基于Rro/E的电梯虚拟设计方法探讨

刘国华

【摘要】电梯是我们日常生活中的重要机电设备，电梯的安装质量是保证日后稳定运行的基础。本文对电梯虚拟设计进行探讨，以供参考。

【关键词】Rro/E；电梯设计；现状；虚拟设计

一、前言

电梯是重要的交通运输工具，已经成为建筑中不可或缺的重要设备。随着人们生活水平的提高，对电梯的需求也越来越大，对其使用功能的要求也不断提高。

二、电梯设计现状

随着改革开放的深入和中国加入世贸组织后市场的进一步开放，国内的电梯企业数量增多，我们将其分为合资企业和民族企业两种类型。从权威机构的统计资料中发现，合资企业的产品占据了电梯市场80%的份额，而国内的民族企业的市场占有率却很低。由于中国电梯工业是在合资的大背景下发展起来，自主研发能力和创新能力严重不足，因此，发展缓慢，规模较小，结果就是品牌竞争力很弱，失去了市场。因此，电梯设计方法的创新将是我国民族电梯企业尤其是中小企业借鉴先进设计经验，追赶世界先进电梯企业，增强市场竞争力的必经之路。

三、创建零件的三维实体模型

电梯设计一般流程：根据产品需求确定总体方案，然后进行零件设计，最后装配，检查组件之间的干涉情况，再次修改前期设计，直到设计满足要求。在Pro/E中任何复杂的机械零件，都可以看成是一些简单的特征经过相互的叠加组合而成。零件的建模过程，实际上就是许多简单特征的相互组合的过程。电梯中的零件有：轴、带轮、轴承、端盖、箱体，梁，钣金件等。要根据它们的结构特点，选择不同的建模方法。生成一个零件的方法也有多种。在实际设计时，要考虑到设计变量的设定合理性及修改方便等方面因素选定合理的建模方法。建模过程：

1、绘制二维草繪设计图，灵活选用标注和约束参照；

2、使用拉伸、旋转、扫描混合、复制以及阵列等方法创建基础实体特征；

3、在基础实体特征上添加轴孔、键槽、倒角等修饰特征。

上述草图绘制最关键，关系到生成模型的正确性，草图绘制通常遵循：一是以Sketch指令绘制所需草图；二是以Dimension指令标示所要的尺寸，或是使用几何条件帮助定义草图的几何参数；三是Regenerate。这是必经的计算过程，Pro/E会以你所标示与定义的几何条件判断草图的几何参数是否完全定义妥当，而不管是否有成功的定义，皆可以用SAVE指令加以存储；四是若有需要还可以加入Relation（数学关系式），以便定义相互关联尺寸之间的函数关系；或用Modify指令修改草图的尺寸；以Modify修正的尺寸会以白色显示，这时候一定要以Regenerate指令对草图重生成，才可以看到更新后的形状。

四、虚拟样机和虚拟场景

1、电梯安装工艺的分析

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、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，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。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。

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。

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。

五、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。

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。

六、虚拟电梯的综合调试

通过调试虚拟电梯模型、通信程序、控制程序，找出故障和变差，再进行修改和完善，使之能够仿真实际电梯所拥有的功能。按照下面的步骤进行调试。

1、信号的采集与传送

在虚拟电梯模型中添加一个Timer定时器，每30ms触发一次，执行定时器内的语句：扫描内呼叫按钮、外呼叫按钮、楼层位置限位、开关门限位信号状态，并把信号存入相对应的二进制位数组元素中，然后转化成十进制数，放入发送缓冲区，发送数据等待PLC接收。

2、数据的接收与处理

PLC接收到数据后存入接收缓冲区，然后存入相对应的控制继电器中，执行控制程序。

3、数据的返回与控制

程序执行时，控制继电器中存有电梯模型需要的控制命令和状态信号：内外呼叫按钮指示灯亮灭、楼层显示、开关门、上下行启动指示、停止信号、上下行显示。PLC将这些信号数据发送到PC上，PC对这些数据解码（把收到的十进制数转换成32个二进制位数）存入数组中，然后根据此数组中的信息来控制电梯模型的动作。

七、结束语

总之，随着信息技术的发展和进步，电梯虚拟设计水平也不断提高，使电梯的应用范围更加广泛，也促进了电梯行业的发展。

参考文献

[1]陈凤旺.自主创新：中国电梯行业发展的必由之路[J].建设科技，2014，23：54

[2]宗群，罗欣宇，王中海.虚拟电梯系统的开发与应用[J].制造业自动化，2012，28：56-59.