室外不锈钢动态雕塑的设计与实现——以“圣火之光”动态雕塑为例

室外不锈钢动态雕塑的设计与实现
——以“圣火之光”动态雕塑为例
车 行，李志群，李东亮，李同进
（北京北特圣迪科技发展有限公司，北京 100028）
【摘 要】 基于一种室外不锈钢动态雕塑控制系统及展演动作方案，解析动态雕塑控制系统的构成、控制软件功能， 并给出造型动画转化动作轨迹的分析。

【关键词】 动态雕塑；控制系统；造型设计；3D打印；轨迹规划
DOI：10.3969/j.issn.1674-8239.2021.h1.011
Design and Realization of Outdoor Stainless Steel Dynamic Sculpture
-Taking the Light of the Holy Fire Dynamic Sculpture as an Example
CHE Xing, LI Zhi-qun, LI Dong-liang, LI Tong-jin
(Beijing Bette Technology Development Co.,Ltd., Beijing 100028, China)
【Abstract】Based on an outdoor stainless steel dynamic sculpture control system and show action plan, this paper analyzes the composition of the dynamic sculpture control system, the control software function, and gives an analysis of the
trajectory of the modeling animation transformation.
【Key Words】dynamic sculpture; control system; modeling design; 3D printing; trajectory planning
传统雕塑都是固定不动位于某一地点，通过与周围环境相匹配，起到装饰或纪念的作用。

伴随着灯光、影像、计算机技术的发展，激发了雕塑创作者对新型材料、新科技的运用，进一步拓展了雕塑本身的形态，各种可动雕塑应运而生，俗称“动态雕塑”。

动态雕塑打破传统静止雕塑一成不变的形态界限，进而扩展了雕塑本身所能表达的意义、方式及范围。

动态雕塑不仅继承了传统静态雕塑的静默叙事理念，更能通过运动来强调变化与动感，使雕塑本身充满灵性，跳脱出缺乏生命力的固态结构，开创一种全新的艺术形式。

无论雕塑本身处于静止或运动状态，都会让旁观者感受到它的平衡、运动、变幻、和谐之美，身临其境地被这种意境吸引，并与雕塑产生互动，产生独有的视觉体验及心理共鸣。

1 项目概述
2020年建成的“圣火之光”室外不锈钢动态雕塑坐落于北京光科技馆广场，设计理念来源于火炬。

不锈钢主
体总高度14 m，底座圆柱直径1.2 m，中间树冠部分直径最大部分约为3.2 m，头部用抽象的火焰外形表示“火”，故命名为“圣火之光”。

抽象的火焰材质使用镜面不锈钢，白天能映射出蓝天、白云与周边树木（图1），晚上能与灯光相配合呈现夜景模式（图2）。

火焰自上而下分为38层级，每个层级图1 白天应用场景图2 夜间应用场景
均为独立动作机构，可以进行正向顺时针、反向逆时针转动，每个层级都安装有内置LED灯组，通过旋转时层与层之间的错位缝隙来配合灯光特效，展现出火焰的律动之美。

笔者参与“圣火之光”动态雕塑的动作驱动机构、电气系统控制及展演动作的研发设计，以下主要对“圣火之光”动态雕塑的控制系统及展演造型设计方案进行解析。

2 控制及驱动系统概述
2.1 控制系统构成
“圣火之光”动态雕塑的控制系统主要由三层组成，操作层、分发层、执行层（图3）。

操作层主要由操作台上的IPC（上位机）和触摸屏组成。

上位机提供系统的人机界面交互功能，负责进行控制参数编辑及数据显示；触摸屏提供自动和手动两种控制模式选择。

通过操作层，控制人员可选择雕塑中的某几层进行单动，或者选择整个雕塑运行指定的轨迹动作。

分发层主要包含P L C（P r o g r a m m a b l e L o g i c Controller，可编程逻辑控制器）下位机。

用于接收操作层下发的设置参数和控制指令，将指令和参数解析后，通过EtherCAT通信总线，将不同层的参数分发给执行层的不同伺服驱动器。

同时，采集各层伺服驱动器的设备状态等数据信息，上传给操作层进行反馈和显示。

执行层主要由支持EtherCAT总线协议的伺服驱动器组成。

通过EtherCAT通信总线，接收分发层下发的设置参数及控制命令，然后驱动设备按照指定的参数进行运动，进而实现整套雕塑系统的运转。

“圣火之光”动态雕塑的控制系统采用德国倍福的C6920 PLC作为分发层处理器，通过TwinCAT NC PTP集中控制38根轴。

相比于传统的工业以太网，EtherCAT总线通信效率更高，可在300 us内交换1 486 bit的数据帧。

在使用过程中，经过伺服电机通信测试，38根轴的通信时间≤40 μs。

同时，因采用分布式时钟同步技术，轴与轴之间同步误差＜1 μs。

2.2 机械驱动系统
“圣火之光”动态雕塑机械结构主要包括中心立柱、驱动组件、桁架结构、外表不锈钢造型。

其中，为了实现雕塑每层360°无限制独立运动，各层均采用独立驱动组件进行驱动。

驱动组件固定于中心立柱，通过桁架结构带动外部不锈钢造型实现360°旋转。

驱动组件主要由伺服电机、精密减速机、回转支撑
构成（图4）。

为了满足雕塑的可维护性，驱动部分设计采用隔层
驱动方案，即下一层安装的驱动结构驱动上一层造型进行运动（图5）。

当某一层出现故障无法正常运转时，可通过下一层的驱动旋转，使故障层内部器件旋转到可视范围之内，方便进行维护。

图3 控制系统网络图图4 驱动组件
图5 驱动组件布局示意
为了满足运行过程中层与层之间互不干涉，不锈钢造型静止时整体呈流线型，对钢结构的定位及层与层之间缝隙宽度均有严格的加工尺寸要求，缝隙宽度不超过3 mm。

3 造型设计及软件功能
控制系统软件专为“圣火之光”动态雕塑机械设备控制与操作研发，由舞台
机械承办方自主设计完成。

系统具有友好的人机界面，操作简单明了，具有单体设备的控制、设备联锁、设备状态监控、预选择设备、设定运动参数、编组运行、场景记忆、场景选择、故障诊断、系统维护、联机操作等功能。

操作形式主要通过屏幕窗口、图形、表格结合控制面板、键盘、鼠标进行。

经过9个月的现场应用，该系统运行稳定、性能优良，达到工业级的平均无故障工作时间要求。

3.1 按比例打印雕塑模型
为了满足前期造型讨论及外观加工确认的需要，采用3D打印技术，按1∶50的比例打印雕塑每层的模型。

模型组装后，可以手动转动进行动作造型和外观的讨论（图6～图7）。

3.2 造型动画转化为轨迹数据
利用打印出来的雕塑模型，讨论出多套造型方案。

在上位机软件里，通过三维建模将造型方案复现，此时造型方案为一个造型流畅延续另一个造型的动画效果（图8）。

上位机软件再通过对造型动画里雕塑每层
的特征点数据进行关键帧合并及插值运算（图9），计算出雕塑每层在整个造型方案里的连贯数据，并记录下来，存储成对应的造型轨迹文件。

3.3 动作轨迹预览
软件界面可以通过选择不同的剧目、不同的动作来预览对应的轨迹
造型文件，并通过分割、合并等多重技术手段，组合拼接各个造型动作，形成新的表演节目（图10）。

确定节目造型后，点击表演节目按钮，即
可将对应节目的轨迹数据下发给分发层，最终通过执行层来驱动雕塑进行展演。

3.4 时间码同步灯光音响
软件通过时间码，保证雕塑层与层之间的错位互动，以及与灯光、
图6 3D打印部件
图7 整体效果
图8 软件中雕塑造型顶端视图图9 雕塑各层轨迹数据生成中
图10 软件轨迹预览界面
音响系统之间的同步演出，实现艺术与技术的高度融合。

3.5 展演进程可控
软件提供开始、停止、继续等演出进程控制功能。

3.6 节目动作分解说明
软件界面右侧的节目说明和动作分解说明（图11），显示
节目及动作的详细运行顺序，在展演节目较多时起到备忘录的作用。

3.7 实时反馈信息显示
软件实时信息界面，可显示雕塑每层的实时位置、实时速度、实时电流等运行数据以及实时故障报警等信息，方便操作人员及时掌握雕塑整体的运行状态（图12）。

4 造型动画转化动作轨迹的函数解析
控制系统软件的核心功能模块之一是将软件里人眼可见的造型动画转化为雕塑控制系统可以解析的动作数据。

以下通过逻辑框图（图13），对转化过程进行分析。

其中，数据拆分步骤要准确地将动态造型转化为可同步的动作轨迹文件，需要生成的参数包括每一组动作里38层的实时位置数据、速度数据、延迟时间等，将动作拆分成每组100个变量的二维数组进行记录。

同时，为了防止PLC死机，记录参数
组成数组的下标不能为0，赋值第一组动作为当前动作。

在转化过程开始时记录当前的时间，复位运行完成做标记，清除程控缓存区。

当造型所有动作执行完毕时，则停止生成数据，并将缓存区里的数据按步骤转化存储为造型轨迹文件，同时清除数据缓存区。

5 结语
“圣火之光”动态雕塑机械控制系统及造型设计软件，均达到项目规划时各方对展演的技术和艺术效果要求。

造型设计中，3D打印模型及三维分析软件的应用，也使得整个造型设计及控制过程更加精准迅速，提高后期节目创意彩排时的效率。

“圣火之光”动态雕塑的成功应用，希望对于国内其他动态雕塑项目具有参考价值。

图11 节目说明和动作分解说明界面
图12 软件实时信息界面
图13 转化过程示意图
参考文献：
[1] 汪磊,贾斯睿. 动态雕塑[J ]. 园林空间,2012(10).
（编辑 王 芳）。