提升裝備虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

寇子明　郭寧　吳娟　高貴軍　秦豪　李軍霞　楊麗鳳

摘要：在現(xiàn)有教學(xué)與實驗環(huán)節(jié)不足的基礎(chǔ)上，對礦井提升系統(tǒng)實踐教學(xué)進(jìn)行了改革，包括開發(fā)了礦井提升鋼絲繩試驗混合仿真模擬教學(xué)演示系統(tǒng)與基于Automation Studio混合仿真模擬教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的應(yīng)用可使學(xué)習(xí)者能夠在虛擬平臺上自由、直觀、交互、可重復(fù)地學(xué)習(xí)提升系統(tǒng)相關(guān)知識；學(xué)生可以在虛擬平臺上，親自動手，模擬各種工況，實施人機交互。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗系統(tǒng)；帶式輸送機；實驗教學(xué)；混合仿真

中圖分類號：TH222 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）04-0201-02

我國是礦產(chǎn)大國，其中大部分礦產(chǎn)資源采用井工開采，每年我國礦井提運煤炭和物料達(dá)幾十億噸。目前同時服役的礦井提升設(shè)備約有7000臺[1]。本文在現(xiàn)有教學(xué)與實驗環(huán)節(jié)不足的基礎(chǔ)上，依托我?，F(xiàn)有的教學(xué)及研發(fā)能力將礦井提升虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)充分靈活地應(yīng)用到機械工程專業(yè)的相關(guān)理論及實踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)方案中，將多個教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)內(nèi)容和知識能力大綱精細(xì)地結(jié)合起來，以期為機械工程專業(yè)人才的培養(yǎng)提供一些有益的探索[2]。

一、礦井提升機簡介及現(xiàn)有教學(xué)系統(tǒng)不足

提升設(shè)備是礦井開采系統(tǒng)的重要組成部分，具有工程量大、設(shè)備型式多、運行操作復(fù)雜的特點，同時也是機械專業(yè)教學(xué)中理論知識點、實踐技能水平契合度最高的部分。然而目前大部分高校的教學(xué)環(huán)境存在以下問題：（1）許多開展相關(guān)課程的高校并沒有相應(yīng)的實驗室，完全依靠教師口頭講解與PPT演示，學(xué)生不易理解，無法對提升系統(tǒng)形成感知，對教學(xué)內(nèi)容感覺晦澀難懂。（2）目前的實驗設(shè)備大都是采用實際的物理設(shè)備，此種設(shè)備無法改變對應(yīng)參數(shù)，無法讓學(xué)生對不同工況下的提升設(shè)備運行情況產(chǎn)生對比理解。實驗時間有限，學(xué)生動手機會有限；實驗室難以完全開放，限制了學(xué)生的探究熱情等[3]。（3）最不利于機械人才的培養(yǎng)的是所做的實驗往往都以最簡單的認(rèn)知實驗和驗證實驗為主，創(chuàng)造性、綜合性的實驗是很難在已有的實驗條件下實施的。因此，建立一種新型實驗教學(xué)系統(tǒng)是十分必要的。

基于現(xiàn)有實驗條件的缺點，太原理工大學(xué)礦山機電液研究中心開發(fā)了一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的礦井提升虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺。此平臺可以對礦井提升系統(tǒng)及其主要設(shè)備進(jìn)行礦井提升系統(tǒng)運行過程的多個工況的模擬仿真與演示，具有更強的教學(xué)效果和適用范圍。

礦井提升虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)包括了礦井提升鋼絲繩試驗混合仿真模擬教學(xué)演示系統(tǒng)與基于Automation Studio混合仿真模擬教學(xué)系統(tǒng)兩部分，如圖1所示：

二、礦井提升鋼絲繩試驗混合仿真模擬教學(xué)演示系統(tǒng)

學(xué)生參觀學(xué)習(xí)提升鋼絲繩模擬實驗平臺，了解平臺的機構(gòu)特征和工作原理，結(jié)合實驗指導(dǎo)教師與代課老師課堂講解的知識學(xué)習(xí)實驗平臺的測試方式，利用提升機鋼絲繩模擬實驗系統(tǒng)在實驗室進(jìn)行提升機鋼絲繩各項性能測試。

具體測試內(nèi)容有：（1）振動性能檢測。（2）張力性能檢測。（3）鋼絲繩探傷檢測。（4）彎曲疲勞檢測。

三、Automation Studio混合仿真模擬教學(xué)系統(tǒng)

本系統(tǒng)利用教學(xué)仿真軟件Automation Studio對礦井提升實驗系統(tǒng)的具體操作方式和運行方式進(jìn)行了人機交互模擬，并且對其輔助設(shè)備進(jìn)行了動態(tài)模擬，將電控原理、液壓原理和三維模型同時進(jìn)行了聯(lián)合模擬，便于學(xué)生直觀地了解系統(tǒng)的運行技術(shù)。

提升模擬系統(tǒng)通過軟件系統(tǒng)液壓庫與圖形模塊搭建盤式制動器的液壓系統(tǒng)和提升系統(tǒng)模型，再建立電機電氣系統(tǒng)，將液壓、電氣、系統(tǒng)模型的各組件進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而實現(xiàn)電氣系統(tǒng)控制液壓系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)驅(qū)動模型的機電液聯(lián)合虛擬系統(tǒng)的搭建。

學(xué)生在了解礦井提升的理論知識的基礎(chǔ)上，親自操作Automation Studio虛擬教學(xué)模擬系統(tǒng)，操作提升機的機電液聯(lián)合模擬系統(tǒng)，掌握提升系統(tǒng)運行的工藝流程，掌握提升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、液壓控制原理和電控原理，掌握調(diào)節(jié)首繩工藝。下圖為調(diào)換繩模擬界面。

在本虛擬操作系統(tǒng)中，學(xué)生可以對液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)的各個參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可以模擬礦井提升系統(tǒng)運行過程的多個工況，并且能夠直觀地看到運行過程的六階段速度圖以及調(diào)換繩動作次序，看到液壓系統(tǒng)壓力、流量、活塞桿速度等重要參數(shù)的實時變化曲線，更加深入地了解提升系統(tǒng)的動態(tài)工作過程。

四、礦井提升虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)在教學(xué)環(huán)節(jié)的應(yīng)用

在包括機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的機械控制工程基礎(chǔ)課程和安全工程專業(yè)的采掘機械與液壓傳動課程和礦井提升與運輸課程在內(nèi)的幾門與提升裝備緊密相關(guān)的本科教學(xué)環(huán)節(jié)中應(yīng)用了本實驗系統(tǒng)，教師課上的講解明顯變得更加條理；學(xué)生在課堂上初次接觸提升系統(tǒng)相關(guān)知識時，由于老師使用礦井提升虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中的演示模塊，使得學(xué)生在初學(xué)課程時便能牢牢掌握關(guān)鍵知識點；在進(jìn)行礦井提升實驗時，學(xué)生對實驗充滿興趣，積極主動進(jìn)行實驗，并且利用系統(tǒng)的優(yōu)越條件，對不同參數(shù)、不同工況下的礦井提升系統(tǒng)進(jìn)行了仿真模擬實驗。在實驗報告中明顯能感覺學(xué)生比以往未使用系統(tǒng)的學(xué)生對整個礦井提升系統(tǒng)有了更濃厚的興趣、更深刻的理解。

五、結(jié)語

通過對礦井提升虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)在機械工程專業(yè)的應(yīng)用與研究，不僅豐富了礦井提升虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與功能應(yīng)用，而且還極大地豐富了本專業(yè)的理論教學(xué)和實踐教學(xué)的內(nèi)容，進(jìn)一步對機械人才培養(yǎng)方案的細(xì)化產(chǎn)生了示范性的影響。太原理工大學(xué)機械工程學(xué)院編寫了科學(xué)合理的機械人才培養(yǎng)方案，加強了本科教學(xué)的師資隊伍。成立了裝備一流的工程實驗中心、校內(nèi)專業(yè)實驗室（中心），校企共建實習(xí)基地以及校外實習(xí)基地。采取不斷消化、吸收與改良的手段，一定能培養(yǎng)出符合我國國情和專業(yè)辦學(xué)特色的畢業(yè)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]張習(xí)軍.我國礦井空調(diào)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2014，（1）：87-90.

[2]林健.卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”專業(yè)培養(yǎng)方案研究[J].清華大學(xué)教育研究，2011，32（2）：47-55.

[3]董龍橋.基于虛擬現(xiàn)實與三維仿真的城市旅游移動平臺研究[J].中華民居旬刊，2011，（7）：358-359.

Abstract：On the basis of mastering the insufficiency of the existing teaching and experimental links，the practice teaching of mine hoisting system has been reformed.Including the development of mine hoisting rope trial mixed simulation teaching demonstration system and Automation Studio based hybrid simulation teaching system.The application of this system enables learners to improve the system related knowledge freely，intuitively，interactively and repeatedly on the virtual platform；students can do the hands-on on the virtual platform and simulate various working conditions to implement the human-computer interaction.

Key words：Hoisting Equipment；Virtual Reality；experimental teaching；Hybrid Simulation