李利 杜安坤 蔡朝陽 王強(qiáng) 高松松 劉增

[摘要]介紹國慶70周年聯(lián)歡活動上，“美好家園”和“牡丹盛開”兩個主題篇章共14套三維動態(tài)煙花燃放裝置的技術(shù)原理和設(shè)計(jì)原則。

[關(guān)鍵詞]國慶70周年;煙花樹;三維動態(tài)煙花燃放裝置;技術(shù)原理;機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì);電氣控制技術(shù)

文章編號：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.11.004

1前言

2019年10月1日晚，慶祝中華人民共和國成立70周年聯(lián)歡活動在北京天安門廣場舉行。七棵驚艷的煙花樹揭開神秘的面紗，三組動態(tài)焰火依次生動演繹“美好家園“牡丹盛開“欣欣向榮”三個主題，烘托出舉國同慶的熱烈氣氛。

“鐵樹銀花”的創(chuàng)意設(shè)計(jì)，由焰火總設(shè)計(jì)師蔡國強(qiáng)及其團(tuán)隊(duì)完成。每棵煙花樹是一個三維動態(tài)煙花燃放裝置，高25m，在三個象限中安裝不同主題的煙花裝置。當(dāng)共同表現(xiàn)一個主題畫面時，七棵樹統(tǒng)一旋轉(zhuǎn)到該主題象限，樹上的7套煙花裝置同時點(diǎn)燃。

北京東方高科舞臺科技有限公司承擔(dān)“美好家園”（圖1）和“牡丹盛開”（圖2）兩個主題篇章共14套三維動態(tài)煙花燃放裝置的研發(fā)設(shè)計(jì)、制作安裝、電氣控制、技術(shù)保障等工作，達(dá)到預(yù)期藝術(shù)效果，圓滿完成任務(wù)。

三維動態(tài)煙花燃放裝置，是一種專用于景觀煙花燃放的機(jī)械裝置，裝置中包含多個金屬網(wǎng)幕架，網(wǎng)幕架上鋪設(shè)特效景觀煙花管和點(diǎn)火線，通過電機(jī)驅(qū)動一系列機(jī)構(gòu)，帶動網(wǎng)幕架實(shí)現(xiàn)各種三維運(yùn)動，呈現(xiàn)出三維動態(tài)煙花效果。本文對三維動態(tài)煙花燃放裝置的技術(shù)原理進(jìn)行解析。

2“美好家園”篇章的實(shí)現(xiàn)

“美好家園”主題用兒童畫的表現(xiàn)手法，引入花鳥魚蟲、人與環(huán)境等眾多元素，構(gòu)成一幅自然和諧、生動活潑、天真爛漫的美好家園風(fēng)光。為實(shí)現(xiàn)歡快的主題效果，要求每套裝置都能動起來，在12m×18m（寬×高）的范圍內(nèi)盡情玩耍。元素不同，動作各不相同，運(yùn)動形式有旋轉(zhuǎn)、開合、平移、升降、搖擺，以及各種動作組合，例如風(fēng)箏搖擺，小孩邁步，水母一邊上升一邊擺動觸須，小鳥和蜻蜓一邊旋轉(zhuǎn)一邊扇動翅膀，鯨魚先在水面噴水然后下沉變成“蛟龍?zhí)枴睗撏А乇姸唷幼鞣彪s，正是這個主題實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)。所以說，“美好家園”主題是三個主題中技術(shù)難度最大的。

為解決上述難題，技術(shù)人員對技術(shù)方案進(jìn)行反復(fù)的討論、嚴(yán)格的論證，將動作歸納為旋轉(zhuǎn)、開合、平移、升降、搖擺等幾類，分門別類制定適合的傳動方案，以達(dá)到以下幾個主要目標(biāo)：

（1）采用成熟通用、安全可靠的傳動系統(tǒng)。

（2）電機(jī)數(shù)量最少，且工作過程中不換向。

（3）終端結(jié)構(gòu)輕巧，根部結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。

（4）分塊數(shù)量少，便于吊裝、拆卸、換藥、運(yùn)輸。

“美好家園”主題裝置技術(shù)參數(shù)與實(shí)現(xiàn)方案見表1，效果圖和方案圖見圖3。

3“牡丹盛開”篇章的實(shí)現(xiàn)

國花牡丹，萬花之王，雍容華貴，國色天香，寓意吉祥富貴、幸福美滿?！澳档な㈤_”這組畫面，將大小牡丹花以不同的高度、仰角、偏角、偏距安裝在七棵樹上（圖4），動作大開大合，此起彼伏，配合煙花變色，既富麗端莊又不失靈動，正是“唯有牡丹真國色，花開時節(jié)動京城”。

這組裝置中，包含5朵大牡丹花和4朵小牡丹花，以及鑲嵌有花苞、葉子的固定網(wǎng)幕架。大牡丹花重2.8t，分三層花瓣，每層6片，展開直徑約10.6m，合攏直徑約7m，外層花瓣開合62.5°，中層和內(nèi)層花瓣隨動，全程開合4次。小牡丹花重1.2t，分兩層花瓣，每層6片，展開直徑約7.6m，合攏直徑約4.4m，外層花瓣開合62.5°，內(nèi)層花瓣隨動，全程開合4次。

在大小牡丹花的設(shè)計(jì)過程中，采取的設(shè)計(jì)思路和技術(shù)措施如下。

（1）模塊化設(shè)計(jì)，采用相同的結(jié)構(gòu)形式，便于制作和安裝。底盤統(tǒng)一采用六邊形結(jié)構(gòu)，周邊安裝封閉傳動軸系，傳動軸上安裝六個外層大花瓣。

（2）外層大花瓣呈雙曲面形式，既要美觀，又不能干涉。采用三維動態(tài)設(shè)計(jì)手段進(jìn)行花瓣曲面外觀設(shè)計(jì)，同時進(jìn)行運(yùn)動干涉檢查和動力學(xué)機(jī)構(gòu)分析，為驅(qū)動和傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參數(shù)依據(jù)。

（3）一臺電機(jī)實(shí)現(xiàn)18個花瓣同時動作，減少電機(jī)數(shù)量，電機(jī)不換向。采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，電機(jī)單向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，帶動傳動軸往復(fù)搖動，實(shí)現(xiàn)6個大花瓣同步往復(fù)開合。在底盤上安裝中層、內(nèi)層小花瓣各6個，外層與中層、中層與內(nèi)層之間采用雙搖桿機(jī)構(gòu)，通過大花瓣的往復(fù)運(yùn)動帶動中層和內(nèi)層小花瓣的往復(fù)搖擺。

（4）底盤采用鋼結(jié)構(gòu)制作，花瓣采用鋁合金型材折彎焊接，做到輕重適宜。采用有限元分析軟件對花瓣在各個角度、各種負(fù)載工況進(jìn)行計(jì)算，確保強(qiáng)度上留有足夠大的安全系數(shù)，但剛度上允許較大的變形（圖5～圖6）。

4電氣控制技術(shù)

4.1控制系統(tǒng)總要求

立足穩(wěn)定、可靠、安全，采用成熟可靠的技術(shù)和產(chǎn)品。為保障國家大型活動演出成功，必須做到萬無一失，杜絕一失萬無。

環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，要求防火、防水、防振、防塵、防漏電、防雷、防靜電、防誤操作，軟硬件系統(tǒng)都要堅(jiān)固健壯。

4.2技術(shù)路線

采取電機(jī)驅(qū)動雙備份、電氣系統(tǒng)雙冗余的技術(shù)路線。

控制站點(diǎn)按樹配置，每棵樹的站點(diǎn)經(jīng)網(wǎng)關(guān)集線器獨(dú)立分配。過程控制與電氣單動、手動操作相結(jié)合，聯(lián)動模式下的全自動過程中，允許對單個設(shè)備的啟停進(jìn)行干預(yù)，做到快速、準(zhǔn)確的切換操作。同時，在樹底提供就地應(yīng)急操作功能。

4.3集成與制作

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)包括UPS不間斷電源、控制核心的操作臺、能量供給的樹下配電箱、遠(yuǎn)程站點(diǎn)的樹上控制箱、執(zhí)行驅(qū)動的電機(jī)和制動器、檢測位置的開關(guān)傳感器等。電氣控制系統(tǒng)概略圖見圖7。

動力回路、控制回路、檢測回路、網(wǎng)絡(luò)回路等電路電纜，均采用全屏蔽阻燃軟電纜，設(shè)備與設(shè)備均經(jīng)過電纜兩端的重載連接器和網(wǎng)絡(luò)專用連接器進(jìn)行連接。

操作臺有冗余PLC、觸摸屏、操作界面的操作按鈕、網(wǎng)絡(luò)集線器;控制箱有遠(yuǎn)程站點(diǎn)、低壓電器及其線路?？刂葡浜团潆娤錇槿荛]箱體。整個系統(tǒng)采用一點(diǎn)接地、一點(diǎn)接零，零地分開。設(shè)備、零部件、材料等均采取降額設(shè)計(jì)，裕量均大于50%。

4.4系統(tǒng)程序軟件

依據(jù)煙花創(chuàng)意腳本，單個設(shè)備的運(yùn)行過程按時間軸統(tǒng)一運(yùn)行。依照初始狀態(tài)、啟動延時、停頓等參量設(shè)置，過程分解為子任務(wù)。人機(jī)界面設(shè)有控制模式、畫面選擇、禁用、狀態(tài)顯示、一鍵啟動、程控單動等操作（圖8）。

5總結(jié)

在三維動態(tài)煙花燃放裝置的研發(fā)設(shè)計(jì)中，始終遵循以下設(shè)計(jì)原則。

（1）總體：簡單、可靠、安全、穩(wěn)定。

（2）結(jié)構(gòu)：在兼顧安全的要求下，優(yōu)先選用輕質(zhì)材料（鋁合金），以減輕裝置質(zhì)量。

（3）機(jī)構(gòu)：減速電機(jī)單向旋轉(zhuǎn)帶動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)裝置往復(fù)運(yùn)動;盡量通過機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動力和運(yùn)動傳遞，減少電機(jī)數(shù)量。

（4）電氣控制：電氣控制系統(tǒng)盡可能簡化，不使用變頻器、編碼器等設(shè)備，盡可能減少制動器、零位開關(guān)的數(shù)量。

（5）冗余：所有電機(jī)、開關(guān)、鋼絲繩、鏈條等都有備份，其他部件有足夠的安全系數(shù)。

（6）操作：合理分塊，便于運(yùn)輸、組裝、拆卸、吊裝、換藥等操作。

在后期的制作安裝、調(diào)試演練、技術(shù)保障過程中，確實(shí)體現(xiàn)出由于遵循上述設(shè)計(jì)原則而帶來的各種便利和優(yōu)勢。

（編輯：王芳）