模塊和控制電路、氣缸電磁閥、位置開關傳感器、開發平臺和操作軟件等組成，電控系統的結構圖如圖2所示。

4.1 人機交互計算機系統（簡稱上位機）

由工控機、以太網卡、24寸液晶顯示器、鍵盤、鼠標等組成。上位機主要具有三大功能：

1）作為系統的人機交互界面（動態墻面編輯）；

2）動態畫面造型模擬顯示、數據庫的生成和管理（包括通過以太網總線將數據發送給執行控制的下位機）；

3）通過以太網總線接受科技館控制中心的指令或上傳展品的運行狀況。

4.2 實時控制計算機系統（簡稱下位機）

由工控機、工業以太網卡、24寸液晶顯示器、鍵盤、鼠標等組成。下位機主要具有五大功能：

1）將動態畫面造型信號（以太網總線傳來的上位機數據）的轉換處理為控制信號；

2）控制信號數據庫的存儲；

3）動態變形墻控制信號的實時控制和輸出（通過工業以太網到Ether CAT現場總線端子站）；

4）控制和驅動系統故障的自動檢測和診斷、執行元件動態性能的自動在線測試和動力電源控制；

5）外部傳感控制信號實時轉換處理和輸出（拓展功能）。

4.3 EtherCA T現場總線端子站模塊和I/O端子

共由5個端子站模塊組成（編號為0#～05#），其中0#為電源、氣源控制檢測模塊，01#～04#為氣缸的控制和檢測模塊。

0#模塊配置有16路數字I/O和2路模擬輸入，數字I/O分別用于操作臺對展品處電源開關的遠程控制、電源檢測以及系統工作狀態指示、故障報警指示等；兩路模擬輸入I/O用來監測展品氣源進口壓力和執行機構管路上的氣壓。

01#～04#的每個端子站上配置有176個輸出和端子176個輸入端子。每個端子站的輸出、輸入端子分別用來控制和檢測88路氣缸電磁閥的動作及動作位置。控制的指令來自于下位機（端子站之間通過工業以太網線相連并連接到下位機工業以太網卡）；檢測到的信號也傳送到下位機。

4.4 電源模塊和控制電路

包括直流電源模塊、監測電路和電源控制電路等。

直流電源模塊由4塊DC24V/720W開關電源組成，分別為352只氣缸電磁閥和352×2只位置開關傳感器提供工作電源。

監測電路用來檢測和指示動力系統的故障，其包括：

1）電壓報警指示燈電路；

2）氣源、氣路壓力傳感器（變送器）、報警指示燈電路；

3）報警、工作狀態指示燈。

電源控制電路包括：驅動總電源斷路器、總電源交流接觸器、監控電路直流電源模塊、繼電器、12路直流電源模塊斷路器和電源指示燈電路等。

4.5 氣缸電磁閥、位置開關傳感器

氣缸電磁閥共352×2只，工作電壓為DC24V，分別用來驅動352個氣缸的動作。

位置開關傳感器共352×2只，每個氣缸上兩只，分別用來檢測氣缸動作時的兩個工作位置的到位情況，位置開關傳感器不僅用來作為自檢信號，而且還被用于測試氣缸的平均工作速度。

5 上位機操作系統、開發平臺和控制軟件

上位機操作系統采用Windows XP，軟件開發平臺采用微軟的VC++ 。控制軟件為針對上位機功能開發的專用軟件包。

下位機操作系統、開發平臺和控制軟件。下位機操作系統采用Windows XP，軟件開發平臺采用德國倍福（BECKHOFF）的Twin CAT。控制軟件為針對下位機功能開發的專用軟件包。

電控系統布置劃分兩部分，即展品處電控元器件部分和操作臺部分。展品處電控元器件部分位于展品機架結構后面，包括：墻體驅動機構上的氣缸電磁閥（352個）、位置開關傳感器（704個）；氣路上的壓力變送器（兩個）、氣源進口壓力變送器（一個）；總線端子站、端子和電源模塊（6路）；電源控制電路（一個電控箱）。

6 結論

本文首次提出了通過動態變形墻來展現動態立體圖像，在動態變形墻的設計中利用氣動原理產生機械運動，在墻面上形成動態圖像；設計了動態變形墻的氣動系統、機械運動機構和電氣控制系統。動態變形墻已成功運用于中國科學技術館新館的公共展覽空間（如圖3所示），取得了良好的效果。

圖3 動態變形墻的實際效果圖

[1] SMC (中國)有限公司.現代實用氣動技術[M].北京: 機械工業出版社, 2003.

[2] 焦素娟, 孟國香.氣動換向閥流量特性實驗研究[J].機床與液壓, 2006, 8: 94-95.

[3] 劉艷強, 黃帥, 馬秋霞.基于工業以太網EtherCAT的DCS控制系統設計[J].制造業自動化, 2010, 32(11): 21-23.

[4] 單春榮, 劉艷強, 郇極.工業以太網現場總線EtherCAT及驅動程序設計[J].制造業自動化, 2007, 11: 79-82.