基于軟硬結(jié)合的柴油車維修模擬教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺設(shè)計(jì)

彭生輝 龐新磊 李帥

摘 要：針對車輛裝備維修人員技能培訓(xùn)，尤其是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)維修技能培訓(xùn)，闡述集虛擬拆裝、實(shí)車實(shí)物訓(xùn)練、電路演示、故障設(shè)置與排除為一體的新型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)維修模擬教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺研制，為創(chuàng)新培訓(xùn)手段、提高培訓(xùn)質(zhì)量、提升車輛裝備維修人員崗位技能提供參考。

關(guān)鍵詞：柴油車;維修;實(shí)訓(xùn)臺;研制

中圖分類號：U472? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：Aiming at the skill training of vehicle equipment maintenance personnel， especially diesel engine system maintenance skills training， this paper elaborates the development of a new diesel engine maintenance simulation teaching training platform which integrates virtual disassembly and assembly， real vehicle physical training， circuit demonstration， fault setting and elimination. It provides reference for innovating training means， improving training quality and upgrading vehicle equipment maintenance personnel post skills.

Keywords：Diesel Vehicle;Maintenance;Training Platform;Development

0 引言

在進(jìn)行柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)維修科目教學(xué)與訓(xùn)練時(shí)，由于結(jié)構(gòu)及電路日益復(fù)雜，部分學(xué)生電路基礎(chǔ)差，識圖能力弱，教與學(xué)的雙方都遇到了一些困難，教學(xué)訓(xùn)練難以達(dá)到理想的效果。實(shí)車實(shí)習(xí)時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電控系統(tǒng)各總成通過電線連接比較分散，學(xué)員很難對柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、特別是電控部分形成總體認(rèn)識，因而造成學(xué)生難以快速掌握柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給分析電路、檢測和排除設(shè)備故障帶來一定的難度。由于價(jià)格昂貴，受氣候、場地、視聽效果的制約，每臺車輛的受訓(xùn)人數(shù)也受到限制，很難在短時(shí)間內(nèi)提高教學(xué)效果。因此研制一種集虛擬拆裝、實(shí)車實(shí)物訓(xùn)練、電路演示、故障設(shè)置與排除為一體的新型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)維修模擬教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺可以較好地解決這一問題。

1 系統(tǒng)的構(gòu)成與功能

1.1 系統(tǒng)的功能

用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)維修理實(shí)一體化教學(xué)，演示柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和工作情況;控制系統(tǒng)能夠與實(shí)物交互，動(dòng)態(tài)仿真各種故障現(xiàn)象及排除步驟方法，方便快捷地進(jìn)行油路故障分析及檢測，達(dá)到理論培訓(xùn)與實(shí)踐培訓(xùn)相結(jié)合，學(xué)習(xí)過程直觀、明確、重點(diǎn)突出的效果。

1.2 系統(tǒng)的構(gòu)成

該系統(tǒng)主要由兩部分組成：硬件和軟件。硬件包括：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)本體、控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)等;軟件部分包括：理論知識模塊、虛擬拆卸模塊、故障檢測模塊、管理評估模塊等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件如圖1所示。系統(tǒng)硬件大致可以分為兩大部分，分別為某柴油車燃油系統(tǒng)實(shí)物和信息采集與控制顯示系統(tǒng)（如圖1所示）。燃油系統(tǒng)實(shí)物主要包括按照實(shí)車布局的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件;信息采集與控制顯示系統(tǒng)主要包括控制器、信號采集模塊、信息存儲模塊、通信模塊、工控機(jī)和控制開關(guān)（控制電流通斷）等部分組成。

（1）柴油機(jī)。包括完整的按照實(shí)車布局的電控單元、燃油箱、燃油濾清器、油管、電控燃油泵、噴油器、油路和傳感器等，利用帶滾輪的支架固定，便于移動(dòng)。

（2）控制模塊?？刂颇K主要依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各項(xiàng)功能單元，完成諸如設(shè)置與恢復(fù)故障、改變系統(tǒng)各項(xiàng)性能參數(shù)等任務(wù)，主要包括附加油路電磁閥、附加電路開關(guān)、油門控制器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，還包括智能微處理器和計(jì)算機(jī)等。其中智能微處理芯片和計(jì)算機(jī)（工控機(jī)）是整個(gè)系統(tǒng)的核心，通過硬件和軟件配合控制整個(gè)系統(tǒng)功能和協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)輸入輸出的微處理芯片采用小尺寸，低功耗，功能全面，速度快，價(jià)格低的芯片。

（3）信息采集模塊。信息采集模塊主要依托發(fā)動(dòng)機(jī)診斷接口采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、燃油壓力、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣量、供油正時(shí)等信號，同時(shí)對附加油路電磁閥、附加電路開關(guān)、油門控制器等自行安裝的執(zhí)行機(jī)構(gòu)開關(guān)或模擬信號加裝采集器進(jìn)行采集（主要采集電壓信號）?？刂破髟ê^電器）由繼電器驅(qū)動(dòng)，接收由計(jì)算機(jī)傳給控制系統(tǒng)的相關(guān)信號，從而控制斷油、斷電電磁閥電流通斷實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)和設(shè)置故障。

（4）通訊模塊。通訊模塊主要解決計(jì)算機(jī)與微處理器之間的通訊。本實(shí)訓(xùn)臺主要采用RS 232接口與電腦進(jìn)行通訊，利用MAX232芯片作為轉(zhuǎn)換器元件。

（5）顯示與演示模塊。主要依靠系統(tǒng)配備的計(jì)算機(jī)來執(zhí)行系統(tǒng)的各項(xiàng)指令，以便完成系統(tǒng)的功能和圖形數(shù)據(jù)顯示，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要包括教師板塊和學(xué)生板塊（如圖2所示）。

（1）教師板塊。由教學(xué)系統(tǒng)和管理系統(tǒng)組成，教學(xué)系統(tǒng)包括理論教學(xué)模塊，含PPT、電子版維修手冊、動(dòng)畫、視頻等資源;虛擬拆裝實(shí)訓(xùn)模塊，利用三維虛擬演示軟件演示工作原理、拆裝過程等;故障設(shè)置與檢測模塊，直接在基于Unity3D的電路圖和虛擬實(shí)訓(xùn)軟件上進(jìn)行故障設(shè)置與排除，同時(shí)通過控制系統(tǒng)使對應(yīng)硬件同步產(chǎn)生相應(yīng)故障和恢復(fù)故障，同時(shí)具有檢測故障功能等，如故障設(shè)置與檢測模塊具體組成（如圖3所示）。

管理系統(tǒng)包括系統(tǒng)管理，如系統(tǒng)的還原與備份、數(shù)據(jù)庫管理等;理論教學(xué)管理，含教學(xué)資源的使用、添加、編輯，題庫管理考試與作業(yè)管理、成績管理等;實(shí)訓(xùn)教學(xué)管理，含實(shí)訓(xùn)題庫管理、實(shí)訓(xùn)考核與練習(xí)管理、成績管理等;用戶管理含部門基本情況、教師信息等。

（2）學(xué)生板塊主要由理論學(xué)習(xí)、虛擬拆裝實(shí)訓(xùn)、故障排除與檢測實(shí)訓(xùn)、考核模塊組成。

4 系統(tǒng)軟件與硬件交互設(shè)計(jì)

主要解決柴油機(jī)電路、虛擬現(xiàn)實(shí)演示系統(tǒng)和實(shí)物柴油機(jī)虛實(shí)結(jié)合問題，軟件中的電路開關(guān)、油路開關(guān)狀態(tài)及部分測量和控制參數(shù)變化能夠通過腳本語言、通訊功能等實(shí)現(xiàn)硬件同步變化，實(shí)現(xiàn)故障設(shè)置與檢測等人機(jī)交互。

本系統(tǒng)利用CATIA、UG、3ds Max等軟件，制作柴油機(jī)三維模型，利用平面設(shè)計(jì)軟件制作電路圖，用Unity3D進(jìn)行軟件系統(tǒng)集成。在Unity3D中利用編程語言實(shí)現(xiàn)串口通信，系統(tǒng)中的智能控制器通過循環(huán)檢測柴油機(jī)各系統(tǒng)狀態(tài)，并通過RS 232接口，將數(shù)據(jù)送往計(jì)算機(jī)，3D虛擬軟件根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，不斷調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)3D虛擬軟件中的虛擬元件狀態(tài)根據(jù)教師或?qū)W生的操作后狀態(tài)，將數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送給智能控制器，從而控制附加油路電磁閥、附加電路開關(guān)、油門控制器的狀態(tài)。

5 結(jié)語

柴油車維修模擬教學(xué)系統(tǒng)采用半實(shí)物仿真技術(shù)，將軟件和硬件相結(jié)合，將汽車教學(xué)資源與實(shí)訓(xùn)設(shè)備有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)與實(shí)訓(xùn)智能化、一體化，教學(xué)方法得到了一定的創(chuàng)新，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力得到了一定的提高，幫助學(xué)

該系統(tǒng)特點(diǎn)如下：

（1）以三維動(dòng)畫和平面動(dòng)畫動(dòng)態(tài)演示柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理，顯示柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在各種運(yùn)轉(zhuǎn)工況下運(yùn)行狀態(tài)。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，可在軟件和硬件中同步設(shè)置各種故障現(xiàn)象，方便快捷地進(jìn)行油電路分析及故障檢測查找。

（3）將實(shí)車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)與模擬演示進(jìn)行組合，使教學(xué)、實(shí)訓(xùn)、故障設(shè)置合為一體，同步工作，使受訓(xùn)者在觀察柴油機(jī)系統(tǒng)工作原理的同時(shí)，還可以看到汽車零件的實(shí)際連接和工作狀態(tài)。軟件和硬件同步，可以取代實(shí)車進(jìn)行故障設(shè)置與排除實(shí)習(xí)，把理論教學(xué)和實(shí)訓(xùn)結(jié)合在一起。

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