周明陽(yáng)，馬利偉，劉國(guó)寧

（鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

1 引言

運(yùn)架一體機(jī)作為國(guó)家重點(diǎn)特種設(shè)備，是高鐵施工的必要裝備。由于同時(shí)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸和架橋的功能，對(duì)實(shí)現(xiàn)高鐵施工自動(dòng)化、降低運(yùn)輸困難度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率具有重要意義[1]。在實(shí)際施工中，裝備一旦出現(xiàn)故障，很難及時(shí)找到故障原因或?yàn)榫S修人員提供有效信息和數(shù)據(jù)支撐，從而嚴(yán)重影響施工效率和設(shè)備的有效維護(hù)。因而，采用現(xiàn)代的傳感和通訊技術(shù)，開發(fā)遠(yuǎn)程的狀態(tài)、運(yùn)行等方面的虛實(shí)相結(jié)合仿真系統(tǒng)，不但有助于遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷，也為設(shè)備的智能維護(hù)提供了可能。從2010年起，國(guó)家質(zhì)檢總局頒布的《特種設(shè)備安全發(fā)展紀(jì)要》要求逐漸完善特種裝備安全監(jiān)控[2]。

虛擬原型設(shè)計(jì)[3]是一種將機(jī)械三維模型與控制設(shè)計(jì)仿真相結(jié)合的創(chuàng)新方法，通過(guò)在虛擬原型的基礎(chǔ)上，有效運(yùn)用仿真、制造技術(shù)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行管理；文獻(xiàn)[4]利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過(guò)方向盤、剎車等組成物理原型、通過(guò)LabVIEW 編制上位機(jī)、3DMax設(shè)計(jì)三維模型等構(gòu)成虛擬原型，設(shè)計(jì)了虛擬3D駕駛仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)虛擬駕駛模擬駕校考試功能。文獻(xiàn)[5-6]構(gòu)建了機(jī)械臂控制仿真系統(tǒng)，通過(guò)軟件編程方式解決仿真模型（虛擬原型）與實(shí)際模型（物理模型）同步運(yùn)行等問(wèn)題[5-6]；文獻(xiàn)[7]通過(guò)建立反坦克導(dǎo)彈射擊虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈飛行（虛擬原型）的控制；耿克達(dá)[8]通過(guò)建立變質(zhì)心機(jī)構(gòu)3D虛擬顯示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在測(cè)控系統(tǒng)中同步3D虛擬顯示；文獻(xiàn)[9]針對(duì)盾構(gòu)裝備的運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)研究。

這些研究均表明：基于虛擬原型技術(shù)的工藝仿真，不但可以解決工程中遇到的技術(shù)問(wèn)題，且能通過(guò)虛擬原型與物理模型之間交互進(jìn)行理論和實(shí)際驗(yàn)證。而在大型特種機(jī)械裝備中，應(yīng)用虛擬原型技術(shù)卻少有研究。此研究創(chuàng)新點(diǎn)在于將虛擬原型技術(shù)應(yīng)用于大型特種裝備，目的為遠(yuǎn)程端同步設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，提出部件故障模型和設(shè)備全生命周期管理模型。本研究針對(duì)一種高鐵特種裝備DYJ900 運(yùn)架一體機(jī)，利用LabVIEW，VRML 和Solid-Works等系統(tǒng)和軟件，開發(fā)DYJ900運(yùn)架一體機(jī)的狀態(tài)、運(yùn)行等仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)裝備的物理空間和虛擬空間的虛實(shí)結(jié)合，為智能遠(yuǎn)程監(jiān)控、診斷和運(yùn)維平臺(tái)系統(tǒng)提供設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。

2 仿真系統(tǒng)功能和實(shí)現(xiàn)方法

2.1 DYJ 900運(yùn)架一體機(jī)的功能和參數(shù)

傳統(tǒng)架橋施工模式：提梁機(jī)、運(yùn)梁車、架橋機(jī)組成的成套裝備聯(lián)合使用，此模式施工成本高，效率低。DYJ900運(yùn)架一體機(jī)將傳統(tǒng)模式設(shè)備功能集中于一體，實(shí)現(xiàn)提梁、運(yùn)梁、架橋過(guò)程設(shè)備一體化，極大提高了生產(chǎn)效率。相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

表1 DYJ900 高鐵運(yùn)架一體機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Main Parameters of DYJ900 High-Speed Rail Transporting Machine

運(yùn)架一體機(jī)由后走行臺(tái)車、起升系統(tǒng)、主梁結(jié)構(gòu)、前走行臺(tái)車、主支腿、輔助腿組成；主要運(yùn)動(dòng)功能有：（1）提梁：起升系統(tǒng)將箱梁提起；（2）運(yùn)梁：起升系統(tǒng)將箱梁提起，前后走行臺(tái)車將箱梁運(yùn)送至待架區(qū)域；（3）架橋：通過(guò)油缸驅(qū)動(dòng)使主支腿、輔助腿為支撐狀態(tài)；主支腿直立穩(wěn)固在待架區(qū)域前端的橋墩上，后走行臺(tái)車驅(qū)動(dòng)設(shè)備前進(jìn)至落梁區(qū)域，如圖1所示。

圖1 運(yùn)架一體機(jī)三維模型Fig.1 3D Model of the High-Speed Rail Transporting Machine

2.2 DYJ900運(yùn)架一體機(jī)運(yùn)行仿真系統(tǒng)的功能

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)裝備運(yùn)行虛實(shí)相互映射的原理，如圖2所示。

圖2 虛擬仿真設(shè)計(jì)原理Fig.2 Virtual Simulation Design Principle

采用虛擬原型技術(shù)，通過(guò)LabVIEW軟件將仿真控制程序、軟件設(shè)計(jì)等與運(yùn)架一體機(jī)三維模型連接，測(cè)試系統(tǒng)的機(jī)械特性。

通過(guò)通信手段與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接，將運(yùn)架一體機(jī)提梁、運(yùn)梁、架橋等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋到虛擬原型中，為裝備智能監(jiān)控，運(yùn)程運(yùn)維平臺(tái)提供設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。

2.3 DYJ900運(yùn)架一體機(jī)仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

系統(tǒng)開發(fā)基于的軟件有NI公司的LabView，CAD 建模軟件SolidWorks和VRML。

LabVIEW采用圖形化組織程序設(shè)計(jì)，利用程序節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。LabVIEW 提供了大量的工程幫助實(shí)例，使用戶能夠進(jìn)行高效率的項(xiàng)目開發(fā)[10]。廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、測(cè)試控制、仿真、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等各個(gè)領(lǐng)域。

選擇軟件版本為L(zhǎng)abVIEW2017。VRML是一種虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言，用于建立真實(shí)世界或者虛擬世界三維場(chǎng)景建模。具有交互性、動(dòng)態(tài)性、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)[11-12]。

構(gòu)建運(yùn)行仿真系統(tǒng)的方法一般分為兩種：（1）SolidWorks與LabVIEW聯(lián)合仿真；（2）VRML文件與LabVIEW聯(lián)合仿真。第一種，當(dāng)三維模型較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)部件較多時(shí)，占用計(jì)算機(jī)運(yùn)行資源較大，仿真效果較差[15]；第二種，構(gòu)建仿真運(yùn)行環(huán)境比較容易。

綜合考慮采用第二種運(yùn)行仿真方法，將SolidWorks 繪制的運(yùn)架一體機(jī)模型加載到軟件平臺(tái)中，接受控制命令，使其能夠遵循用戶的意愿動(dòng)態(tài)顯示。仿真流程，如圖3所示。

圖3 LabVIEW與VRML聯(lián)合仿真流程圖Fig.3 LabVIEW and VRML Co-Simulation Flow Chart

運(yùn)用SolidWorks 構(gòu)建前走行臺(tái)車、后走行臺(tái)車、主梁、主支腿。輔助腿等部件三維模型；轉(zhuǎn)化為VRML 的文本格式（WRL（97））；在LabVIEW中創(chuàng)建三維場(chǎng)景加載WRL模型[13-14]。構(gòu)建三維場(chǎng)景具體流程，如圖3所示。

（1）加載WRL文件。如圖4所示。

圖4 運(yùn)架一體機(jī)VRML模型加載程序Fig.4 VRML Model Loading Program for Transporting Machine

選擇“三維圖片控件-對(duì)象-創(chuàng)建對(duì)象”函數(shù)，添加“調(diào)用節(jié)點(diǎn)”方法并設(shè)置為“添加對(duì)象模式”?！罢{(diào)用節(jié)點(diǎn)-添加對(duì)象”函數(shù)可以調(diào)入運(yùn)架一體機(jī)WRL文件。

（2）虛擬場(chǎng)景WRL三維模型裝配。如圖5所示。采用“調(diào)用節(jié)點(diǎn)-添加對(duì)象模式”函數(shù)確定組件間的連接關(guān)系，前走行臺(tái)車通過(guò)“調(diào)用節(jié)點(diǎn)-添加對(duì)象模式”函數(shù)與主梁裝配。

圖5 主梁與前走行臺(tái)車裝配部分程序Fig.5 Partial Procedure for Assembly of Main Beam and Front Travel Trolley

（3）虛擬場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)控制程序編寫。如圖6所示，“平移對(duì)象”函數(shù)確定“主支腿整體”為控制對(duì)象，“按名稱捆綁”方法設(shè)置運(yùn)動(dòng)初始位置、方向運(yùn)動(dòng)為y軸。

圖6 主支腿運(yùn)動(dòng)控制部分程序Fig.6 Partial Program for Main Leg Motion Control

3 運(yùn)架一體機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)

虛擬仿真系統(tǒng)分為兩個(gè)模塊：手動(dòng)設(shè)置模塊，半物理仿真模塊。手動(dòng)設(shè)置模塊，能夠通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊前面板控件實(shí)現(xiàn)控制指令的輸入，模擬運(yùn)架一體機(jī)運(yùn)梁、架橋等過(guò)程；半物理仿真模塊在第三章具體介紹。系統(tǒng)架構(gòu)，如圖7所示。

圖7 DYJ900運(yùn)架一體機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)架構(gòu)Fig.7 Framework of Virtual Simulation System for DYJ900 High-Speed Rail Transporting Machine

3.1 DYJ900運(yùn)架一體機(jī)CAD運(yùn)行模型建立

本設(shè)計(jì)模型主要為DYJ900運(yùn)架一體機(jī)主要機(jī)械部分及箱梁橋墩等，使用SolidWorks建模；在保存模型時(shí)，對(duì)復(fù)雜模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，使運(yùn)架一體機(jī)在視覺(jué)上具有完整性。圖1給出的就是簡(jiǎn)化版的DYJ900 運(yùn)架一體機(jī)的結(jié)構(gòu)模型。

3.2 LabVIEW仿真模型建立

建立CAD模型后，將每個(gè)部件（將不同零件組成的子裝配體統(tǒng)稱為部件）對(duì)應(yīng)的WRL文件導(dǎo)入LabVIEW中；WRL文件為純ASCII文件，通過(guò)文本編輯器創(chuàng)建三維模型，對(duì)于復(fù)雜的大型3D模型，需借助三維軟件進(jìn)行場(chǎng)景建模[16]。

LabVIEW仿真模型具體流程如下：

首先，創(chuàng)建WRL文件。將CAD模型保存為WRL格式時(shí)，將模型的單位統(tǒng)一為mm（毫米），使用同一個(gè)坐標(biāo)系在SolidWorks軟件中對(duì)運(yùn)架一體機(jī)部件進(jìn)行位置定義。后走行臺(tái)車三維模型及坐標(biāo)系的定義，如圖8所示。

圖8 基于SolidWorks的后走行臺(tái)車模型Fig.8 Back-End Traveling Trolley Model Based on SolidWorks

其次，虛擬環(huán)境中三維模型的裝配。以架橋時(shí)前走行臺(tái)車與主梁裝配為例，如圖9所示。主梁結(jié)構(gòu)相對(duì)于固定橋梁參考坐標(biāo)（x，y，z）為（20221.1，9820，0）；前走行臺(tái)車相對(duì)于主梁結(jié)構(gòu)的參考坐標(biāo)（x，y，z）為（58335.6，-505，1298）；選擇“調(diào)用節(jié)點(diǎn)-添加對(duì)象模式”函數(shù)設(shè)置部件間從屬關(guān)系；選擇“平移對(duì)象”函數(shù)根據(jù)部件相對(duì)位置進(jìn)行裝配。坐標(biāo)單位為mm。

圖9 三維模型部件裝配部分程序Fig.9 Partial Program for 3D Model Component Assembly

再者，建立各個(gè)組件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。為了程序編寫簡(jiǎn)潔，將被控對(duì)象封裝為“對(duì)象簇”、控制控件封裝為“運(yùn)動(dòng)簇”。如圖10所示，以控制虛擬模型中運(yùn)架一體機(jī)向前移動(dòng)為例；調(diào)用“按名稱捆綁函數(shù)”設(shè)置沿x軸方向移動(dòng)，調(diào)用“設(shè)置平移”函數(shù)設(shè)置初始位置坐標(biāo)（x，y，z）為（20221.1，9820，0）；運(yùn)動(dòng)簇與通信協(xié)議（串口通信等）連接實(shí)體模型，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)體模型與虛擬模型之間的數(shù)據(jù)交互。通信協(xié)議的編寫在半物理仿真中具體介紹。

圖10 各個(gè)組件間運(yùn)動(dòng)關(guān)系部分程序Fig.10 Partial Program of Motion Relations Among Components

最后，設(shè)置組件屬性特征，如表面材質(zhì)、模型顯示比例、位置等。手動(dòng)設(shè)置模塊前面板，能夠?qū)崿F(xiàn)鼠標(biāo)點(diǎn)擊前面板進(jìn)度條控制三維模型的大小縮放，運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)等，如圖11所示。如依次拖動(dòng)進(jìn)度條（起升系統(tǒng)上升、主支腿上升、輔助腿上升、整機(jī)移動(dòng)、待架橋梁下落等）能夠手動(dòng)模擬提梁、架橋過(guò)程，具有示教作用。設(shè)置系統(tǒng)前面板場(chǎng)景顏色、控制模型縮放比例部分代碼。

圖11 虛擬仿真手動(dòng)設(shè)置前面板Fig.11 Manual Setting of Front Panel in Virtual Simulation

圖12 圖形特征設(shè)置Fig.12 Graphic Feature Settings

4 基于LabVIEW的半物理仿真

半物理仿真：將系統(tǒng)的部分實(shí)物接入到仿真回路中，以虛擬模型結(jié)合硬件進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)質(zhì)為通過(guò)模擬手段進(jìn)行技術(shù)研究[17-18]。本設(shè)計(jì)采用半物理仿真；驗(yàn)證系統(tǒng)通信功能。如圖13所示，通過(guò)編碼器模擬運(yùn)架一體機(jī)運(yùn)梁從待架區(qū)域到落梁區(qū)域（如圖1）的位移信號(hào)，采用USB接口轉(zhuǎn)換器通過(guò)串口通信反饋到虛擬場(chǎng)景中，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的位移、速度、加速度實(shí)時(shí)顯示。

圖13 核心功能的試驗(yàn)設(shè)計(jì)Fig.13 Experimental Design of Core Functions

試驗(yàn)平臺(tái)的硬件選型如下：

選擇可用于起重機(jī)械、工程機(jī)械、礦山機(jī)械等領(lǐng)域P21-GEX60-LS 型多圈絕對(duì)值編碼器模擬設(shè)備狀態(tài)信號(hào)反饋，其特點(diǎn)如下：

（1）測(cè)量位置、高度、長(zhǎng)度、角度等；

（2）（4～20）mA模擬電流信號(hào)與RS485數(shù)字信號(hào)雙輸入；

通信連接選擇UT-891.USB-RS-485/422 型接口轉(zhuǎn)換器。其特點(diǎn)如下：

（1）適用于數(shù)控機(jī)床、工業(yè)儀表、工業(yè)控制機(jī)、溫控設(shè)備等通信連接；

（2）傳輸信號(hào)穩(wěn)定，具有1Mbps以上傳輸速度；通信距離可達(dá)1200m。

實(shí)現(xiàn)DYJ900運(yùn)架一體機(jī)虛實(shí)交互系統(tǒng)的軟件程序具體流程如下：

（1）系統(tǒng)程序總體設(shè)計(jì)。程序總體框架采用平鋪式順序結(jié)構(gòu)進(jìn)行各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)交流，能夠?qū)崿F(xiàn)每次啟動(dòng)程序，位置初始化。將虛擬環(huán)境裝配體裝配程序封裝成“對(duì)象關(guān)系.vi”（類似于封裝為編程語(yǔ)言中的API功能模塊），運(yùn)動(dòng)控制程序封裝成“運(yùn)動(dòng)控制.vi”以便主程序調(diào)用，使程序具有可擴(kuò)展性。

（2）串口通信設(shè)置。如圖14所示，調(diào)用“VISA配置串口”函數(shù)讀取接口轉(zhuǎn)換器的硬件驅(qū)動(dòng)COM號(hào)為COM3；配置串口通信的波特率為9600；右端連接“VISA讀取”函數(shù)讀取編碼器字符串；順次連接“截取字符串”函數(shù)截取脈沖變動(dòng)位；右端連接“十進(jìn)制數(shù)字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換”函數(shù)將截取的數(shù)值顯示為編碼器數(shù)值。

圖14 讀取編碼器數(shù)值部分程序Fig.14 Part of Program for Reading Encoder Value

（3）實(shí)現(xiàn)仿真狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示，如圖15所示。通過(guò)v=(xi+1-xi)/(ti+1-ti)，a=(vi+1-vi)/(ti+1-ti)的公式定義，通過(guò)移位寄存器記錄裝備速度、位移、加速度狀態(tài)，采用“屬性節(jié)點(diǎn)-值傳遞”方法編寫上式實(shí)現(xiàn)速度v，絕對(duì)位移x，加速度a的實(shí)時(shí)顯示。i對(duì)應(yīng)編碼器的脈沖數(shù)，t為時(shí)間。

圖15 仿真速度、加速度實(shí)時(shí)顯示程序Fig.15 Program for Real-Time Display of Simulation Speed and Acceleration

式中：速度v：m/s；絕對(duì)位移x：m；加速度a：m/s2；時(shí)間t：s。

（4）反饋信號(hào)與虛擬模型通信。VISA讀取的反饋信號(hào)設(shè)置為局部變量，與“運(yùn)動(dòng)控制.vi”中“按名稱捆綁”函數(shù)連接，實(shí)現(xiàn)編碼器信號(hào)通信連接。如圖16所示，通過(guò)24V電源為編碼器供電，采用RS485通信接線方式與USB接口轉(zhuǎn)換器接線端子連接；通過(guò)串口通訊程序讀取USB 接口轉(zhuǎn)換器的端口號(hào)（COM3）、波特率（9600），采用局部變量將編碼器讀取數(shù)值與主程序中“運(yùn)動(dòng)控制.vi”連接，實(shí)現(xiàn)半物理仿真硬軟件通信聯(lián)通。驅(qū)動(dòng)對(duì)象及驅(qū)動(dòng)方向的標(biāo)示圖，如圖17所示。

圖16 虛擬仿真設(shè)計(jì)硬軟件連接圖Fig.16 Hardware-Software Connection Diagram for Virtual Simulation Design

圖17 驅(qū)動(dòng)對(duì)象及驅(qū)動(dòng)方向標(biāo)識(shí)圖Fig.17 Drive Object and Drive Direction Identification Diagram

半物理試驗(yàn)表明：如圖18（a）所示，編碼器（物理原型）模擬設(shè)備狀態(tài)反饋信號(hào)能夠驅(qū)動(dòng)虛擬環(huán)境中運(yùn)架一體機(jī)（虛擬原型）運(yùn)梁過(guò)程位置移動(dòng)，如圖18（b）～圖18（d）所示，串口通信讀取編碼器的數(shù)值為30，位移曲線顯示虛擬原型中運(yùn)架一體機(jī)的實(shí)時(shí)位移值為30m；在速度曲線圖與位移曲線圖剛開始的抖動(dòng)是由于每次系統(tǒng)啟動(dòng)重新復(fù)位到初始位置造成的。試驗(yàn)證明：實(shí)時(shí)運(yùn)行位移、速度、加速度顯示在前面板上，系統(tǒng)運(yùn)行流暢。

圖18 試驗(yàn)測(cè)試圖Fig.18 Test Chart

5 結(jié)論

此研究利用虛擬原型方法，也就是LabVIEW與VRML文件聯(lián)合仿真方法，開發(fā)了高鐵DYJ900運(yùn)架一體機(jī)的運(yùn)行虛擬仿真系統(tǒng)。開發(fā)的仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了DYJ900運(yùn)架一體機(jī)的核心運(yùn)行功能的運(yùn)動(dòng)仿真。運(yùn)行仿真系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，利用LabVIEW 和VRML開發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)對(duì)系統(tǒng)硬件要求相對(duì)低，運(yùn)行流暢。通過(guò)搭建的物理原型試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了與LabVIEW 中建立的虛擬原型通信和DYJ900運(yùn)架一體機(jī)的核心運(yùn)行功能的虛實(shí)結(jié)合，驗(yàn)證了所開發(fā)系統(tǒng)的可靠性。此研究對(duì)高鐵重型裝備的智能化遠(yuǎn)程運(yùn)維和實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。