艾伦·亨德里克森（Alan Hendrickson）是耶鲁戏剧学院（Yale School of Drama）的技术设计和制作教授（副教授），1984年以来，他一直是风景机械化和控制方面的独立顾问。耶鲁大学开设的课程包括舞台机械物理、自动化控制、气动和液压以及剧院应用的机械设计。他的顾问工作包括液压、控制和机械设计，主要通过哈德逊风景工作室在百老汇、国家旅游和地区剧院演出中进行效果设计。

译者魏发孔，曾任甘肃省电影机械厂工程师，技术科长，兰州理工大学舞台设备研究所，高级工程师，教授级高级工程师，研发部长，曾受聘于德国SBS（北京/杭州）舞台技术有限公司总工程师，现受聘于浙江大丰实业有限公司（杭州）舞台设计院副院长，《演艺科技》杂志编委。从事上述专业工作期间曾主持新产品研发50多项，主持百万元以上的工程设计30多项，获得国家发明专利9项，实用新型专利4项，参与文化行业标准制定4项。

《舞台机械设计》一书从基础理论到大量的计算实例，较系统地阐述了演出场所机械设备设计的基本理论和计算方法，包含舞台机械物理学、舞台机械部件、机械设计过程和舞台机械纲要四个部分，理论严谨，实例充分，可读性强。本书可作为舞台机械设计方面的教材和培训用书，适合相关院校机械专业、舞台技术专业师生阅读，也可供舞台设备行业的工程技术人员，以及剧场中设计、施工、安装及操作舞台设备的技术人员参考使用。

用艺术的头脑设计技术、以科学的技术武装艺术！——中国工程院院士朵英贤作序推荐！

这就是我要的书。没有其他书能比得上它。来自几十个不同来源的经典戏剧装置信息，汇总成了这本书！——洛伦 施雷伯，圣地亚哥州立大学戏剧、电视和电影学院技术总监。

科技为文化塑身，文化为民族铸魂。为我国演艺设备技术的发展成果而喝彩，为使其更加科学健康地发展提升助力。

    机械技术这个传统而古老的专业，普通人都能看得懂，专业人士却终生看不透的领域，在自动化技术、信息技术、传感技术、网络技术等，现代技术日新月异的当今时代，它似乎显得苍老而固执。其实，机械技术永远是鲜活的，它是其他所有技术的支撑体，就像人的骨骼、肌肉和血管，无论多么高深的思维、先进的理念，或多么伟大的举动，都要通过躯体肌肉的协调运动才得以发挥。上至航天技术，下至海洋工程，大到宇宙探索，小到微观研究，人类开发的形形色色的技术装备都离不开机械技术的支撑。因此，无须担心它会被淘汰，淘汰的是落后的思维方式，而不是这个技术领域本身。创新的思维方式不断地进取而延续着这门技术的发展进步。

    力学、微积分学、机构学、机械工艺学等各类学科出现之前的机械技术，是人们在长期的生产生活中改进工具而发明的，大多以机构技巧为主，一般速度比较低，效率不高，而且一项技术产生和改进的过程只能依靠长期积累和反复试验方得成功，犹如在黑暗中摸索前进。因此，技术产生和运行的效率都很低。直到有了科学理论，技术的发明和改进就有了前瞻性的预测手段，科学大大提高了技术开发的速度，也提高了技术运行的效率，照亮了技术发展的道路。

    但是，当今中小企业的技术人员比较缺乏用科学的手段去开发技术，被动模仿和盲目试制的现象还时常存在，缺少理论原理性的把握，尤其在演艺装备制造这个新兴的行业，有待于提高的空间甚为广阔。科学理论指导下的技术也不能免除试验验证的程序，但次数大为减少，时间大为缩短，成功率大为提高。所以，尽可能充分地采用科学理论的手段开发技术，减少盲目性，这大概是目前业内都知晓而未必都做到的事情。

    科学的机械技术进入演出场所，则更加增添了艺术的色彩，为演出艺术的提升提供助力，显出了更加旺盛的生命力和多姿多彩的动感魅力。科学技术就像高耸的魔塔将表演艺术这颗明珠擎入云端，使其照亮人类的灵魂。如此，需要演艺设备技术的设计者们深谙表演艺术的精髓，用艺术的头脑设计技术，以科学的技术武装艺术。这种演艺装备制造业中技术与艺术的融合，最终升华到了“技”便是“艺”、“艺”便是“技”的高度统一，这才是一种至高的境界。

    舞台机械行业是从机械行业中发展起来的，逐步形成具有鲜明特性的，与演出艺术紧密相连，与演出艺术融合发展的独立技术体系，历史较短，正在发展进步。该书是以演出场所舞台机械设计为主要内容的专著，可作为专业教材或基础培训、专业人员的参考用书。该书的译者在演艺设备行业内默默耕耘了几十年，成效卓著，其在该书编译过程的辛勤付出值得肯定。

（朵英贤，中国工程院院士、中北大学双聘院士，中国著名自动武器设计专家、中国兵器装备集团公司特聘专家，北京理工大学教授、博士生导师。）

本书的英文版是几年前段慧文老师推荐给业内同仁的，我在阅读的过程中编译成了中文稿，意在便于业内技术人员参阅，2013年6月就已成稿，由于外商版权的问题搁置至今，最终在机械工业出版社的努力下解决。翻译出版此书的动机是目前业内此类系统的专业书籍还比较少。另外，我国舞台机械技术起步较晚，这些年的高速发展多以德国为主的欧洲技术体系为参照，而本书渗透着美国文化背景下的技术体系，值得关注其差别。美国技术素以开放、多元、个性、探索、少有传统束缚为突出特点，其更加张扬的现实主义表演手法，深刻影响着演艺装备技术的特征趋向，可为我国更加多样化的演出场所装备技术提供别样的借鉴。我国早期的学者对比东西方文化认为：国人以道、儒学说为主的哲学倡导修身养性，通过自身的修炼适应自然规律，达到人与自然的和谐；西方人则倡导通过科学技巧寻找自然规律来改造自然，掌握技术为人类提供方便舒适的条件。然而，若使东西方文化互相融合则会使人与自然的和谐达到何种程度呢？

    本书是舞台机械设计方面少有的专著，从基础理论到大量的计算实例，较系统地阐述了演出场所机械设备设计的基本理论和设计计算方法，理论严谨，实例充分，可读性强，适合院校相关专业师生、舞台设备行业的工程技术人员，以及剧场中设计、施工、安装及操作舞台设备的技术人员参考使用。文中唯一让读者稍感不便的是有部分算例采用英美制单位，对于这个问题，编译者认为，只要采取“以彼之矛，攻彼之盾”的策略，无须变换单位，从中掌握技术方法即可。

    不过，本书的原作者和编译者并不能担保使用本书资料时不通过有资质的专家审核其所采用部分的准确性、适应性和实用性等，就能随意地用于一般的或特定的任意工程实际。本书作者和编译者不承担失误或侵权的责任，其责任应该由使用者承担。

    编译本书的过程中心怀感念，我要特别感谢我的两位恩师，朵英贤院士和曹占英教授。他们在我成长的道路上几十年如一日，孜孜不倦的教诲和身体力行的榜样使我终身受益。

    另外，我要感谢业内资深专家李畅教授、俞健教授、段慧文教授在专业上给予的指导与帮助。感谢业内专家同仁徐奇老师、郑辉老师、王迎东老师、陈威老师、胡清亮老师，以及帮助和支持过我的所有业内同仁。同时，也感谢原甘肃工业大学曾经的各级领导刘秀芝、王胜航、高文元等在工作上的支持。

    谨以此书献给业内年轻的科技人员。让我们共同互勉，为演艺装备技术的发展努力地耕耘。

    编译者

序

编译者说明

前言

第1篇舞台机械物理学

第1章基础概念和定义3

1.1基本原理3

1.2位移4

1.3平移的定义4

1.4速率和速度5

1.5加速度7

1.6x、v和a之间的图像关系7

1.7练习题9

第2章匀加速运动公式10

2.1匀加速运动10

2.2匀加速运动的常用公式11

2.3已知时间和距离的运动14

2.4重力加速度16

2.5练习题17

第3章加速物体的力：F加速18

3.1概述18

3.2牛顿运动定律18

3.3质量和力19

3.4质量和力的换算20

3.5重量20

3.6加速物体需要的力21

3.7练习题22

第4章摩擦力：F摩擦23

4.1摩擦——复杂性及简化23

4.2定义24

4.3滑动摩擦25

4.4静摩擦26

4.5动摩擦27

4.6摩擦因数的测量28

4.7滚动摩擦30

4.8绳在柱面上的摩擦31

4.9练习题34

第5章起升力：F起升35

5.1重力、重量和起升力35

5.2起升力35

5.3平衡重36

5.4练习题37

第6章最大功率和力38

6.1功率38

6.2最大功率39

6.3最大力42

6.4练习题43

第7章旋转运动的基本原理45

7.1旋转运动的定义45

7.2坐标系45

7.3角位移46

7.4角速度48

7.5角加速度48

7.6线性关系和旋转关系之间的转换49

7.7向心加速度49

7.8恒角加速度的公式50

7.9转矩51

7.10练习题52

第8章加速质量的转矩：T加速54

8.1概要54

8.2转动惯量54

8.3旋转轴线的变换57

8.4wk259

8.5加速物体的转矩59

8.6滚动体64

8.7练习题65

第9章克服摩擦的转矩：T摩擦66

9.1转动和摩擦66

9.2由摩擦产生的转矩：T摩擦67

9.3脚轮摩擦及转台67

9.4回转轴承的摩擦71

9.5练习题75

第10章起升转矩：T起升77

10.1概要77

10.2质量中心78

10.3起升转矩79

10.4练习题82

第11章最大功率和转矩84

11.1功率84

11.2最大功率85

11.3最大转矩92

11.4质量和弹性振动93

11.5练习题94

第12章多种运动的组合96

12.1概要96

12.2直线运动和旋转运动的功率组合96

12.3功率方程的转换条件公式99

12.4多种速度组合的影响101

12.5练习题105

第2篇舞台机械部件

第13章安全108

13.1一般概念108

13.2风险评估109

13.3消除危险109

13.4单件失效预防设计110

13.5设计系数和安全系数111

13.6紧急停机112

13.7相关法规和标准112

13.8正式程序113

13.9检查及维修114

13.10补充信息115

第14章驱动装置116

14.1电动、液动或气动116

14.2驱动机116

14.3电动机116

14.4常见的电动机类型117

14.5规格和配置118

14.6制动减速电动机119

14.7速度/转矩曲线119

14.8机壳120

14.9服务系数120

14.10选择电动机120

14.11液压执行机构121

14.12气压执行机构121

14.13缸122

14.14缸的安装形式和活塞杆的尺寸123

14.15止动管125

14.16缸的选择125

14.17平衡阀127

14.18补充信息127

第15章减速128

15.1减速128

15.2减速方法129

15.3补充信息141

第16章轴142

16.1轴的基础知识142

16.2轴的强度142

16.3轴直径和扭转刚度的经验规则143

16.4轴的其他应力源144

16.5轴的弯扭组合分析145

16.6共振速度146

16.7应力集中147

16.8键和键槽147

16.9实际轴设计的考虑149

16.10补充信息153

第17章轴承和轮154

17.1轴承154

17.2滚动轴承154

17.3滑动轴承155

17.4压力和速度计算156

17.5带座轴承157

17.6直线轴承158

17.7回转支承或转盘轴承159

17.8凸轮从动件160

17.9轨道承载能力161

17.10选择轴承应考虑的问题162

17.11滚轮及脚轮163

17.12滚轮及脚轮的相关术语163

17.13专用轮164

17.14补充信息164

第18章钢丝绳和滑轮165

18.1钢丝绳165

18.2钢丝绳的相关术语165

18.3检查168

18.4滑轮168

18.5滑轮的相关术语169

18.6补充信息171

第19章卷筒172

19.1有槽卷筒172

19.2卷筒的类型172

19.3卷筒部件173

19.4卷筒的材料174

19.5绳槽尺寸175

19.6卷筒的直径175

19.7卷筒的长度175

19.8卷筒槽每英寸螺纹线数176

19.9钢丝绳的锚固177

19.10卷筒的制造177

19.11卷筒绕绳方式178

19.12补充信息179

第20章螺旋副180

20.1螺旋副的基本原理180

20.2滑动螺旋副——爱克米螺纹（英制T形螺纹）181

20.3滚动螺旋副——滚珠丝杠182

20.4常见螺旋副的使用182

20.5补充信息184

第21章制动器185

21.1弹簧装置制动器185

21.2制动噪声187

21.3制动器的安装位置187

21.4手动释放188

21.5安装方向189

21.6流体动力制动回路189

21.7超速制动190

21.8制动与释放速度190

21.9补充信息191

第22章控制元件192

22.1外置传感器192

22.2位置传感193

22.3限位开关速比194

22.4断火195

22.5插接件196

22.6补充信息196

第23章框架及结构197

23.1一般概念197

23.2全护围的框架与敞开的框架197

23.3角钢型与数控切割板型198

23.4钢材与铝材199

23.5安装与操作的选择199

23.6结构设计要考虑的问题200

第3篇机械设计过程

第24章剧场的机械设计204

24.1概要204

24.2五个关键点204

24.3产业和剧场的机械设计207

24.4影响一个人设计能力的因素209

24.5总结213

第25章设计说明215

25.1概要215

25.2什么时候技术规格书是必要的216

25.3一份完整技术说明的要素217

25.4总结227

第26章概念设计228

26.1概要228

26.2概念生成技术229

26.3概念评估233

26.4评估矩阵234

26.5自由度与约束度235

26.6自由度235

26.7一些不同的约束问题238

第27章细化设计239

27.1概要239

27.2分析239

27.3失效模式及后果分析，FMEA241

27.4零部件及材料清单242

27.5绘图242

第28章制造工艺性设计244

28.1概要244

28.2制造工艺性设计244

28.3与工艺性设计有关的问题245

28.4外协加工248

28.5方便装配的设计 250

28.6结论254

第4篇舞台机械纲要

第29章舞台机械纲要256

29.1概要256

29.2多数机器常见的细节257

29.3手动备份259

第30章卷扬机261

30.1概要261

30.2典型应用261

30.3钢丝绳卷筒卷扬机的原理263

30.4链条传动卷扬机的原理263

30.5直接驱动卷扬机的原理264

30.6零偏角卷扬机的原理268

30.7卷扬机的结构细节271

30.8卷扬机的规格问题272

第31章旋转驱动275

31.1概要275

31.2典型应用275

31.3转台驱动原理282

31.4有限转动转台驱动的原理288

31.5机器的细节291

31.6转台驱动的详述293

第32章升降台296

32.1概要296

32.2一种典型应用297

32.3升降台的原理302

32.4液压缸运行升降台和调平技术309

32.5升降台技术参数312

第33章随动布景313

33.1概要313

33.2典型应用313

33.3车台轨道驱动的原理321

33.4电缆拖链机械爪324

参考书目327