升降舞臺的研究現狀及發展趨勢

胥世琳，費葉琦，2*，馬竹樵，潘知瑤，劉雨浩，閆業斌

（1.南京理工大學紫金學院 智能制造學院，南京 210046；2.南京林業大學 機械電子工程學院，南京 210037；3.上海普密德自動化科技有限公司，上海 200000）

升降舞臺是舞臺機械臺下設備中應用最廣泛的機構之一，可以快速轉換布景，根據實際需要配合舞美需求改變舞臺高度，在場景轉換時移動布景和演員、豐富舞臺表演形式上有著極其重要的作用。隨著我國文化建設不斷進步，人們生活水平不斷提高，越來越多的人走進劇院，追求精神上的娛樂。為了滿足更多觀眾的需求，提高表演質量，需要進一步提高舞臺機械的控制精度。因此升降舞臺技術的提高顯得極為重要。

1 發展歷程

從手搖舞臺到現代機械化舞臺，隨著科學技術的發展，舞臺機械技術水平得到了極大的豐富和發展，同時一些高新技術和控制系統在其中得到了應用。

1.1 國外發展歷程

隨著科學技術的發展，在改造已有劇院的基礎上，國外進一步優化舞臺機械結構，更加重視舞臺機械的監測系統，以確保舞臺的安全性。

2017年改造完成的德累斯頓文化宮[1]，其現有音樂廳演奏臺均采用剛性鏈驅動，大幅提高了升降臺的升降行程，同時滿足了多種表演類形式演出對于舞臺的要求，提高了舞臺的利用率。Melnikov等[2]使用聲學超材料包裹齒輪箱，能夠在保證良好通風的情況下有效隔絕升降舞臺齒輪箱所產生的噪聲。古川晃等[3]發明的電動驅動裝置，擁有2組定子繞組并通過多個微處理器互相協作，當其中一個定子繞組發生異常時，可以利用另一個正常定子繞組來繼續進行控制，保證了升降舞臺電動驅動系統的正常運行。Crivelli等[4]采用聲發射技術監測升降舞臺機構，尤其是齒輪和軸承，通過監測聲波識別機構中是否存在損傷。Benmahdjoub等[5]提出了一種基于樹莓派的智能保護裝置，通過實時通信系統，在并聯交流發電機出現故障的情況下向終端設備發出警告。實現了更高效的升降舞臺的監控系統。Rodriguez-Jorge等[6]通過實時監測升降舞臺機械的振動信號來判斷機械結構是否存在故障，如果存在異常振動系統將實時發出警告。

近年來，國外舞臺設計公司更加重視升降舞臺的安全性能，一方面進一步優化舞臺機械的結構設計，一方面開始研發更加安全可靠的舞臺機械檢測設備。一些新型的檢測理念，如無損檢測，開始在舞臺機械中被體現。同時新的復合材料為舞臺機械的降噪提供了新的思路。

1.2 國內發展歷程

國內舞臺發展起步較晚，新中國成立以后，由國家建造了第一批現代劇院。為了展現更好的演出效果，我國舞臺機械水平不斷提高。

杭州大劇院的主升降臺[7]首次采用受額定拉力不會產生拉伸變形的特殊處理鋼絲繩作為升降臺的牽引裝置。使用時穩定性好，有較好的噪聲隔絕技術，減少了對舞臺表演的影響。其主升降臺采用完全閉環控制系統，并在兩側安裝高精度導軌，保證了升降臺在工作時的同步性和穩定性。火照晶[8]在剪撐機構的升降臺中增加剛性鏈，有效限制了升降臺在運動中的水平位移，保障了演員的安全。李陽等[9]設計的無極差動臺階升降臺，結構緊湊小巧，通過配置隨動定位導向滑槽保證了升降臺相互之間的高差始終相等，實現了以階梯結構或者平臺形式整體升降。周厚金等[10]設計了具有柔性效果的鏈輪鏈板驅動裝置，在保證運動精度的同時，減小了升降舞臺的基坑深度。

李煒等[11]在速度并聯同步控制的基礎上借助干擾觀測器，同時采用位置輸出耦合補償控制，減小位置同步誤差，實現多個升降舞臺的同步控制。葉兵兵等[12]設計的雙動力頭舞臺液壓傳動系統保險措施，其中一個動力元件出現故障時能立即使用另一個進行工作，使得整個裝置具有更佳的安全保障。曹毅[13]提出的同步液壓控制系統具有備糾偏功能，通過在每個分流油路并聯一個糾偏回路和配置位移傳感器，使各液壓缸位移一致，從而保證升降舞臺同步。沙寶銀[14]采用高頻電液比例方向閥作為液壓系統的執行元件，在閉環系統中采用高精度位移傳感器進行反饋，對同步過程進行實時調整，減小了升降臺的誤差。江蘇大劇院的戲劇廳[15]采用CAT（計算機輔助劇院）舞臺機械控制系統，相較于國產的神州3000系統，該系統更加穩定，能夠快速編寫程序，為演出的前期準備帶來便捷。高偉等[16]在液壓缸的活塞桿端部設置位移傳感器，保證了多個液壓缸的運行速度同步，提高穩定性的同時減少了舞臺升降過程中的噪音。劉榛等[17]在電動機上增加變頻器接受并處理信號，來調整所述電動機的轉速，使得多個所述升降臺之間的升降速度可以保持一致。

目前國內升降舞臺采用的主要結構形式有：鋼絲繩牽引式、液壓剪刀撐式和齒輪齒條爬升式。這幾種機構的機械傳動裝置和液壓系統相對孤立，沒有綜合兩者的優點。同時控制系統作為同步升降系統的核心在國內舞臺并沒有引起足夠的重視，雖然大型劇院基本采用了安全可編程邏輯控制器（PLC）系統或軸控制器系統進行控制，但是其他小型劇院的控制系統與國外安全完整性等級SIL3的要求仍有一定差距。

2 存在的問題

我國劇院已經基本完成了自動化的變革，但是升降舞臺仍然存在下列問題。

2.1 部分舞臺升降機構存在安全隱患

例如為了避免偏載對升降舞臺液壓系統造成過大影響，會采用雙缸頂升、雙剪叉撐的結構形式。頂升機構在液壓缸升降過程中，隨叉架角度變化較大，液壓缸負載出現偏心現象，容易導致密封圈失效，影響液壓缸的正常工作。同時多缸液壓系統難以保證絕對的同步，輕則造成舞臺傾斜影響演出效果，重則造成安全事故。

2.2 很少采用機械傳動裝置配合液壓系統的形式

目前我國較多使用的幾種升降方式都有其獨特的優缺點，例如鋼絲繩升降重復定位精度較差但是減少了噪聲對演出的干擾；液壓對舞臺地基要求較高，同時存在漏油污染的危險，但其傳動平穩性遠高于鋼絲繩升降裝置。如果做到機械傳動和液壓系統相互配合，不僅能夠使升降舞臺在保證安全的情況下平穩運行，減少噪聲對演出的影響，還能提高舞臺的重復定位精度。

2.3 國內舞臺機械系統與國外在控制系統方面存在差距

目前國內大型劇院舞臺控制系統以PLC為主，但是由于現場組態的要求，需要攜帶大量的設備，在靈活性上略顯遜色。歐洲國家采用的是為舞臺機械控制專門開發的軸控制器，產品完全符合SIL3的要求。以SBS公司開發的COSTACOwinR系統為例，系統可按每個模塊的順序逐個調整，迅速重新搭建系統，也可以向系統內加入其他專業設備并保證使用的安全。

3 解決的途徑

針對上述問題，可以在以下幾個方面進行優化。

3.1 對現有舞臺的液壓系統進行改良

由于液壓缸不能受彎矩作用，所以在結構設計上需要格外注意。隨著消除偏心彎矩機構的發展，萬向節已經在機械行業中被廣泛使用并規模化生產，使用這樣的小型機構可以進行結構優化、延長舞臺液壓系統的使用壽命。

3.2 發展液壓與機械傳動相結合的結構形式

綜合機械和液壓有各自的優點，可利用液壓低速大功率調速平穩、機械傳動制動可靠的長處，彌補各自的不足。工程機械上液壓和機械傳動相結合的方式更為成熟，例如新型的垂直缸剪式液壓升降舞臺不會出現懸臂狀態失衡的狀況，有效增加了升降臺的工作行程。機械系統和液壓系統二者相互作用，能夠更好地使升降臺平穩運行，有效保障演出人員的安全，確保演出順利進行。

3.3 加大PLC或軸控制器等控制系統的應用，提高控制精度

由于科技的發展，傳感器的發展非常迅速，成本也較從前有明顯下降。目前機械行業已經開始運用位移傳感器或力傳感器來提高同步控制系統的精確度和靈敏度。在冶金等行業得到廣泛運用的同步馬達多缸同步控制系統，具有糾偏功能。每個液壓缸設置糾偏回路，通過各糾偏回路與對應位移傳感器的配合，增加了系統的冗余度，提高了對設備偏載的適應性，獲得很高的同步精度。

4 未來發展趨勢

隨著我國行業標準的進一步規范，機械制造工藝不斷提高，升降舞臺發展趨勢主要體現在提高升降舞臺系統總體的安全性和靈活性上。

完善臺上臺下系統的急停按鈕，對所有設備設置限位開關，以及增設自動糾偏裝置都可以增加系統的安全可靠性。增設普遍被用于航天、航空等重要領域的冗余技術也是提高控制系統可靠性的一種有效手段。由于搭建PLC系統相對簡單，價格較為便宜，目前我國舞臺機械控制系統主要基于PLC，雖然能夠達到SIL3的要求但相較于為舞臺機械開發的軸控制器來說缺少即插即用的靈活性。專用軸控制器能夠適合各種調速控制系統，并在內集成安全功能，在確保設備在安全運行范圍內的同時，避免非故意的危險動作。合理配置控制系統將是今后研究的重點。

5 結束語

本文概括了近年來升降舞臺的發展歷程，敘述了目前升降舞臺存在的問題并提出了解決方案，最后展望了我國升降舞臺的發展方向。通過對國內外升降舞臺現狀進行總結，突出同步控制系統對現代舞臺的重要性。

由于科學技術的發展及對文化建設的逐漸重視，演義與機械等行業的不斷深入溝通。隨著不同行業新技術的融合，現代舞臺技術在升降結構及同步控制系統上都會有新的突破。