宋海軍，杜云龍，黃傳金

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

0 引言

動態(tài)變形墻展現(xiàn)的是機械運動與動態(tài)圖像之間的關(guān)系，利用氣動原理產(chǎn)生機械運動[1]，在墻面上形成動態(tài)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(tài)變形墻還采用全自動控制系統(tǒng)，可以在無人操作情況下連續(xù)運行，并不斷地變換展示內(nèi)容，呈現(xiàn)出千變?nèi)f化的動態(tài)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(tài)變形墻的功能和工作原理

1.1 動態(tài)變形墻的功能

動態(tài)變形墻展項的主要功能包括：

1）可以通過面板的凸凹表現(xiàn)出各種靜止的畫面；

2）可以通過面板的凸凹變化表現(xiàn)出不斷變化的畫面；

3）可以通過凸起面板的移動表現(xiàn)出向各個方向運動的畫面；

4）工作人員的根據(jù)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(tài)變形墻墻面，感受動態(tài)變形墻的推動效果。

1.2 動態(tài)變形墻的工作原理

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

圖1 動態(tài)變形墻部件組成圖

動態(tài)變形墻的設計利用氣動驅(qū)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(tài)立體圖像。同時動態(tài)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(fā)的柔性高分子復合材料組成，具有金屬質(zhì)感，但觸摸時會發(fā)現(xiàn)其質(zhì)地非常柔軟，具有很高的安全性。

2 動態(tài)變形墻的機械系統(tǒng)

動態(tài)變形墻的機械系統(tǒng)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(tài)變形墻主體結(jié)構(gòu)，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(xiàn)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(wěn)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(xiàn)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(tài)變形墻的電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(zhì)感，在材料中加入鋁粉，可以產(chǎn)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(tǒng)

氣動系統(tǒng)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(diào)壓閥、設備現(xiàn)場的儲氣罐、電磁閥、氣缸、管路系統(tǒng)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(diào)壓閥布置在空壓機房，現(xiàn)場儲氣罐與電磁閥、氣缸都布置在機架內(nèi)?，F(xiàn)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(guī)則布置，整齊劃一。電控系統(tǒng)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(tǒng)

控制系統(tǒng)包括人機交互計算機系統(tǒng)、實時控制計算機系統(tǒng)、EtherCAT現(xiàn)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(guān)傳感器、開發(fā)平臺和操作軟件等組成，電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

4.1 人機交互計算機系統(tǒng)（簡稱上位機）

由工控機、以太網(wǎng)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(tǒng)的人機交互界面（動態(tài)墻面編輯）；

2）動態(tài)畫面造型模擬顯示、數(shù)據(jù)庫的生成和管理（包括通過以太網(wǎng)總線將數(shù)據(jù)發(fā)送給執(zhí)行控制的下位機）；

3）通過以太網(wǎng)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(tǒng)（簡稱下位機）

由工控機、工業(yè)以太網(wǎng)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(tài)畫面造型信號（以太網(wǎng)總線傳來的上位機數(shù)據(jù)）的轉(zhuǎn)換處理為控制信號；

2）控制信號數(shù)據(jù)庫的存儲；

3）動態(tài)變形墻控制信號的實時控制和輸出（通過工業(yè)以太網(wǎng)到Ether CAT現(xiàn)場總線端子站）；

4）控制和驅(qū)動系統(tǒng)故障的自動檢測和診斷、執(zhí)行元件動態(tài)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(zhuǎn)換處理和輸出（拓展功能）。

4.3 EtherCA T現(xiàn)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(shù)字I/O和2路模擬輸入，數(shù)字I/O分別用于操作臺對展品處電源開關(guān)的遠程控制、電源檢測以及系統(tǒng)工作狀態(tài)指示、故障報警指示等；兩路模擬輸入I/O用來監(jiān)測展品氣源進口壓力和執(zhí)行機構(gòu)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(yè)以太網(wǎng)線相連并連接到下位機工業(yè)以太網(wǎng)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(jiān)測電路和電源控制電路等。

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

監(jiān)測電路用來檢測和指示動力系統(tǒng)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(tài)指示燈。

電源控制電路包括：驅(qū)動總電源斷路器、總電源交流接觸器、監(jiān)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(guān)傳感器

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

位置開關(guān)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(guān)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(tǒng)、開發(fā)平臺和控制軟件

上位機操作系統(tǒng)采用Windows XP，軟件開發(fā)平臺采用微軟的VC++ ?？刂栖浖獒槍ι衔粰C功能開發(fā)的專用軟件包。

下位機操作系統(tǒng)、開發(fā)平臺和控制軟件。下位機操作系統(tǒng)采用Windows XP，軟件開發(fā)平臺采用德國倍福（BECKHOFF）的Twin CAT?？刂栖浖獒槍ο挛粰C功能開發(fā)的專用軟件包。

電控系統(tǒng)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(jié)構(gòu)后面，包括：墻體驅(qū)動機構(gòu)上的氣缸電磁閥（352個）、位置開關(guān)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(jié)論

本文首次提出了通過動態(tài)變形墻來展現(xiàn)動態(tài)立體圖像，在動態(tài)變形墻的設計中利用氣動原理產(chǎn)生機械運動，在墻面上形成動態(tài)圖像；設計了動態(tài)變形墻的氣動系統(tǒng)、機械運動機構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)。動態(tài)變形墻已成功運用于中國科學技術(shù)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(tài)變形墻的實際效果圖

[1] SMC (中國)有限公司.現(xiàn)代實用氣動技術(shù)[M].北京: 機械工業(yè)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(yè)以太網(wǎng)EtherCAT的DCS控制系統(tǒng)設計[J].制造業(yè)自動化, 2010, 32(11): 21-23.

[4] 單春榮, 劉艷強, 郇極.工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線EtherCAT及驅(qū)動程序設計[J].制造業(yè)自動化, 2007, 11: 79-82.