電梯虛擬安裝工藝的實現

杜寶江，龔 威，丁咸海

DU Bao-jiang，GONG Wei，DING Xian-hai

（上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

0 引言

電梯作為垂直方向的交通工具，在高層建筑和公共場所已經成為不可或缺的建筑設備。隨著整體國民經濟實力的提高，人們生活消費水平的明顯增長，房地產開發商紛紛大力推出中高檔的小高層及高層住宅樓；房地產市場對電梯的需求，帶動了住宅電梯的迅速增長，成為整個電梯市場的主要增長點[1]。電梯是一個復雜的機電系統，其安裝調試品質的水平，直接影響著電梯的運行品質。由于缺乏高技能安裝人才以及施工不規范等，目前電梯行業安裝現狀不容樂觀。如何保證電梯的可靠運行與使用安全，切實滿足人們對電梯的快捷性和舒適性等多方面的要求，本文從電梯安裝這個環節進行了深入分析。

由于電梯設備的施工環境惡劣給現場安裝培訓帶來極大困難，而傳統的使用模型、視頻、講解等方式又難以模擬真實工作場景的問題，且在培訓內容、培訓地點和培訓時間的選擇上也不夠靈活。近年來，隨著虛擬技術開始應用到各個培訓領域中[2～5]，電梯安裝過程的虛擬培訓就顯得尤為重要，能夠解決傳統培訓過程中出現的諸多問題。

目前國內尚未有電梯采用虛擬交互的虛擬安裝培訓，而采用電梯安裝和維護虛擬培訓能滿足信息時代技能培訓不斷變化的要求。虛擬培訓系統可以對時空、內容、設備、角色等進行虛擬，創造一個人性化的學習環境，使受訓人員能夠在親切、自然而且安全的虛擬環境中方便地取得感性知識和實際經驗。

圖1 系統總體架構

1 總體設計

電梯主要分為機械部分和電氣部分。機械結構主要由曳引系統、導向系統、轎廂、門系統、重量平衡系統、機械安全保護系統等組成。電氣系統一般十分復雜，包括電氣控制系統、操縱箱等部件以及分別裝在各有關電梯部件上的電氣元件等。

電梯是一種典型的機電產品，其模型裝配與運動要趨于真實，所以需要參數化設計，構建虛擬樣機，盡量采取仿真的手段，結合虛擬現實環境，模擬出一套現場施工的場景。有一套完整的動作交互控制模塊。管理模塊、數據庫模塊作為底層支持系統總體架構設計如圖1所示。動作交互控制單元主要完成電梯虛擬樣機和施工環境的建立以及安裝工藝的分析和實現。數據庫模塊包括專家數據庫、三維模型庫、設計經驗數據庫、加工經驗數據庫和施工經驗數據庫等。管理模塊包括賬戶的管理、設備的信息、客戶的信息及反饋等。

2 虛擬樣機和虛擬場景

2.1 電梯安裝工藝的分析

下面通過對上海某電梯公司的電梯現場安裝施工的實際觀察和相關資料的研究，來分析電梯的施工工藝。

電梯的施工安裝過程涉及到的零部件種類繁雜，幾何模型主要是電梯機械部件和電氣部件。環境模型主要是施工環境、施工工具、輔助工具等。施工方式也各不相同，如螺栓緊固、焊接、繞線等。

根據電梯安裝工藝，把電梯虛擬樣機分成八個部分，分別是導軌部分、層門部分、緩沖器部分、轎廂部分、對重部分、機房設備部分、補償鏈部分、電氣裝置部分。使用Solidworks軟件來進行建模、裝配、參數的定義。

2.2 電梯虛擬樣機的建立

電梯虛擬樣機模型建立，首先要了解電梯施工工藝的相關知識，再根據工藝知識劃分零部件層級結構，參考相應的技術資料（如圖紙、說明書、圖片等）建立各部件的零件模型，然后將這些零件分別裝配成部件，并將這些部件裝配成總裝配體（為之后的導出和運動定義給出完整的零部件約束關系），最后可以進行優化、導出的工作，并且可以根據要求進行適當的模型展示。電梯虛擬樣機模型建立流程如圖2所示。

由于是對施工過程的虛擬再現，而不是對電梯的零部件制造過程進行模擬，所以以“施工步驟”為核心思想建立模型，即當前步驟的模型在施工現場時所處的狀態，來確定模型建立的層級結構，以及精細程度。有些模型可以適當簡化，之后可以在虛擬場景中用貼圖代替。

圖2 虛擬樣機模型建立流程

電梯的施工是在具體的施工環境下進行的，因此建立電梯的施工環境如機房和井道的模型就必不可少。其中，機房及井道的尺寸是屬于土建尺寸的，是大樓預先設計好的房屋尺寸。電梯廠商根據土建尺寸來設計制造電梯。所以只要獲得相關的井道布置圖，根據曳引繩-導向輪系統的繞線原理，就可以確定模型的尺寸。

2.3 電梯虛擬場景的生成

電梯虛擬場景制作主要涉及到動態導入虛擬樣機模型，實現導入模型和定位關系以及按照施工步驟實現電梯虛擬模型，動作函數的封裝以及實現的過程，各施工步驟是如何給予動作定義的，交互式動作及接口的實現以及模型的相關處理。電梯虛擬場景制作的流程如圖3所示。

3 虛擬安裝工藝交互式動作

實現安裝工藝交互式動作，利用傳感器，實現鼠標拖動模型平移到相應位置。并判斷是否將虛擬模型放置到了正確的安裝位置，利用腳本將模型預安裝的位置與模擬操作模型的實時位置進行比較，設定一個取值范圍，進行判斷是否執行預定義的動作。其原理如圖4所示。

圖3 虛擬場景制作流程

圖4 虛擬交互式動作制作標準流程

在VRML語言中，創建交互式動作的基本方法是用平面傳感器PlaneSensor、柱體傳感器CylinderSensor、和球體傳感器SphereSensor。其中，PlaneSensor節點用于感知觀察者拖動的動作，并且計算出平移距離通過translation_changed域將這個距離輸出給相應模型的translation坐標。可將鼠標動作轉換成造型的輸出，利用該傳感器，可以實現鼠標拖動模型平移到任意位置。Cylinder節點也可以感知一個觀察者的拖動動作，并且計算旋轉軸和角度，且通過它的rotation_changed域將這個旋轉運動輸出給相應模型的rotation坐標。同樣，SphereSensor也是用于感知觀察者拖動的動作，與CylinderSensor節點不同的是，SphereSensor可以使模型繞任意軸旋轉。

為解決如何判斷操作人員是否將虛擬模型放置到了正確的安裝位置這個問題，可以利用腳本將模型預安裝的位置與操作者模擬操作模型的實時位置進行比較，設定一個取值范圍，只要X、Y、Z的坐標值均在取值范圍內，模型就可以執行預定義的動畫了。例如擱機主梁，其最終的安裝位置坐標為（1，1，1），設定X、Y、Z三個坐標的取值范圍為（0.9～1.1）。圖5(a)為操作人員拖動擱機主梁動作，圖5(b)為操作模型的實時位置滿足X、Y、Z的坐標值均在取值范圍內，便執行擱機主梁的預定義安裝動畫。

圖5 擱機主梁的虛擬交互式動作

4 結束語

電梯的可靠運行與使用安全，關系到乘客的生命財產安全，因此進行科學的施工、保證施工的質量就顯得尤為重要。在了解并分析了電梯安裝工藝的知識基礎上，探討了在虛擬施工環境中實現電梯的安裝工藝，并建立了適于安裝過程的可用于交互的電梯虛擬樣機。該模型除了設計了根據確定路徑模擬電梯安裝過程的動畫，更主要的是實現了人機的交互。同時建立了電梯安裝的虛擬施工環境，通過虛擬交互式操作，完成了對電梯安裝工藝的施工指導。可以為培訓電梯安裝技術人員提供一套清晰直觀，便于理解的教學培訓系統。

[1] 魯華賓,韓金華.電梯運行安全可靠性的探討[J].裝備制造技術,2011,21(3):161-163.

[2] 吳恩啟,王寶震,閔銳,等.盾構機虛擬培訓關鍵技術[J].計算機系統應用,2012,21(3):151-153,197.

[3] 李玉忠,杜慧軍.虛擬現實技術綜述與基于Internet的虛擬培訓系統設計[J].計算機工程與應用,2012,15(44):127-129.

[4] 劉曉明,李軍,尹曉喆.虛擬培訓技術在石油工業中的應用[J].大慶石油學院學報,2006,30(8):126-128.

[5] 謝成,邰能靈,袁成,等.變電站分布式仿真虛擬培訓系統的研制[J].水電能源科學,2008,26(7):175-178.