高職高專港口起重運(yùn)輸機(jī)械虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建

浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與航空學(xué)院 章正偉

高職高專港口起重運(yùn)輸機(jī)械虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建

浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與航空學(xué)院 章正偉

由于起重運(yùn)輸機(jī)械的設(shè)備重，占地空間比較大，起重運(yùn)輸設(shè)備類型多、設(shè)備投資大，如果各種起重運(yùn)輸設(shè)備都要購(gòu)買的話，設(shè)備建設(shè)經(jīng)費(fèi)和場(chǎng)地都有問題。因此，構(gòu)建港口起重運(yùn)輸機(jī)械虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)平臺(tái)就非常有針對(duì)性地解決了這個(gè)問題。本文從港口起重操作虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)、港口起重輸送機(jī)械課程涉及的主要整機(jī)以及部件三維動(dòng)畫資源庫(kù)以及港口起重輸送課程網(wǎng)絡(luò)資源三個(gè)方面進(jìn)行開發(fā)和建設(shè)，從而構(gòu)建港口起重運(yùn)輸機(jī)械虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)平臺(tái)。

港口起重輸送機(jī)械 虛擬 教學(xué)品臺(tái) 構(gòu)建

港口起重運(yùn)輸機(jī)械課程是港口機(jī)械專業(yè)的專業(yè)核心課程，也是國(guó)家職業(yè)資格《起重機(jī)械設(shè)備維修人員》重要考核模塊之一。課程內(nèi)容包括驅(qū)動(dòng)裝置、鋼絲繩及卷繞裝置、取物裝置、制動(dòng)裝置、減速器、聯(lián)軸器、安全裝置、起升機(jī)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)、門機(jī)、集裝箱起重機(jī)、帶式輸送機(jī)、斗式提升機(jī)、埋刮板輸送機(jī)、螺旋輸送機(jī)、氣力輸送機(jī)等。要求學(xué)生掌握港口起重運(yùn)輸機(jī)械的各個(gè)零部件以及各個(gè)機(jī)構(gòu)的工作原理和零部件、機(jī)構(gòu)的維修保養(yǎng)方法。由于起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備重，占地空間比較大，起重運(yùn)輸設(shè)備類型多，設(shè)備投資大，如果各種起重運(yùn)輸設(shè)備都要購(gòu)買的話，設(shè)備建設(shè)經(jīng)費(fèi)和場(chǎng)地都有問題。因此，構(gòu)建港口起重運(yùn)輸機(jī)械虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)平臺(tái)就非常有針對(duì)性地解決了這個(gè)問題。

筆者所在院校的港口物流設(shè)備與自動(dòng)控制專業(yè)教研室的課題組成員在港口起重操作虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)、港口起重輸送機(jī)械課程涉及的主要整機(jī)以及部件三維動(dòng)畫資源庫(kù)以及港口起重輸送課程網(wǎng)絡(luò)資源三個(gè)方面進(jìn)行開發(fā)和建設(shè)，從而構(gòu)建港口起重運(yùn)輸機(jī)械虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)平臺(tái)。

一、港口起重操作虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建

港口起重機(jī)綜合模擬系統(tǒng)Port Crane Simulation System（以下簡(jiǎn)稱為PCSS）是以先進(jìn)的教學(xué)理念，結(jié)合港口起重機(jī)操作與電氣控制系統(tǒng)教學(xué)實(shí)訓(xùn)的需要而開發(fā)的綜合訓(xùn)練模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用最前沿的軟件開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)通訊、系統(tǒng)仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)、電氣控制、起重機(jī)動(dòng)力學(xué)、起重機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)等多學(xué)科技術(shù)，將港口大型起重機(jī)操作控制與教學(xué)訓(xùn)練功能結(jié)合在一起，突破了傳統(tǒng)的駕駛操作與電氣檢修分離的教學(xué)局面，實(shí)現(xiàn)了學(xué)員駕駛訓(xùn)練與電氣檢修訓(xùn)練的一體化功能，使學(xué)員更深刻、更全面地掌握起重機(jī)實(shí)際工作原理和操作控制方法。系統(tǒng)中還融入了先進(jìn)的視景仿真技術(shù)和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理功能，從而構(gòu)成了一個(gè)具有設(shè)備操作、故障檢測(cè)、故障維修、教學(xué)管理為一體的綜合模擬教學(xué)平臺(tái)，滿足了起重機(jī)專業(yè)的現(xiàn)代化教學(xué)要求，提高了我國(guó)高等職業(yè)教育的科技水平。

港口起重機(jī)綜合模擬系統(tǒng)分為四大部分：司機(jī)操作及視景模擬系統(tǒng)、教師端控制系統(tǒng)、起重機(jī)電氣模擬系統(tǒng)、電氣故障檢測(cè)及維修系統(tǒng)。整體組成結(jié)構(gòu)示意如圖1：

1.司機(jī)操作及視景模擬系統(tǒng)司機(jī)操作及視景模擬系統(tǒng)。司機(jī)操作臺(tái)可以采集學(xué)員操作模擬數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)上報(bào)給3D視景服務(wù)器，3D視景服務(wù)器接收這些操作信號(hào)驅(qū)動(dòng)起重機(jī)運(yùn)行。

圖1 港口起重機(jī)綜合模擬系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

3D視景服務(wù)器包括含力學(xué)模擬模塊，音效模擬模塊，驅(qū)動(dòng)信號(hào)處理模塊和3D圖形計(jì)算模塊。力學(xué)模擬模塊會(huì)對(duì)虛擬場(chǎng)景中的所有元素（如起重機(jī)、地面、風(fēng)力等）進(jìn)行真實(shí)的物理力學(xué)運(yùn)算。音效模擬模塊會(huì)對(duì)場(chǎng)景中的所有聲音包括：起重機(jī)的運(yùn)行聲音，港口環(huán)境聲音等進(jìn)行模擬。驅(qū)動(dòng)信號(hào)處理模塊會(huì)對(duì)司機(jī)操作臺(tái)上報(bào)的學(xué)員操作數(shù)據(jù)進(jìn)行處理從而驅(qū)動(dòng)起重機(jī)運(yùn)行。同時(shí)，聯(lián)動(dòng)臺(tái)上的司機(jī)操作的IO信號(hào)都會(huì)以網(wǎng)絡(luò)方式上傳至教師端控制系統(tǒng)上。

2.教師端控制系統(tǒng)司。教師端控制系統(tǒng)對(duì)學(xué)員訓(xùn)練進(jìn)行管理。教師可以在該系統(tǒng)上設(shè)置學(xué)員當(dāng)前訓(xùn)練的起重機(jī)型和訓(xùn)練任務(wù)，也可以對(duì)電器柜的故障類型進(jìn)行設(shè)置。學(xué)員訓(xùn)練完成后，教師可以查詢學(xué)員的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和訓(xùn)練成績(jī)。

教師端聯(lián)接司機(jī)操作及視景模擬系統(tǒng)，并選擇訓(xùn)練機(jī)型；啟動(dòng)訓(xùn)練機(jī)型后，可動(dòng)態(tài)設(shè)定整個(gè)機(jī)構(gòu)的機(jī)械物理參數(shù)，作業(yè)環(huán)境狀態(tài)，場(chǎng)內(nèi)設(shè)備的布局，實(shí)時(shí)環(huán)境天氣及時(shí)間，記錄學(xué)員操作時(shí)的狀態(tài)等；連接電器柜PLC設(shè)備，進(jìn)行CMS監(jiān)控操作；系統(tǒng)啟動(dòng)完成后，可在系統(tǒng)上查看所有相關(guān)的，起重機(jī)硬件狀態(tài)，起升、行走、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的控制流程，查看所有設(shè)備的組態(tài)信息。教師可動(dòng)態(tài)設(shè)定模擬故障，可實(shí)時(shí)查看故障列表及跟蹤狀態(tài)，實(shí)時(shí)記錄學(xué)員的維修故障操作。同樣，也可以使用PLC編程工具進(jìn)行自定義編寫PLC控制內(nèi)容，通過PLC可編程控制器輸出數(shù)字控制信號(hào)，采用工業(yè)網(wǎng)卡，通過網(wǎng)絡(luò)，建立上位機(jī)和PLC的實(shí)時(shí)交互數(shù)據(jù)通訊。通過PLC傳輸?shù)牟僮髋_(tái)控制命令控制視景模型運(yùn)行，通過上位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)控制PLC和操作臺(tái)的反應(yīng)。

3.起重機(jī)電氣模擬系統(tǒng)。系統(tǒng)中包括真實(shí)的起重機(jī)電路，由電源、PLC、變頻器、電機(jī)等實(shí)體設(shè)備組成。系統(tǒng)正常工作時(shí)，“系統(tǒng)1”司機(jī)操作系統(tǒng)中的實(shí)際和都會(huì)實(shí)時(shí)反映至“系統(tǒng)4”的實(shí)體電路中，起重機(jī)的行走構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)均會(huì)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)。

4.電氣故障檢測(cè)及維修系統(tǒng)。該子系統(tǒng)與電氣模擬系統(tǒng)硬件組成為一體，由模擬主機(jī)、儀表顯示屏（左）、觸控操作屏（右）三部分組成，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，電氣故障檢測(cè)及維修系統(tǒng)承擔(dān)了模擬儀表、部分模擬組態(tài)顯示、學(xué)員維修區(qū)等功能。

二、港口起重輸送機(jī)械課程涉及到的主要整機(jī)以及部件三維動(dòng)畫資源庫(kù)平臺(tái)構(gòu)建

港口起重輸送機(jī)械課程分為三個(gè)模塊。模塊一是起重機(jī)械、模塊二是集裝箱機(jī)械、模塊三是輸送機(jī)械。分別對(duì)三個(gè)模塊的設(shè)備整機(jī)和部件進(jìn)行了資源庫(kù)建設(shè)，如圖2所示。

ISSN2095-6711/Z01-2015-06-0105