电梯虚拟安装工艺的实现

杜宝江，龚 威，丁咸海

DU Bao-jiang，GONG Wei，DING Xian-hai

（上海理工大学 机械工程学院，上海 200093）

0 引言

电梯作为垂直方向的交通工具，在高层建筑和公共场所已经成为不可或缺的建筑设备。随着整体国民经济实力的提高，人们生活消费水平的明显增长，房地产开发商纷纷大力推出中高档的小高层及高层住宅楼；房地产市场对电梯的需求，带动了住宅电梯的迅速增长，成为整个电梯市场的主要增长点[1]。电梯是一个复杂的机电系统，其安装调试品质的水平，直接影响着电梯的运行品质。由于缺乏高技能安装人才以及施工不规范等，目前电梯行业安装现状不容乐观。如何保证电梯的可靠运行与使用安全，切实满足人们对电梯的快捷性和舒适性等多方面的要求，本文从电梯安装这个环节进行了深入分析。

由于电梯设备的施工环境恶劣给现场安装培训带来极大困难，而传统的使用模型、视频、讲解等方式又难以模拟真实工作场景的问题，且在培训内容、培训地点和培训时间的选择上也不够灵活。近年来，随着虚拟技术开始应用到各个培训领域中[2～5]，电梯安装过程的虚拟培训就显得尤为重要，能够解决传统培训过程中出现的诸多问题。

目前国内尚未有电梯采用虚拟交互的虚拟安装培训，而采用电梯安装和维护虚拟培训能满足信息时代技能培训不断变化的要求。虚拟培训系统可以对时空、内容、设备、角色等进行虚拟，创造一个人性化的学习环境，使受训人员能够在亲切、自然而且安全的虚拟环境中方便地取得感性知识和实际经验。

图1 系统总体架构

1 总体设计

电梯主要分为机械部分和电气部分。机械结构主要由曳引系统、导向系统、轿厢、门系统、重量平衡系统、机械安全保护系统等组成。电气系统一般十分复杂，包括电气控制系统、操纵箱等部件以及分别装在各有关电梯部件上的电气元件等。

电梯是一种典型的机电产品，其模型装配与运动要趋于真实，所以需要参数化设计，构建虚拟样机，尽量采取仿真的手段，结合虚拟现实环境，模拟出一套现场施工的场景。有一套完整的动作交互控制模块。管理模块、数据库模块作为底层支持系统总体架构设计如图1所示。动作交互控制单元主要完成电梯虚拟样机和施工环境的建立以及安装工艺的分析和实现。数据库模块包括专家数据库、三维模型库、设计经验数据库、加工经验数据库和施工经验数据库等。管理模块包括账户的管理、设备的信息、客户的信息及反馈等。

2 虚拟样机和虚拟场景

2.1 电梯安装工艺的分析

下面通过对上海某电梯公司的电梯现场安装施工的实际观察和相关资料的研究，来分析电梯的施工工艺。

电梯的施工安装过程涉及到的零部件种类繁杂，几何模型主要是电梯机械部件和电气部件。环境模型主要是施工环境、施工工具、辅助工具等。施工方式也各不相同，如螺栓紧固、焊接、绕线等。

根据电梯安装工艺，把电梯虚拟样机分成八个部分，分别是导轨部分、层门部分、缓冲器部分、轿厢部分、对重部分、机房设备部分、补偿链部分、电气装置部分。使用Solidworks软件来进行建模、装配、参数的定义。

2.2 电梯虚拟样机的建立

电梯虚拟样机模型建立，首先要了解电梯施工工艺的相关知识，再根据工艺知识划分零部件层级结构，参考相应的技术资料（如图纸、说明书、图片等）建立各部件的零件模型，然后将这些零件分别装配成部件，并将这些部件装配成总装配体（为之后的导出和运动定义给出完整的零部件约束关系），最后可以进行优化、导出的工作，并且可以根据要求进行适当的模型展示。电梯虚拟样机模型建立流程如图2所示。

由于是对施工过程的虚拟再现，而不是对电梯的零部件制造过程进行模拟，所以以“施工步骤”为核心思想建立模型，即当前步骤的模型在施工现场时所处的状态，来确定模型建立的层级结构，以及精细程度。有些模型可以适当简化，之后可以在虚拟场景中用贴图代替。

图2 虚拟样机模型建立流程

电梯的施工是在具体的施工环境下进行的，因此建立电梯的施工环境如机房和井道的模型就必不可少。其中，机房及井道的尺寸是属于土建尺寸的，是大楼预先设计好的房屋尺寸。电梯厂商根据土建尺寸来设计制造电梯。所以只要获得相关的井道布置图，根据曳引绳-导向轮系统的绕线原理，就可以确定模型的尺寸。

2.3 电梯虚拟场景的生成

电梯虚拟场景制作主要涉及到动态导入虚拟样机模型，实现导入模型和定位关系以及按照施工步骤实现电梯虚拟模型，动作函数的封装以及实现的过程，各施工步骤是如何给予动作定义的，交互式动作及接口的实现以及模型的相关处理。电梯虚拟场景制作的流程如图3所示。

3 虚拟安装工艺交互式动作

实现安装工艺交互式动作，利用传感器，实现鼠标拖动模型平移到相应位置。并判断是否将虚拟模型放置到了正确的安装位置，利用脚本将模型预安装的位置与模拟操作模型的实时位置进行比较，设定一个取值范围，进行判断是否执行预定义的动作。其原理如图4所示。

图3 虚拟场景制作流程

图4 虚拟交互式动作制作标准流程

在VRML语言中，创建交互式动作的基本方法是用平面传感器PlaneSensor、柱体传感器CylinderSensor、和球体传感器SphereSensor。其中，PlaneSensor节点用于感知观察者拖动的动作，并且计算出平移距离通过translation_changed域将这个距离输出给相应模型的translation坐标。可将鼠标动作转换成造型的输出，利用该传感器，可以实现鼠标拖动模型平移到任意位置。Cylinder节点也可以感知一个观察者的拖动动作，并且计算旋转轴和角度，且通过它的rotation_changed域将这个旋转运动输出给相应模型的rotation坐标。同样，SphereSensor也是用于感知观察者拖动的动作，与CylinderSensor节点不同的是，SphereSensor可以使模型绕任意轴旋转。

为解决如何判断操作人员是否将虚拟模型放置到了正确的安装位置这个问题，可以利用脚本将模型预安装的位置与操作者模拟操作模型的实时位置进行比较，设定一个取值范围，只要X、Y、Z的坐标值均在取值范围内，模型就可以执行预定义的动画了。例如搁机主梁，其最终的安装位置坐标为（1，1，1），设定X、Y、Z三个坐标的取值范围为（0.9～1.1）。图5(a)为操作人员拖动搁机主梁动作，图5(b)为操作模型的实时位置满足X、Y、Z的坐标值均在取值范围内，便执行搁机主梁的预定义安装动画。

图5 搁机主梁的虚拟交互式动作

4 结束语

电梯的可靠运行与使用安全，关系到乘客的生命财产安全，因此进行科学的施工、保证施工的质量就显得尤为重要。在了解并分析了电梯安装工艺的知识基础上，探讨了在虚拟施工环境中实现电梯的安装工艺，并建立了适于安装过程的可用于交互的电梯虚拟样机。该模型除了设计了根据确定路径模拟电梯安装过程的动画，更主要的是实现了人机的交互。同时建立了电梯安装的虚拟施工环境，通过虚拟交互式操作，完成了对电梯安装工艺的施工指导。可以为培训电梯安装技术人员提供一套清晰直观，便于理解的教学培训系统。

[1] 鲁华宾,韩金华.电梯运行安全可靠性的探讨[J].装备制造技术,2011,21(3):161-163.

[2] 吴恩启,王宝震,闵锐,等.盾构机虚拟培训关键技术[J].计算机系统应用,2012,21(3):151-153,197.

[3] 李玉忠,杜慧军.虚拟现实技术综述与基于Internet的虚拟培训系统设计[J].计算机工程与应用,2012,15(44):127-129.

[4] 刘晓明,李军,尹晓喆.虚拟培训技术在石油工业中的应用[J].大庆石油学院学报,2006,30(8):126-128.

[5] 谢成,邰能灵,袁成,等.变电站分布式仿真虚拟培训系统的研制[J].水电能源科学,2008,26(7):175-178.