移動(dòng)組合墻體式LED屏的機(jī)械設(shè)計(jì)方案解析

馬繼革

【摘要】移動(dòng)組合墻體式LED屏將機(jī)械、LED屏、水景、智能化控制相結(jié)合，配合音響、燈光等，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)藝術(shù)演繹。本文解析該裝置的機(jī)械設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】LED屏;有限元設(shè)計(jì);墻體滑移機(jī)構(gòu);垂直升降機(jī)構(gòu);控制系統(tǒng)

DOI：10.3969/j.issn.1674-8239.2021.12.011

Analysis Of Mechanical Design Scheme Of Mobile Combination Wall LED Screen

MA Ji-ge

（Landsky Technology Group Co.，Ltd，Beijing 100107，China）

【Abstract】Mobile combination wall LED screen combines machinery，LED screen，waterscape，intelligent control，with sound and lighting to achieve dynamic artistic performance. This paper analyzes the mechanical design scheme of the device.

【Key Words】LED screen;finite element design;sliding mechanism of wall;vertical lifting mechanism;control system

移動(dòng)組合墻體式LED屏（以下簡稱“移動(dòng)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(dòng)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(dòng)LED墻收放在圍墻內(nèi)兩側(cè)，有演出時(shí)通過電動(dòng)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(dòng)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(dòng)就位見圖1。

1.3水元素

移動(dòng)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。

2機(jī)械裝置

2.1墻體構(gòu)造

移動(dòng)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(dòng)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20 s;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(dòng)LED墻運(yùn)動(dòng)過程中具備主動(dòng)防護(hù)檢測安全裝置，當(dāng)運(yùn)動(dòng)部分觸碰到異物或人體時(shí)，設(shè)備立即停止。

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

2.3驅(qū)動(dòng)裝置及導(dǎo)向裝置

驅(qū)動(dòng)裝置高效可靠，啟停平穩(wěn);皮帶、鏈條、鋼絲繩等柔性傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)至演出位置時(shí)，對接縫自動(dòng)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(dòng)互鎖;演出結(jié)束后，自動(dòng)解除互鎖，便于分別移動(dòng)。

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(dòng)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(dòng)收回隱藏在墻體內(nèi)。

3）移動(dòng)LED墻設(shè)置強(qiáng)風(fēng)自動(dòng)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(dòng)報(bào)警，上部墻體降入存儲(chǔ)位置，停止演出。

必要的技術(shù)措施提高了移動(dòng)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。

3.2技術(shù)平臺(tái)

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(dòng)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(dòng)。墻體框架為不銹鋼材質(zhì)，連桿滑塊機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)為碳鋼材質(zhì)。墻體開閉機(jī)構(gòu)示意圖見圖12。

兩扇墻體雖然運(yùn)動(dòng)形式與“公交車門”開閉方式類似，但其結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)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(huì)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(dòng)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(dòng)，減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

5.3平移運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(tái)、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(dòng)箱、墻體分塊升降電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)線纜。

墻體開閉與墻體分塊升降驅(qū)動(dòng)采用矢量變頻器控制電機(jī)及其制動(dòng)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(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)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(tái)集中操作，控制臺(tái)兼具工作站和操作站功能。

6.2功能與原理

控制臺(tái)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(tái)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(dòng)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(dòng);

★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(dòng)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(dòng)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。