何靖文，胡遠忠，付俊偉，曹泳靖，戴永祺，黃子鵬

(廣東海洋大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，廣東 湛江 524088)

0 引言

廣告是信息傳播的主要途徑之一，在當(dāng)今信息流動快速的時代，廣告在推動發(fā)展上有著無可替代的地位，沒有廣告就沒有效益。而廣告的宣傳一大部分是建立在廣告裝置上的，這就意味著廣告展示裝置與廣告都有著十分重要的作用。當(dāng)今流行的戶外廣告裝置形式主要有射燈廣告牌、單面廣告牌、多面翻廣告牌、LED電子屏等，但都有著不同的缺點，導(dǎo)致廣告的傳播效果沒有最大化。

目前，廣告宣傳裝置可以歸納為兩類：一類是單面或雙面的燈箱、展板、條幅等，它們所含信息少，內(nèi)容單一；另一類是電子顯示屏、字幕機，這類廣告展示設(shè)備所含信息量大，但在陽光直接照射下畫面不清晰，效果差，只適合于室內(nèi)或夜間使用[1-3]。另外，一些大型廣告牌缺點也十分明顯，一是體型巨大，對于場地的要求利用較高，多在高速公路出現(xiàn)，但廣告牌過多不僅影響高速公路整體的美觀性，同時，還會給駕駛者帶來主觀上和客觀上的生命威脅[4]；二是制作的成本也相應(yīng)較高，對于材料的硬度、抗性要求相應(yīng)較高，不適用于人群密集的商業(yè)區(qū)、公園等；三是廣告展示畫面較少，空間利用率低，經(jīng)濟效益低。這些都是現(xiàn)代廣告牌技術(shù)背景和使用上的一些缺點。

本設(shè)計的廣告展示裝置體型小，能安裝于各種人流多的地方，自身能夠旋轉(zhuǎn)，吸引力、新穎性較好，并且獲得了實用新型專利（ZL 2019 2 1881543.3）。同時，體型較小的優(yōu)點也減少了結(jié)構(gòu)材料和維護廣告牌的人力費用，可改善當(dāng)前廣告裝置成本問題。再者，現(xiàn)在固定式的廣告裝置還占大多數(shù)，而該廣告展示裝置特有的運動性質(zhì)與展示功能可很大程度地吸引路人的注意力，因此，具有廣闊的市場前景。

1 廣告牌裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

該廣告牌裝置三面翻轉(zhuǎn)、四面展示，整體結(jié)構(gòu)為800 mm×800 mm×1 200 mm的長方體，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，廣告牌的組成結(jié)構(gòu)有框架和廣告主體。廣告牌框架由鋼材搭建，廣告主體由一定數(shù)量的三棱柱條組成，正三棱柱條由鋁合金板制成。每個三棱柱條間有一定的空隙以便廣告內(nèi)容的變換，三棱柱條頂部和底部中心處都各焊有一根轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸由滾動齒輪帶動轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)廣告畫面的變換。廣告牌框架底部焊有厚鋼板，用于支撐三棱柱條和滾動齒輪，框架頂部安裝頂蓋，頂蓋內(nèi)將滾動齒輪和雙面同步帶安裝于三棱柱條頂部的轉(zhuǎn)軸，廣告牌運行的基本框架完成。

廣告畫面用電腦設(shè)計，噴繪出圖，將畫面裁成數(shù)條，依次貼在圖1上的正三棱柱條的一面。分別轉(zhuǎn)動所有三棱柱120°、240°，可貼出另兩個廣告畫面。廣告牌設(shè)計的關(guān)鍵在于使各三棱柱按指定方式轉(zhuǎn)動120°、240°，采用限位控制，形成3個平面，顯示3個廣告畫面。

圖1 廣告牌裝置結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 傳動方案

傳動方案采用小型電動機-蝸輪蝸桿減速機構(gòu)-V形帶-同步齒形帶實現(xiàn)該運動。廣告牌裝置內(nèi)部傳動機構(gòu)如圖2所示。

圖2 廣告牌裝置內(nèi)部傳動機構(gòu)

廣告牌的驅(qū)動結(jié)構(gòu)中的核心設(shè)計是同步帶的設(shè)計，采用蝸輪蝸桿傳動減速的原理控制廣告牌的轉(zhuǎn)動與停止。為實現(xiàn)減速器即蝸輪蝸桿的減速功能，需要改變同步雙面帶的齒數(shù)，初步確定轉(zhuǎn)軸齒輪的齒數(shù)為Z=15，加工雙面同步帶，將雙面同步帶外側(cè)帶齒，除了彼此相鄰的Z/3=5個齒外，其余齒都磨去。當(dāng)雙面同步帶運作時，5個齒依次通過三棱柱條的第一個帶齒，帶動三棱柱條旋轉(zhuǎn)1/3轉(zhuǎn)，然后再驅(qū)動下一個帶齒旋轉(zhuǎn)1/3轉(zhuǎn)，使所有的帶輪依次轉(zhuǎn)動，使三棱柱條轉(zhuǎn)動時是依次轉(zhuǎn)動的，從而使廣告變換具有漸變的美觀，更具有吸引力。

在廣告靜止展示的設(shè)計上使用了彈簧片，在廣告牌合適位置上設(shè)置剛度合適的彈簧片。在三棱柱條每轉(zhuǎn)動到一面時，彈簧片可使其限位，讓廣告牌能靜止一段時間，而電動機的驅(qū)動力也能夠克服彈簧片的彈力，使三棱柱條的轉(zhuǎn)動換面不受彈簧片的影響。

將廣告畫面制出，按照廣告牌每面的三棱柱條數(shù)裁成相應(yīng)數(shù)量，依次貼在廣告牌的同一面上即可完成一幅完成的廣告展示，利用同步帶依次轉(zhuǎn)動120°、240°，可貼出三棱柱另外兩面的廣告畫面，依次貼完廣告牌的四面，即可實現(xiàn)12幅廣告畫面的輪流展示。

1.3 廣告牌驅(qū)動裝置設(shè)計的替代方案

替代方案：利用光電傳感器-PLC-電動機-同步帶實現(xiàn)三棱柱條的翻轉(zhuǎn)與停止。該方案的核心是通過PLC的控制來運作的。

在廣告牌每一面的其中一條三棱柱條上貼上光電傳感器的反光膜，廣告牌上安裝光電傳感器，當(dāng)三棱柱條轉(zhuǎn)動時，反光膜到達感應(yīng)的位置，光電傳感器就會感應(yīng)到，從而發(fā)送信號到PLC處。而電動機由PLC控制，當(dāng)三棱柱條轉(zhuǎn)動到能完整地展示廣告后，控制器即發(fā)出指令，控制電機停止運轉(zhuǎn)，此時是展示廣告的時間，展示時間可編程控制，展示時間到后，控制器又發(fā)出指令給電動機，使電動機運轉(zhuǎn)，通過同步帶使三棱柱條同時運轉(zhuǎn)，從而切換到另一幅廣告展示，實現(xiàn)廣告牌的自動運轉(zhuǎn)及其暫停。該方案中使用PLC運轉(zhuǎn)與原方案使用蝸輪蝸桿驅(qū)動的不同在于三棱柱條是同時變換而不是依次變換，其他的運轉(zhuǎn)方式基本相同。

2 整體效果以及特點

如圖3所示，廣告牌裝置整體外觀高度大約3 000 mm，可根據(jù)實際所需調(diào)節(jié)支撐座的高度。在噴貼廣告時，將廣告裁剪成8等份，分別按順序貼在每個面上的三棱柱上，一面可貼3幅，四個面可貼12幅廣告。在箱體頂部安裝一個美觀的街燈；廣告畫面4個角落處分別安裝一條光管，光管用磨砂玻璃封住，將日光照射到廣告畫面上，以滿足日夜兩用。該廣告裝置造型美觀大方，對改善城市環(huán)境、城市風(fēng)貌有著很大的幫助作用。具體優(yōu)點有：1）體型相對較小，能安裝于城市各地，不占用大量空間，使廣告信息的傳播性更強。2）結(jié)構(gòu)簡單，材料質(zhì)量要求較低，便于安裝、日常的檢修和廣告的更換，節(jié)省人力，安全性較高。3）廣告幅數(shù)多達12幅，內(nèi)容傳達性十分高，廣告裝置能實現(xiàn)自轉(zhuǎn)，更具有吸引性，傳達效率高，符合現(xiàn)代發(fā)展需求。4）可搭配性高，既能獨立安裝，又能安裝在其他裝置上，具有新穎性。5）使用太陽能供電，節(jié)省能源，綠色環(huán)保。

圖3 廣告牌裝置效果圖

3 設(shè)計與計算

3.1 廣告牌基本參數(shù)的確定

廣告牌規(guī)格：800 mm×800 mm×1 200 mm，立式，四面展示，每面3幅廣告，初定每面由8個正三棱柱組成，正三棱柱每個面寬94 mm，一共有8×4=32個正三棱柱，同步帶輪節(jié)徑d=60 mm，4個角落由4根較粗的鋼筋支撐。四面整體寬度920 mm，三棱柱的轉(zhuǎn)軸直徑為d=20 mm，相鄰三棱柱之間的間隙為2 mm，每幅廣告寬度為766 mm。

1）同步帶的選取。同步帶總長L=0.766×4+3.14×0.06=3.388 4 m，據(jù)GB/T11616—1989，選取帶長代號為1250的同步帶，為H型梯形同步帶，其參數(shù)如下：規(guī)格型號為DA 1250 H 100 GB11616-1989，節(jié)線長為3 175 mm，帶寬為25.4 mm，齒數(shù)為250，節(jié)距為12.7 mm。

2）同步帶輪的選取。據(jù)GB/T11362—1989，選取H型梯形同步帶輪。規(guī)格型號為15H，齒數(shù)為15，節(jié)徑為60.64 mm，外徑為59.27 mm，基本寬度為25.4 mm。

3）三棱柱上轉(zhuǎn)軸的同步帶輪的內(nèi)徑d=20 mm，另外四個起傳動作用的同步帶輪，取其內(nèi)徑為d=30 mm。

4）計算同步帶輪的中心距和布局：因為帶的長度為L=3 175 mm，所以每面帶長：

仍然每面廣告用8個同步帶輪，則同步帶輪的中心距：

把三棱柱子之間的間隙定為△=2 mm，

重新設(shè)計三棱柱的面寬，因為：

所以，面寬b=46.6×2=93.2 mm。

3.2 傳動機構(gòu)參數(shù)的確定

1）每幅畫面展示時間：6 s。

2）翻轉(zhuǎn)方式：逐頁翻轉(zhuǎn)，每面廣告翻轉(zhuǎn)時間為2 s。

3）初步設(shè)計得到如圖4所示的結(jié)構(gòu)：在圖4中，設(shè)置了同步帶的速度后，就能實現(xiàn)一個廣告的翻轉(zhuǎn)時間為2 s，轉(zhuǎn)好一個廣告后，其他三個面的廣告翻轉(zhuǎn)時間共需要2×3=6 s，故第一個廣告就能得到6 s的停歇時間，也就是廣告的展示時間。

4）同步帶輪轉(zhuǎn)速：總運動時間t=8 s。

在圖4中，同步帶輪的齒數(shù)為Z=15，使用雙面同步帶，但裝配前要對其進行加工。將外側(cè)帶齒，除彼此相鄰的Z/3=5個齒外，其余的帶齒全部磨去。當(dāng)同步帶運動時，5個齒依次通過第一個帶齒，驅(qū)動其轉(zhuǎn)動3/15=1/3轉(zhuǎn)，然后帶齒再依次驅(qū)動第二、第三個帶輪，帶動所有的三棱柱條依次轉(zhuǎn)動。在廣告牌合適位置上設(shè)置剛度合適的彈簧片，在三棱柱條分別轉(zhuǎn)動1/3、2/3、3/3時，彈簧片都可將其保持限位。電機的驅(qū)動力矩足以克服彈簧片的彈力，彈簧片不會影響廣告畫面。

圖4 同步帶與齒輪

3.3 三棱柱干涉問題

在圖5中，先假設(shè)兩三棱柱在排列時，兩外接圓相切，在本次設(shè)計中，三棱柱是同向運動的，定為順時針翻轉(zhuǎn)，三棱柱O1從A點運動到B點時，三棱柱O3從E點到D點，兩者并不會相遇。將三棱柱的中心移到O2，此時兩三棱柱間的縫隙距離dmin=0，當(dāng)三棱柱O2從F點運動到C點時，與三棱柱O3相遇，但是在隨后的運動軌跡中，兩者沒有接觸，因此，兩三棱柱并不發(fā)生干涉，為了使畫面更逼真，便于安裝，取間隙d=2 mm，與初次定的數(shù)值一樣。

圖5 三棱柱運動干涉

3.4 其他設(shè)計

3.4.1 防風(fēng)防雨設(shè)計

考慮到廣告牌大多數(shù)情況都安裝在室外，因此考慮了防風(fēng)防雨設(shè)計。防風(fēng)設(shè)計中，廣告牌的整體框架皆為厚板，支柱焊接組成，硬度與強度都十分高，以防廣告牌箱體被風(fēng)吹壞；防雨設(shè)計中，在箱蓋與箱體間可安裝密封圈，三棱柱條軸的頂部底部安裝時也安裝密封圈，防止雨水進入箱體及內(nèi)部零件從而損壞廣告牌。

3.4.2 整體支撐設(shè)計

將廣告牌展示裝置單獨安裝在支撐桿上，支撐桿可設(shè)計為能獨立轉(zhuǎn)動的支撐桿，從而能讓廣告牌整體旋轉(zhuǎn)，但轉(zhuǎn)速與廣告牌三棱柱條的速度要有相對速度差，使廣告牌更具有吸引人的展示效果。另外，可以將廣告牌主體設(shè)計成符合街燈的樣式，將裝置安裝于街燈，以街燈支柱作為支撐桿，可以減少材料的使用，但廣告牌整體無法旋轉(zhuǎn)。

4 太陽能供電方案

考慮到當(dāng)今發(fā)展的需求，綠色再生能源已逐漸取代傳統(tǒng)能源。因此，可以考慮在廣告牌裝置上安裝太陽能電池，在廣告牌頂部安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)，由支撐桿支撐，采用太陽能供電的方式提供動力，更加綠色環(huán)保。

4.1 太陽能電池的運行方式

若安裝太陽能電池，太陽能電池則作為廣告牌動力提供的第二來源，通過PLC與光電傳感器實現(xiàn)。若太陽光照充足，信息傳送到光電傳感器后再到控制器，控制器則會接通太陽能電池作為動力源，提供動力使廣告牌運轉(zhuǎn)。

太陽能電池的運轉(zhuǎn)方式為：太陽能電池方陣吸收太陽光照，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，將電流儲存在蓄電池組中，再由逆變器將直流蓄電池中太陽能轉(zhuǎn)化的電能轉(zhuǎn)變成交流電供給廣告牌使用，當(dāng)蓄電池中的電能充滿時，充放電控制器就會控制太陽能電池，防止蓄電池過度充放電從而導(dǎo)致系統(tǒng)損壞。

4.2 細節(jié)設(shè)計

太陽能電池的核心是跟蹤系統(tǒng)，跟蹤系統(tǒng)能保證太陽能電池板最大效率地吸收太陽光照，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率及供電效率，同時，該系統(tǒng)還具備先進的識別天氣的功能，在遇到惡劣天氣如大風(fēng)、暴雨等時能夠使系統(tǒng)自我保護，以免因天氣因素而損壞。

為提高太陽能板的太陽光照吸收率，考慮將太陽能板安裝于廣告牌支撐柱的頂部；為保證美觀和避免受力破損，太陽能電池板的面積不宜過大，在安裝過程中可適當(dāng)加固連接桿件與支撐桿件。

安裝太陽能電池后的整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 太陽能供電

5 結(jié)語

本新型多幅面廣告展示裝置的設(shè)計很好地完善了當(dāng)今廣告牌展示裝置的一些缺點，能更好地推動廣告信息內(nèi)容的傳播，十分適用于商業(yè)的發(fā)展，推廣應(yīng)用前景廣闊，具有很大的實用價值。