0 引言

全液压钻机是中国煤矿井下瓦斯抽采的主要设备[1-3]。目前，煤矿全液压钻机培训主要通过理论讲解和真机操作相结合的方式。理论讲解是指采用传统教学方法讲解钻机的操作和维护，该方法教条死板，学习效果不理想；真机操作存在安全隐患，影响正常的生产作业[4]。虚拟现实技术作为计算机科学领域研究热点之一，在煤矿行业已得到广泛应用[5-8]。笔者开发了一种基于虚拟现实技术的煤矿全液压钻机培训系统，该系统利用虚拟现实技术的沉浸性、交互性特点，使煤矿全液压钻机培训具有投入低、安全性高、可靠性强、可重复操作等特点，可弥补传统培训方式的不足。

1 系统总体设计方案

煤矿全液压钻机培训系统组成如图1所示。上位机由PC、显示终端及虚拟软件平台组成：PC为仿真模拟提供运算和实施平台；显示终端用于显示虚拟仿真效果；虚拟软件平台选用Quest3D软件[9-10]，实现虚拟钻机和场景搭建、关键零部件虚拟拆装和虚拟钻机动作编程。下位机由钻机虚拟操控台、模拟量输入模块、PLC主机组成：钻机虚拟操控台包括按钮、开关和控制手柄，用于下发钻机的模拟量和开关量控制指令；模拟量输入模块将模拟量转换为数字量并传输到PLC主机中；PLC主机实时采集、处理钻机虚拟操控台的模拟量和开关量控制指令。上位机和下位机之间通过PLC编程口实现通信，用以驱动虚拟软件平台中钻机模型动作。

图1 煤矿全液压钻机培训系统组成
Fig.1 Composition of training system for coal mine full-hydraulic drilling rig

2 上位机设计

2.1 虚拟钻机和场景搭建

以ZDY6000LD(B)型全液压钻机为例进行建模。该钻机为整体式布局，由主机、操控台、电动机泵组、油箱、车体、稳固装置、履带总成、电磁启动器及灯具、泥浆泵九大部分组成，各部分之间用高压胶管和螺栓连接，结构紧凑、可靠性高[11]。考虑钻机结构复杂，结合控制需求，去掉一些不影响系统效果的零部件并重新整理，将钻机分为主机、操控台、电动机泵组、油箱、履带车体五大部分来进行建模。其中主机由回转器、夹持器、给进装置、调角装置等部件组成，在建模时对各部件单独建模，确保各部件与真实钻机动作一致。

采用UG软件建立钻机和场景的三维模型，并转换为.ma文件导入MAYA软件中。因钻机表面材质不同，需贴图进行纹理处理，具体实现步骤：首先，在菜单栏Window下进入Rendering Editors，打开Hypershade材质编辑器命令窗口；然后，从Hypershade左侧的材质栏选择对应的材质球进行材质调节和色彩选择；最后，将调好的材质球拖拽到对应的三维模型上，完成钻机模型色彩的渲染。

将渲染好的钻机模型转换为.X文件导入Quest3D中，利用模型通道下的Motion通道定义钻机模型的位置、旋转、缩放等信息，Vertex Data通道定义钻机模型几何、材质和纹理信息。在Quest3D中的新建项目下，从通道表中选择Start3DScene通道，点击鼠标右键选择“Set as start channel”(设置为开始通道)，再选择3D Render通道连接在Start3DScene通道下。3D Render通道下有Camera，3D Object，Light 3个通道，用于连接摄像机、钻机模型和灯光。将钻机模型与3D Render通道下的3D Object通道连接，钻机模型就会出现在动画视图中，通过Camera，Light通道向场景中添加摄像机和灯光，完成Quest3D中钻机模型和场景的搭建。钻机和场景模型如图2所示。

图2 钻机和场景模型
Fig.2 Model of drilling rig and scene

2.2 关键零部件虚拟拆装

卡盘和夹持器是钻机中最重要的2个部件，实际使用过程中需要经常更换零件。为使操作人员尽快掌握卡盘、夹持器结构，熟练卡盘、夹持器拆装，设计了卡盘、夹持器虚拟拆装功能[12]，主要实现步骤：在MAYA软件中将钻机的主要部件进行细化，对每个零件进行建模，再转换为.X文件导入虚拟软件平台中，通过改变Motion通道中的位置信息实现零件动作，每个动作由点击鼠标触发；每个独立零件设置成相应的独立热区，鼠标放到零件上时热区会被激活，零件显示特殊颜色，说明零件可进行拆装，显示特殊颜色通过鼠标移动触发实现。卡盘和夹持器虚拟拆装界面如图3所示。

(a) 卡盘虚拟拆装

(b) 夹持器虚拟拆装

图3 卡盘和夹持器虚拟拆装界面
Fig.3 Interface of virtual disassembly of chuck and clamp

2.3 虚拟钻机动作编程

钻机动作配合是一个复杂的过程，本文在不影响钻机培训功能的前提下省去了一些细小动作。钻机主要动作有履带车体前后行走、卡盘松开/夹紧、卡盘正反转、夹持器松开/夹紧、调角装置的油缸伸缩、稳固装置的油缸伸缩、给进装置移动等。

要使钻机部件在虚拟环境下连续动作，只要改变Motion通道中Position Vector和Rotation Vector通道下的位置信息。Position Vector通道下有3个Value通道，分别代表X，Y，Z方向的坐标，改变指定Value通道的数值可使部件沿该方向移动；Rotation Vector通道下也有3个Value通道，分别代表绕X，Y，Z轴旋转的角度，改变指定Value通道的数值可使部件绕指定的轴旋转。

为实现钻机整体运动，需要对钻机各部件进行父子关系的绑定，将父部件Motion通道的快捷方式与子部件Motion通道里的第5个连接块连接。比如利用父子关系可将给进装置和回转器绑定在一起，实现给进装置带着回转器给进的同时回转器夹紧钻杆回转。利用该方法可绑定其他部件，实现钻机其他动作。

实现部件移动、旋转时会出现Value通道的数值不适合的情况，要使部件产生逼真的动作，必须利用Expression Value通道。用户可在该通道的属性对话框中输入复杂的表达式或逻辑语句来进行数值处理，在使用表达式时还可使用括号来确定计算的优先级。

经过对位置和旋转角度的合适变换，再加上数值处理就可实现虚拟钻机动作编程，之后需要结合钻机虚拟操控台控制指令触发虚拟钻机动作。控制开关量时使用Trigger通道，Trigger通道仅在判断条件由假变为真时，才会执行连接的子通道，并且执行1次。双击Trigger通道会显示触发方式(数值改变时触发、数值增大时触发、数值减小时触发、延时触发等)和触发方向对话框，利用操控台开关量指令“0”和“1”的变化来触发钻机动作。控制模拟量时使用Value通道，Value通道的数值为采集的电压，通过操控台控制手柄调节模拟量输入大小来实现回转器回转、给进装置移动的速度变化。

3 下位机设计

PLC主机选用FX2N-64MR，通过自身的输入点和扩展的模拟量输入模块实现对钻机虚拟操控台指令的实时采集。模拟量输入模块为FX2N-8AD，能够将8路模拟量(电压、电流、温度)转换为数字量并传输到PLC主机中[13]。根据PLC主机和上位机连接方式，可使用TO指令设置模拟量输入类型和大小。选用24 V DC电源为操控台供电，设置模拟量输入类型为电压输入。FX2N-8AD可进行8通道的电压输入(-10～10 V)，设置每个通道的电压变化范围为0～10 V，通过操控台上的控制手柄改变电压大小。

4 通信设计

FX2N系列PLC与上位机之间支持RS232，RS485及编程口通信[14-15]。编程口通信无需配置通信模块，通过SC-09电缆即可完成PLC与上位机的通信，简单快捷、节省成本。采用PLC编程口通信时，只需在上位机端设置通信参数，而不需对PLC端的D8120通信格式数据寄存器进行任何设置。上位机的通信参数通过Quest3D软件中的Serial模块设置：利用Serial Port通道设置编程口通信参数，根据编程口通信协议设置波特率为9 600 bit/s、偶校验、7位数据位、1位停止位；使用Serial Command通道的Open COM Port命令打开串口、Send Data Package命令按照编程口通信协议发送串口数据、Get Information From Buffer命令接收串口命令；使用Serial Info Value通道对串口的状态(如串口是否打开、数据发送情况等)进行查询。下位机和上位机之间通信流程如图4所示。

图4 下位机和上位机之间通信流程
Fig.4 Communication flow of upper computer and lower computer

钻机虚拟操控台发出的模拟量和开关量控制指令由模拟量输入模块和PLC采集，之后将数据存储在设定的寄存器内并对采集数据进行处理，通过SC-09电缆将数据发送给虚拟软件平台，完成对虚拟钻机的控制。以钻机虚拟操控台控制虚拟钻机急停为例，按照编程口通信协议发送全部数据“02 30 31 30 46 36 31 32 30 31 30 30 03 33 34”，其中“02”为STX(开始标志)，“30”为字元件状态读操作，“31 30 46 36”为D123寄存器的地址，“31 32”表示写入2个字节的数据，“30 31 30 30”表示从寄存器中读出“0001”，“03”为ETX(结束标志)，“33 34”为累加和校验。发送该指命后，PLC返回ACK，表示校验无误，PLC输出一个开关量控制命令停止钻机工作。

5 结语

利用Quest3D和PLC开发的煤矿全液压钻机培训系统人机交互性能良好，操作简单易懂，既解决了传统教学单一教条的问题，又避免了真机操作时的安全隐患，节约了生产成本。经过该系统培训的学员能更快掌握钻机基本知识和操作技能，达到提高煤矿全液压钻机培训有效性的目的。

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