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

2019-01-25 12:28寇子明郭寧吳娟高貴軍秦豪李軍霞楊麗鳳
教育教學(xué)論壇 2019年4期
關(guān)鍵詞:帶式輸送機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

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(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)不足的基礎(chǔ)上,對(duì)礦井提升系統(tǒng)實(shí)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(yàn)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(tái)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(shí);學(xué)生可以在虛擬平臺(tái)上,親自動(dòng)手,模擬各種工況,實(shí)施人機(jī)交互。

關(guān)鍵詞:虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);帶式輸送機(jī);實(shí)驗(yàn)教學(xué);混合仿真

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

我國(guó)是礦產(chǎn)大國(guó),其中大部分礦產(chǎn)資源采用井工開采,每年我國(guó)礦井提運(yùn)煤炭和物料達(dá)幾十億噸。目前同時(shí)服役的礦井提升設(shè)備約有7000臺(tái)[1]。本文在現(xiàn)有教學(xué)與實(shí)驗(yàn)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(jī)械工程專業(yè)的相關(guān)理論及實(shí)踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)方案中,將多個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)內(nèi)容和知識(shí)能力大綱精細(xì)地結(jié)合起來,以期為機(jī)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(jī)簡(jiǎn)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(yùn)行操作復(fù)雜的特點(diǎn),同時(shí)也是機(jī)械專業(yè)教學(xué)中理論知識(shí)點(diǎn)、實(shí)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(shí)驗(yàn)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(duì)提升系統(tǒng)形成感知,對(duì)教學(xué)內(nèi)容感覺晦澀難懂。(2)目前的實(shí)驗(yàn)設(shè)備大都是采用實(shí)際的物理設(shè)備,此種設(shè)備無法改變對(duì)應(yīng)參數(shù),無法讓學(xué)生對(duì)不同工況下的提升設(shè)備運(yùn)行情況產(chǎn)生對(duì)比理解。實(shí)驗(yàn)時(shí)間有限,學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)有限;實(shí)驗(yàn)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(jī)械人才的培養(yǎng)的是所做的實(shí)驗(yàn)往往都以最簡(jiǎn)單的認(rèn)知實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為主,創(chuàng)造性、綜合性的實(shí)驗(yàn)是很難在已有的實(shí)驗(yàn)條件下實(shí)施的。因此,建立一種新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是十分必要的。

基于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件的缺點(diǎn),太原理工大學(xué)礦山機(jī)電液研究中心開發(fā)了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的礦井提升虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)。此平臺(tái)可以對(duì)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(yùn)行過程的多個(gè)工況的模擬仿真與演示,具有更強(qiáng)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(yàn)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(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái),了解平臺(tái)的機(jī)構(gòu)特征和工作原理,結(jié)合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師與代課老師課堂講解的知識(shí)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)試方式,利用提升機(jī)鋼絲繩模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行提升機(jī)鋼絲繩各項(xiàng)性能測(cè)試。

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

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(duì)礦井提升實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的具體操作方式和運(yùn)行方式進(jìn)行了人機(jī)交互模擬,并且對(duì)其輔助設(shè)備進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬,將電控原理、液壓原理和三維模型同時(shí)進(jìn)行了聯(lián)合模擬,便于學(xué)生直觀地了解系統(tǒng)的運(yùn)行技術(shù)。

提升模擬系統(tǒng)通過軟件系統(tǒng)液壓庫(kù)與圖形模塊搭建盤式制動(dòng)器的液壓系統(tǒng)和提升系統(tǒng)模型,再建立電機(jī)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(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)控制液壓系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模型的機(jī)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(shí)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(jī)的機(jī)電液聯(lián)合模擬系統(tǒng),掌握提升系統(tǒng)運(yùn)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(duì)液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,可以模擬礦井提升系統(tǒng)運(yùn)行過程的多個(gè)工況,并且能夠直觀地看到運(yùn)行過程的六階段速度圖以及調(diào)換繩動(dòng)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(shí)時(shí)變化曲線,更加深入地了解提升系統(tǒng)的動(dòng)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(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程和安全工程專業(yè)的采掘機(jī)械與液壓傳動(dòng)課程和礦井提升與運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí),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(shí)便能牢牢掌握關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn);在進(jìn)行礦井提升實(shí)驗(yàn)時(shí),學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)充滿興趣,積極主動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并且利用系統(tǒng)的優(yōu)越條件,對(duì)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(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中明顯能感覺學(xué)生比以往未使用系統(tǒng)的學(xué)生對(duì)整個(gè)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(duì)礦井提升虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)在機(jī)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(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容,進(jìn)一步對(duì)機(jī)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(jī)械工程學(xué)院編寫了科學(xué)合理的機(jī)械人才培養(yǎng)方案,加強(qiáng)了本科教學(xué)的師資隊(duì)伍。成立了裝備一流的工程實(shí)驗(yàn)中心、校內(nèi)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室(中心),校企共建實(shí)習(xí)基地以及校外實(shí)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(guó)國(guó)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(guó)礦井空調(diào)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[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(jì)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(shí)與三維仿真的城市旅游移動(dòng)平臺(tái)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

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