杜寶江，龔 威，丁咸海

DU Bao-jiang，GONG Wei，DING Xian-hai

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)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(chǎng)所已經(jīng)成為不可或缺的建筑設(shè)備。隨著整體國(guó)民經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提高，人們生活消費(fèi)水平的明顯增長(zhǎng)，房地產(chǎn)開發(fā)商紛紛大力推出中高檔的小高層及高層住宅樓；房地產(chǎn)市場(chǎng)對(duì)電梯的需求，帶動(dòng)了住宅電梯的迅速增長(zhǎng)，成為整個(gè)電梯市場(chǎng)的主要增長(zhǎng)點(diǎn)[1]。電梯是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，其安裝調(diào)試品質(zhì)的水平，直接影響著電梯的運(yùn)行品質(zhì)。由于缺乏高技能安裝人才以及施工不規(guī)范等，目前電梯行業(yè)安裝現(xiàn)狀不容樂觀。如何保證電梯的可靠運(yùn)行與使用安全，切實(shí)滿足人們對(duì)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(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了深入分析。

由于電梯設(shè)備的施工環(huán)境惡劣給現(xiàn)場(chǎng)安裝培訓(xùn)帶來極大困難，而傳統(tǒng)的使用模型、視頻、講解等方式又難以模擬真實(shí)工作場(chǎng)景的問題，且在培訓(xùn)內(nèi)容、培訓(xùn)地點(diǎn)和培訓(xùn)時(shí)間的選擇上也不夠靈活。近年來，隨著虛擬技術(shù)開始應(yīng)用到各個(gè)培訓(xùn)領(lǐng)域中[2～5]，電梯安裝過程的虛擬培訓(xùn)就顯得尤為重要，能夠解決傳統(tǒng)培訓(xùn)過程中出現(xiàn)的諸多問題。

目前國(guó)內(nèi)尚未有電梯采用虛擬交互的虛擬安裝培訓(xùn)，而采用電梯安裝和維護(hù)虛擬培訓(xùn)能滿足信息時(shí)代技能培訓(xùn)不斷變化的要求。虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)可以對(duì)時(shí)空、內(nèi)容、設(shè)備、角色等進(jìn)行虛擬，創(chuàng)造一個(gè)人性化的學(xué)習(xí)環(huán)境，使受訓(xùn)人員能夠在親切、自然而且安全的虛擬環(huán)境中方便地取得感性知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1 總體設(shè)計(jì)

電梯主要分為機(jī)械部分和電氣部分。機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由曳引系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、轎廂、門系統(tǒng)、重量平衡系統(tǒng)、機(jī)械安全保護(hù)系統(tǒng)等組成。電氣系統(tǒng)一般十分復(fù)雜，包括電氣控制系統(tǒng)、操縱箱等部件以及分別裝在各有關(guān)電梯部件上的電氣元件等。

電梯是一種典型的機(jī)電產(chǎn)品，其模型裝配與運(yùn)動(dòng)要趨于真實(shí)，所以需要參數(shù)化設(shè)計(jì)，構(gòu)建虛擬樣機(jī)，盡量采取仿真的手段，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，模擬出一套現(xiàn)場(chǎng)施工的場(chǎng)景。有一套完整的動(dòng)作交互控制模塊。管理模塊、數(shù)據(jù)庫模塊作為底層支持系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。動(dòng)作交互控制單元主要完成電梯虛擬樣機(jī)和施工環(huán)境的建立以及安裝工藝的分析和實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)庫模塊包括專家數(shù)據(jù)庫、三維模型庫、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫、加工經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫和施工經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫等。管理模塊包括賬戶的管理、設(shè)備的信息、客戶的信息及反饋等。

2 虛擬樣機(jī)和虛擬場(chǎng)景

2.1 電梯安裝工藝的分析

下面通過對(duì)上海某電梯公司的電梯現(xiàn)場(chǎng)安裝施工的實(shí)際觀察和相關(guān)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(jī)械部件和電氣部件。環(huán)境模型主要是施工環(huán)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(jù)電梯安裝工藝，把電梯虛擬樣機(jī)分成八個(gè)部分，分別是導(dǎo)軌部分、層門部分、緩沖器部分、轎廂部分、對(duì)重部分、機(jī)房設(shè)備部分、補(bǔ)償鏈部分、電氣裝置部分。使用Solidworks軟件來進(jìn)行建模、裝配、參數(shù)的定義。

2.2 電梯虛擬樣機(jī)的建立

電梯虛擬樣機(jī)模型建立，首先要了解電梯施工工藝的相關(guān)知識(shí)，再根據(jù)工藝知識(shí)劃分零部件層級(jí)結(jié)構(gòu)，參考相應(yīng)的技術(shù)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(dǎo)出和運(yùn)動(dòng)定義給出完整的零部件約束關(guān)系），最后可以進(jìn)行優(yōu)化、導(dǎo)出的工作，并且可以根據(jù)要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)哪Ｐ驼故?。電梯虛擬樣機(jī)模型建立流程如圖2所示。

由于是對(duì)施工過程的虛擬再現(xiàn)，而不是對(duì)電梯的零部件制造過程進(jìn)行模擬，所以以“施工步驟”為核心思想建立模型，即當(dāng)前步驟的模型在施工現(xiàn)場(chǎng)時(shí)所處的狀態(tài)，來確定模型建立的層級(jí)結(jié)構(gòu)，以及精細(xì)程度。有些模型可以適當(dāng)簡(jiǎn)化，之后可以在虛擬場(chǎng)景中用貼圖代替。

圖2 虛擬樣機(jī)模型建立流程

電梯的施工是在具體的施工環(huán)境下進(jìn)行的，因此建立電梯的施工環(huán)境如機(jī)房和井道的模型就必不可少。其中，機(jī)房及井道的尺寸是屬于土建尺寸的，是大樓預(yù)先設(shè)計(jì)好的房屋尺寸。電梯廠商根據(jù)土建尺寸來設(shè)計(jì)制造電梯。所以只要獲得相關(guān)的井道布置圖，根據(jù)曳引繩-導(dǎo)向輪系統(tǒng)的繞線原理，就可以確定模型的尺寸。

2.3 電梯虛擬場(chǎng)景的生成

電梯虛擬場(chǎng)景制作主要涉及到動(dòng)態(tài)導(dǎo)入虛擬樣機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)入模型和定位關(guān)系以及按照施工步驟實(shí)現(xiàn)電梯虛擬模型，動(dòng)作函數(shù)的封裝以及實(shí)現(xiàn)的過程，各施工步驟是如何給予動(dòng)作定義的，交互式動(dòng)作及接口的實(shí)現(xiàn)以及模型的相關(guān)處理。電梯虛擬場(chǎng)景制作的流程如圖3所示。

3 虛擬安裝工藝交互式動(dòng)作

實(shí)現(xiàn)安裝工藝交互式動(dòng)作，利用傳感器，實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)拖動(dòng)模型平移到相應(yīng)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(yù)安裝的位置與模擬操作模型的實(shí)時(shí)位置進(jìn)行比較，設(shè)定一個(gè)取值范圍，進(jìn)行判斷是否執(zhí)行預(yù)定義的動(dòng)作。其原理如圖4所示。

圖3 虛擬場(chǎng)景制作流程

圖4 虛擬交互式動(dòng)作制作標(biāo)準(zhǔn)流程

在VRML語言中，創(chuàng)建交互式動(dòng)作的基本方法是用平面?zhèn)鞲衅鱌laneSensor、柱體傳感器CylinderSensor、和球體傳感器SphereSensor。其中，PlaneSensor節(jié)點(diǎn)用于感知觀察者拖動(dòng)的動(dòng)作，并且計(jì)算出平移距離通過translation_changed域?qū)⑦@個(gè)距離輸出給相應(yīng)模型的translation坐標(biāo)?？蓪⑹髽?biāo)動(dòng)作轉(zhuǎn)換成造型的輸出，利用該傳感器，可以實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)拖動(dòng)模型平移到任意位置。Cylinder節(jié)點(diǎn)也可以感知一個(gè)觀察者的拖動(dòng)動(dòng)作，并且計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸和角度，且通過它的rotation_changed域?qū)⑦@個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)輸出給相應(yīng)模型的rotation坐標(biāo)。同樣，SphereSensor也是用于感知觀察者拖動(dòng)的動(dòng)作，與CylinderSensor節(jié)點(diǎn)不同的是，SphereSensor可以使模型繞任意軸旋轉(zhuǎn)。

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(gè)問題，可以利用腳本將模型預(yù)安裝的位置與操作者模擬操作模型的實(shí)時(shí)位置進(jìn)行比較，設(shè)定一個(gè)取值范圍，只要X、Y、Z的坐標(biāo)值均在取值范圍內(nèi)，模型就可以執(zhí)行預(yù)定義的動(dòng)畫了。例如擱機(jī)主梁，其最終的安裝位置坐標(biāo)為（1，1，1），設(shè)定X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)的取值范圍為（0.9～1.1）。圖5(a)為操作人員拖動(dòng)擱機(jī)主梁動(dòng)作，圖5(b)為操作模型的實(shí)時(shí)位置滿足X、Y、Z的坐標(biāo)值均在取值范圍內(nèi)，便執(zhí)行擱機(jī)主梁的預(yù)定義安裝動(dòng)畫。

圖5 擱機(jī)主梁的虛擬交互式動(dòng)作

4 結(jié)束語

電梯的可靠運(yùn)行與使用安全，關(guān)系到乘客的生命財(cái)產(chǎn)安全，因此進(jìn)行科學(xué)的施工、保證施工的質(zhì)量就顯得尤為重要。在了解并分析了電梯安裝工藝的知識(shí)基礎(chǔ)上，探討了在虛擬施工環(huán)境中實(shí)現(xiàn)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(jī)。該模型除了設(shè)計(jì)了根據(jù)確定路徑模擬電梯安裝過程的動(dòng)畫，更主要的是實(shí)現(xiàn)了人機(jī)的交互。同時(shí)建立了電梯安裝的虛擬施工環(huán)境，通過虛擬交互式操作，完成了對(duì)電梯安裝工藝的施工指導(dǎo)?？梢詾榕嘤?xùn)電梯安裝技術(shù)人員提供一套清晰直觀，便于理解的教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)。

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