提升裝備虛擬仿真教學系統的設計與應用

寇子明　郭寧　吳娟　高貴軍　秦豪　李軍霞　楊麗鳳

摘要：在現有教學與實驗環節不足的基礎上，對礦井提升系統實踐教學進行了改革，包括開發了礦井提升鋼絲繩試驗混合仿真模擬教學演示系統與基于Automation Studio混合仿真模擬教學系統。該系統的應用可使學習者能夠在虛擬平臺上自由、直觀、交互、可重復地學習提升系統相關知識；學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。

關鍵詞：虛擬實驗系統；帶式輸送機；實驗教學；混合仿真

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

我國是礦產大國，其中大部分礦產資源采用井工開采，每年我國礦井提運煤炭和物料達幾十億噸。目前同時服役的礦井提升設備約有7000臺[1]。本文在現有教學與實驗環節不足的基礎上，依托我校現有的教學及研發能力將礦井提升虛擬仿真教學系統充分靈活地應用到機械工程專業的相關理論及實踐環節培養方案中，將多個教學環節、教學內容和知識能力大綱精細地結合起來，以期為機械工程專業人才的培養提供一些有益的探索[2]。

一、礦井提升機簡介及現有教學系統不足

提升設備是礦井開采系統的重要組成部分，具有工程量大、設備型式多、運行操作復雜的特點，同時也是機械專業教學中理論知識點、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環境存在以下問題：（1）許多開展相關課程的高校并沒有相應的實驗室，完全依靠教師口頭講解與PPT演示，學生不易理解，無法對提升系統形成感知，對教學內容感覺晦澀難懂。（2）目前的實驗設備大都是采用實際的物理設備，此種設備無法改變對應參數，無法讓學生對不同工況下的提升設備運行情況產生對比理解。實驗時間有限，學生動手機會有限；實驗室難以完全開放，限制了學生的探究熱情等[3]。（3）最不利于機械人才的培養的是所做的實驗往往都以最簡單的認知實驗和驗證實驗為主，創造性、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系統是十分必要的。

基于現有實驗條件的缺點，太原理工大學礦山機電液研究中心開發了一種基于虛擬現實技術的礦井提升虛擬仿真教學系統平臺。此平臺可以對礦井提升系統及其主要設備進行礦井提升系統運行過程的多個工況的模擬仿真與演示，具有更強的教學效果和適用范圍。

礦井提升虛擬仿真教學系統包括了礦井提升鋼絲繩試驗混合仿真模擬教學演示系統與基于Automation Studio混合仿真模擬教學系統兩部分，如圖1所示：

二、礦井提升鋼絲繩試驗混合仿真模擬教學演示系統

學生參觀學習提升鋼絲繩模擬實驗平臺，了解平臺的機構特征和工作原理，結合實驗指導教師與代課老師課堂講解的知識學習實驗平臺的測試方式，利用提升機鋼絲繩模擬實驗系統在實驗室進行提升機鋼絲繩各項性能測試。

具體測試內容有：（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混合仿真模擬教學系統

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

提升模擬系統通過軟件系統液壓庫與圖形模塊搭建盤式制動器的液壓系統和提升系統模型，再建立電機電氣系統，將液壓、電氣、系統模型的各組件進行關聯，從而實現電氣系統控制液壓系統、液壓系統驅動模型的機電液聯合虛擬系統的搭建。

學生在了解礦井提升的理論知識的基礎上，親自操作Automation Studio虛擬教學模擬系統，操作提升機的機電液聯合模擬系統，掌握提升系統運行的工藝流程，掌握提升系統的結構組成、液壓控制原理和電控原理，掌握調節首繩工藝。下圖為調換繩模擬界面。

在本虛擬操作系統中，學生可以對液壓系統及電氣系統的各個參數進行設置，可以模擬礦井提升系統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換繩動作次序，看到液壓系統壓力、流量、活塞桿速度等重要參數的實時變化曲線，更加深入地了解提升系統的動態工作過程。

四、礦井提升虛擬仿真教學系統在教學環節的應用

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

五、結語

通過對礦井提升虛擬仿真教學系統在機械工程專業的應用與研究，不僅豐富了礦井提升虛擬仿真教學系統的結構組成與功能應用，而且還極大地豐富了本專業的理論教學和實踐教學的內容，進一步對機械人才培養方案的細化產生了示范性的影響。太原理工大學機械工程學院編寫了科學合理的機械人才培養方案，加強了本科教學的師資隊伍。成立了裝備一流的工程實驗中心、校內專業實驗室（中心），校企共建實習基地以及校外實習基地。采取不斷消化、吸收與改良的手段，一定能培養出符合我國國情和專業辦學特色的畢業生。

參考文獻：

[1]張習軍.我國礦井空調的現狀及發展趨勢[J].礦業安全與環保，2014，（1）：87-90.

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

[3]董龍橋.基于虛擬現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