摘要：電梯的可靠運行與使用安全，關(guān)系到乘客的生命財產(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基礎上，探討了在虛擬施工環(huán)境中實(shí)現電梯的安裝工藝，并建立了適于安裝過(guò)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(guò)程的動(dòng)畫(huà)，更主要的是實(shí)現了人機的交互。同時(shí)建立了電梯安裝的虛擬施工環(huán)境，通過(guò)虛擬交互式操作，完成了對電梯安裝工藝的施工指導?？梢詾榕嘤栯娞莅惭b技術(shù)人員提供一套清晰直觀(guān)，便于理解的教學(xué)培訓系統。
關(guān)鍵詞：總體設計；虛擬場(chǎng)景；工藝交互式
前言
由于電梯設備的施工環(huán)境惡劣給現場(chǎng)安裝培訓帶來(lái)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(shí)工作場(chǎng)景的問(wèn)題，且在培訓內容、培訓地點(diǎn)和培訓時(shí)間的選擇上也不夠靈活。近年來(lái)，隨著(zhù)虛擬技術(shù)開(kāi)始應用到各個(gè)培訓領(lǐng)域中，電梯安裝過(guò)程的虛擬培訓就顯得尤為重要，能夠解決傳統培訓過(guò)程中出現的諸多問(wèn)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(mǎn)足信息時(shí)代技能培訓不斷變化的要求。虛擬培訓系統可以對時(shí)空、內容、設備、角色等進(jìn)行虛擬，創(chuàng )造一個(gè)人性化的學(xué)習環(huán)境，使受訓人員能夠在親切、自然而且安全的虛擬環(huán)境中方便地取得感性知識和實(shí)際經(jīng)驗。
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備。隨著(zhù)整體國民經(jīng)濟實(shí)力的提高，人們生活消費水平的明顯增長(cháng)，房地產(chǎn)開(kāi)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)對電梯的需求，帶動(dòng)了住宅電梯的迅速增長(cháng)，成為整個(gè)電梯市場(chǎng)的主要增長(cháng)點(diǎn)。電梯是一個(gè)復雜的機電系統，其安裝調試品質(zhì)的水平，直接影響著(zhù)電梯的運行品質(zhì)。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(yè)安裝現狀不容樂(lè )觀(guān)。如何保證電梯的可靠運行與使用安全，切實(shí)滿(mǎn)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(gè)環(huán)節進(jìn)行了深入分析。
1電梯總體設計
1.1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(mén)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(guān)電梯部件上的電氣元件等。
1.2電梯是一種典型的機電產(chǎn)品，其模型裝配與運動(dòng)要趨于真實(shí)，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(shí)環(huán)境，模擬出一套現場(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、數據庫模塊作為底層支持系統總體架構設計如圖1所示。動(dòng)作交互控制單元主要完成電梯虛擬樣機和施工環(huán)境的建立以及安裝工藝的分析和實(shí)現。數據庫模塊包括專(zhuān)家數據庫、三維模型庫、設計經(jīng)驗數據庫、加工經(jīng)驗數據庫和施工經(jīng)驗數據庫等。管理模塊包括賬戶(hù)的管理、設備的信息、客戶(hù)的信息及反饋等。
2虛擬樣機和虛擬場(chǎng)景
2.1電梯安裝工藝的分析
2.1.1下面通過(guò)對上海某電梯公司的電梯現場(chǎng)安裝施工的實(shí)際觀(guān)察和相關(guān)資料的研究，來(lái)分析電梯的施工工藝。
2.1.2電梯的施工安裝過(guò)程涉及到的零部件種類(lèi)繁雜，幾何模型主要是電梯機械部件和電氣部件。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(xiàn)等。
2.1.3根據電梯安裝工藝，把電梯虛擬樣機分成八個(gè)部分，分別是導軌部分、層門(mén)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(lái)進(jìn)行建模、裝配、參數的定義。
2.2電梯虛擬樣機的建立
2.2.1電梯虛擬樣機模型建立，首先要了解電梯施工工藝的相關(guān)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(shù)資料（如圖紙、說(shuō)明書(shū)、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(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、導出的工作，并且可以根據要求進(jìn)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。
2.2.2由于是對施工過(guò)程的虛擬再現，而不是對電梯的零部件制造過(guò)程進(jìn)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(chǎng)時(shí)所處的狀態(tài)，來(lái)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(jiǎn)化，之后可以在虛擬場(chǎng)景中用貼圖代替。
2.2.3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(chǎng)商根據土建尺寸來(lái)設計制造電梯。所以只要獲得相關(guān)的井道布置圖，根據曳引繩-導向輪系統的繞線(xiàn)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)導入虛擬樣機模型，實(shí)現導入模型和定位關(guān)系以及按照施工步驟實(shí)現電梯虛擬模型，動(dòng)作函數的封裝以及實(shí)現的過(guò)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
3.1實(shí)現安裝工藝交互式動(dòng)作，利用傳感器，實(shí)現鼠標拖動(dòng)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(shí)時(shí)位置進(jìn)行比較，設定一個(gè)取值范圍，進(jìn)行判斷是否執行預定義的動(dòng)作。
3.2在VRML語(yǔ)言中，創(chuàng )建交互式動(dòng)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(diǎn)用于感知觀(guān)察者拖動(dòng)的動(dòng)作，并且計算出平移距離通過(guò)translation_changed域將這個(gè)距離輸出給相應模型的translation坐標?？蓪⑹髽藙?dòng)作轉換成造型的輸出，利用該傳感器，可以實(shí)現鼠標拖動(dòng)模型平移到任意位置。Cylinder節點(diǎn)也可以感知一個(gè)觀(guān)察者的拖動(dòng)動(dòng)作，并且計算旋轉軸和角度，且通過(guò)它的rotation_changed域將這個(gè)旋轉運動(dòng)輸出給相應模型的rotation坐標。同樣，SphereSensor也是用于感知觀(guān)察者拖動(dòng)的動(dòng)作，與CylinderSensor節點(diǎn)不同的是，＼SphereSensor可以使模型繞任意軸旋轉。
3.3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(wèn)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(shí)時(shí)位置進(jìn)行比較，設定一個(gè)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(dòng)畫(huà)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(gè)坐標的取值范圍為（0.9～1.1）。圖5（a）為操作人員拖動(dòng)擱機主梁動(dòng)作，圖5（b）為操作模型的實(shí)時(shí)位置滿(mǎn)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(dòng)畫(huà)。
（a）拖動(dòng)模型動(dòng)作（b）執行預定義安裝動(dòng)畫(huà)
4結束語(yǔ)
綜上所述，電梯是日常生活中不可缺少的機械和電氣設備、電梯安裝質(zhì)量，確保運行可靠和使用安全是特別重要的。在虛擬環(huán)境的建設已經(jīng)討論了實(shí)現電梯安裝過(guò)程，并分析了電梯安裝過(guò)程的知識，最終設計開(kāi)發(fā)了可用于交互式虛擬模型的電梯。除了設計模型根據確定的路徑模擬電梯安裝過(guò)程的動(dòng)畫(huà)，更主要是實(shí)現人機交互。建立電梯安裝施工虛擬環(huán)境的同時(shí)，通過(guò)虛擬交互操作，完成電梯安裝過(guò)程指導。安裝和技術(shù)人員培訓的教學(xué)提供了一個(gè)方便的和有效的訓練方法。
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