移动组合墙体式LED屏的机械设计方案解析

文章转载自：演艺科技传媒 作者：马继革 

移动组合墙体式LED屏（以下简称“移动LED墙”）项目位于北京市海淀区青龙桥街道颐和园路33号的光科技馆正南门内侧，是为实现“园区秀”展演开关门的仪式感而专门设计，于2020年10月投用。移动LED墙由左右两扇墙体对拼组成，墙体部分的材质为304不锈钢与LED造型屏相结合。每扇墙体分为上下两部分，组合完成后整体高度4 m，最大宽度8 m。没有演出时移动LED墙收放在围墙内两侧，有演出时通过电动装置将其滑移至道路中央组合成墙体式LED屏，配合灯光和水系统达到综合演绎效果。投用至今，运行状况良好，达到预期使用要求。

1 设计需求

1.1 遮蔽性

移动LED墙安装在光科技馆南门入口通道伸缩门内，由两扇对开墙体组成。演出时面向人行道，起到遮蔽“圣火之光”雕塑的作用。

1.2 时限性

两扇墙体白天存放在通道两侧，晚上演出时从两侧滑移至道路中间，组合成墙体式LED屏，演出完成退回到原来位置。移动就位见图1。

图1 墙体移动就位

1.3 水元素

移动LED墙顶部安装水管，呈现水瀑表现模式。

1.4 机械感

墙体上层可实现分段升降排列组合效果，下降后落藏到下层墙体内。上升过程见图2，组合完成见图3。

图2 上部墙体上升过程    图3 移动LED墙组合完成

2 机械装置

2.1 墙体构造

移动LED墙整体分上下两部分：下部墙体由左右两扇各自宽度为4.0 m、高度为2.0 m、厚度为 0.8 m的空心墙体对拼组成；上部墙体均分为6块，左右两侧各3块，不演出时隐藏在下部墙体腔内，演出时待下部墙体就位后从墙体腔内升到4.0 m高度，组合成墙体式LED屏。

墙体正面有椭圆形镂空造型，每块墙板上的椭圆形造型切割曲线顺序连贯，不因为拼装缝隙而影响其连贯性；正反面的亚光不锈钢面板铺装平整度达到国家标准要求；安装LED 屏的上部墙体分块，其墙体背板可拆卸，便于LED 屏拆装检修。

2.2 运动方式及技术要求

两扇下部墙体采用连杆滑块机构，实现类似公交车门的开闭方式，开闭时间不超过20s；上部墙体的升降机构将其从下部墙体腔内升到演出高度，时间约10 s；推移定位机构将上部墙体推移到与下部墙体同一立面。上部墙体就位后，与下部墙体间的缝隙不超过LED屏拼装模块的间隙，即3 mm；墙体6个墙体分块间距不超过10 mm。

移动LED墙运动过程中具备主动防护检测安全装置，当运动部分触碰到异物或人体时，设备立即停止。

移动LED墙正常运动时如突发断电，可手动启闭，避免阻挡消防通道；设备突发异常，手动急停装置可确保设备安全。

2.3 驱动装置及导向装置

驱动装置高效可靠，启停平稳；皮带、链条、钢丝绳等柔性传动机构具有防松、张紧措施及必要的防水、防尘措施。

导向装置确保支撑结构有足够刚性和精度，有调节措施及必要的防水、防尘措施避免导向精度受影响。

2.4 稳定性与抗倾覆性能

1）整个墙体自动互锁，以提高整个墙体的安全性和稳定性。两扇下部墙体移动至演出位置时，对接缝自动实施互锁；上部墙体升至演出位置时，上下墙体对接实施自动互锁；演出结束后，自动解除互锁，便于分别移动。

2）下部墙体设置隐藏式防倾覆支撑腿。在两扇下部墙体背后适当部位各安装两条隐藏式支撑腿，不演出时收纳在墙体内；演出时，当下部墙体拼合并互锁后支撑腿自动伸出，与地面配套的定位电磁靴连接并锁定；演出结束时，电磁靴断电，支撑腿自动收回隐藏在墙体内。

3）移动LED墙设置强风自动警报和停演限制系统，一旦遭受五级或以上的强风，系统自动报警，上部墙体降入存储位置，停止演出。

必要的技术措施提高了移动LED墙的抗倾覆性能，该装置在存放位置可抵御八级强风，在演出时可抵御五级强风。

3 机械设计深化方案

3.1 技术路线

技术路线如图4所示。

图4 移动组合墙体式LED屏技术路线图

3.2 技术平台

使用ProE、ANSYS及EPLAN等软件。

3.3 技术参数

技术参数如表1所示。

4 墙体有限元法计算

墙体各单元的有关参数采用有限元法进行计算。如图5～图11所示。

5 机械系统

5.1 连杆滑块机构

移动LED墙的两扇墙体采用连杆滑块机构滑移，实现类似“公交车门”式的开闭运动。墙体框架为不锈钢材质，连杆滑块机构及驱动结构为碳钢材质。墙体开闭机构示意图见图12。

图12 墙体开闭机构示意图

两扇墙体虽然运动形式与“公交车门”开闭方式类似，但其结构、驱动方式完全不同。单扇墙体需承受近10 kN的水平方向风力载荷，以及负载悬挑较大的自重。

公交车门宽度小于高度，直线导向位于上方门框处。本项目考虑到大门处为消防通道，因此大门上方无法布置横梁及轨道结构；重载直线导向装置如果布置在大门下方通道位置，则需要深挖基础，且重载直线导向装置有较高的刚性、防尘、防水要求，车辆碾压道路、灰尘雨水等也会对导向装置的正常使用和寿命造成较大影响；最重要的是，本项目下方有运营的地铁线路，深挖基础受到一定限制。因此，最终决定将直线导向装置布置在大门两侧。

两扇墙体下部设置有弹性轮组，可分担墙体自重，降低结构的负载。

墙体开闭状态如图13～图17所示。

5.2 升降运动机构

每扇墙体设有3个等宽度升降墙体分块，可独立定速升降。如图18所示。演出面为透明聚碳酸酯板，背面为铝合金或不锈钢穿孔板。升降墙体分块框架材质为铝合金，由直线导轨做导向，齿轮齿条传动，减速电机驱动。

图18 后视图：升降墙体分块上升上限位置

5.3 平移运动机构

升降墙体分块上升至上限位置后，向前推移至下部墙体同一立面，确保水系统流动自然顺畅。平移机构使用斜槽导向装置，与升降系统共用动力装置。

5.4 安全装置

5.4.1 安全防夹装置

两扇墙体闭合处设有防剪切装置。当墙体闭合时，触碰到人体或其他异物，墙体闭合动作停止，防止造成人身伤害或设备损坏。

5.4.2 应急开启装置

墙体设有手动开启装置。当墙体闭合时发生异常断电、火灾等突发状况时，能够确保证墙体在断电状况下手动开启。

6 电气控制系统

6.1 系统组成

该系统由人机界面的控制台、控制中心的故障安全型主PLC及网络柜、墙体安装的PLC子站、墙体开合电机驱动箱、墙体分块升降电机驱动箱、机组供配电、急停链路、工业以太网络、工业现场网络构成。控制中心预留外接指令接口接收协调指令。墙体供电、控制、网络等线缆采用柔性移动线缆。

墙体开闭与墙体分块升降驱动采用矢量变频器控制电机及其制动器。检测部件由位置检测开关、电机编码器、墙体边缘检测开关等构成。

墙体内置分布I/O控制站、矢量变频器、能耗制动单元、驱动和控制线路、工业环网网络、急停链路及低压电器等。系统由控制台集中操作，控制台兼具工作站和操作站功能。

6.2 功能与原理

控制台具备工作站功能，能够完成对各子站的编场、调度、时间轴支配下的轨迹规划等任务，与主站PLC之间经由工业控制网络链接。限位开关常闭检测、正常/短路/断线的电流环法检测、配套软件测试等措施完备。调速、定位等节奏和顺序的编场由控制台独立完成或按更上级的中控指令完成。

6.3 技术实现

通过电机矢量变频器控制、PLC编程、现场网络通讯、本质安全和安全完整性、闭环调速定位、电气驱动与逻辑、电磁兼容等技术实现。

7 机械设计方案特点

★系统集成集散灵活，机械结构重量轻；

★电机矢量变频控制，变速段平滑、噪音低、安全性高；

★融合了实时时钟同步的现场网络通讯；

★基于网络分布式子站和变频器驱动；

★无源分光器内置了PLC和其他控制功能，本地位置、速度和时间轴控制等；

★I/O扩展能力、开关位置、数字位置；★具备安全扭矩停止功能（STO）；★内部集成线性滤波器、制动斩波器；

★配置可视触控屏上位机，系统操控时既可以作为控制客体也可以作为控制媒体，提供了中控实现的手段。

通过对移动组合墙体式LED屏机械设计方案解析，分解原理构造，明晰设计理念，为类似机械设计方案的设计积累经验，提供参考。