挖掘机技能培训模拟仪的研制.docx

2009年全国技工教育和职业培训 优秀教研成果评选活动参评课题 挖掘机模拟教学仪的研制 挖掘机模拟教学仪的研制课题研制成果挖掘机模拟教学仪，打破传统训练方式，将硬件和软件完全开放，依据提高效率、降低成本的教学要求，利用操作手柄将模拟信号传递给微机，微机经过处理后再输出信号到显示系统；系统主要由模拟操作台、模拟操作部件、传感器、单片机、可编程控制器和图像显示器组成，操作台信号通过计算机S端子输入计算机，其操作动作和显示系统的输出图像同步。通过该模拟教学仪进行挖掘机操作技能的各种课题训练，可以保证在绝对安全的条件下，加长时间、提高质量、节约成本、杜绝污染，使学员掌握和熟练操作挖掘机的技能技巧。这套模拟教学仪已获国家发明专利1项zl200610086166.5，实用新型专利5项：zl200620078018.4 zl200620124936.6 zl200620124937.0 zl200720131030.1 zl200720131031.6 国际专利PCT认证：PCT/CN2007/002589 ，计算机软件著作权登记证号：2008SR06717；经过全国多家培训机构试用，反映良好，具有一定的推广应用价值。现在，此套系统除了用于我校和全国近百家培训学校的挖掘机技能实训，还用于部分职业技能鉴定机关的职业技能培训认证。研制成功的挖掘机模拟教学仪实物如图（1.2.3）所示。图1图2图3课题研制背景改革开放的深入发展，国家经济建设步伐的加快，推动了机械化程度的迅速提高。全国各地区城乡基础建设的火热进行，对挖掘机械及其驾驶操作人员的需求越来越多，因此带来了挖掘机驾驶技能培训市场的急速发展。但挖掘机驾驶员属于特种行业操作，对其掌握的技能、技术要求较高，而对于培育和造就他们的职业学校，则要求具备更高的教学能力和技术基础。在挖掘机模拟教学仪未发明之前，传统的培训是在对学员短暂的理论教学之后，就在有限的时间内进行挖掘机实际上机操作训练，学习挖掘机操作的各种技能技巧；但挖掘机操作的技能技巧是需要通过较长时间的实际上机训练才能熟练掌握的。这种训练方式存在很多问题，如成本很高、安全性差、效率较低、污染严重等，学员受经济条件、训练时间限制，不能熟练掌握挖掘机操作的技能技巧，给以后的实际工作带来很多困难和问题，威胁着人身和财产的安全。如何解决这些矛盾，研制先进的培训机械，改革传统的训练方式，创立科学的培训模式，加快高素质挖掘机驾驶人才培训，就成为亟待解决的课题。设计方案本课题研发，旨在提供一种模拟操作系统。该培训装置包括模拟操作台、模拟操作部件、传感系统或开关器、单片机、可编程控制器和图像显示器。模拟操作部件安装在工作台上；在模拟操作部件下均安装有传感系统或开关器，传感系统或开关器通过数据线与用于一级信号处理的单片机连接，将信号传输给单片机，单片机通过数据接口与用于二级信号处理的可编程控制器连接，可编程控制器通过数据线与显示器系统连接。模拟操作部件包括挖掘机左操作手柄、右操作手柄、左行走踏板、右行走踏板、操作杆、座椅、底座，座椅连接在底座上，在座椅的左侧和右侧分别连接有左操作手柄和右操作手柄，座椅前端的下部连接有左行走踏板和右行走踏板，左行走踏板和右行走踏板分别连接有左行走操作杆和右行走操作杆。左操作手柄和右操作手柄包括6、万向节，7、球头，8、连杆；万向节、球头、连杆顺序连接，并通过连杆与工作台连接。传感器为开关，或者为霍尔器件。可编程控制器由主板与主板电器处理单元、存储单元连接组成。原理特征系统具有可编程控制器、视景数据库、图像生成器、图像显示系统、传感系统或开关、应用软件系统和安装在操作台上的操作部件；在左右操作手柄及左右行走踏板下各装有传感系统或开关来收集操作部件动作产生的信号数据。与左操纵手柄相连的传感系统或开关，通过电路触点的连接，形成闭环电路，通过电流判断左操纵手柄的前后左右动作方向；与右操纵手柄相连的传感系统或开关，通过电路触点的连接，形成闭环电路，通过电流判断右操纵手柄的前后左右动作方向。在左行走操纵杆前后设置传感系统或开关，通过电路触点的连接，形成闭环电路，通过电流判断左行走手杆的动作方向；在右行走操纵杆前后设置传感系统或开关，通过电路触点的连接，形成闭环电路，通过电流判断右行走手杆的动作方向。有益效果由于采用了上述方案，学习者在操作台上操作各种操作部件时，会触到所设置的传感系统或开关器，该传感系统或开关器使所对应的电路接通产生电流，传递给一级处理系统单片机，经过信号处理后采用数据线传递给可编程控制器，可编程控制器通过相应的A/D转换后获得相关动作指令，然后通过数据接口再传递给图象显示系统，图象显示系统在视景数据库中调出对应的视景，并生成模拟的工作环境场景，将同步图形显示在显示系统上，不需在现实的挖掘机上就可以有效进行技能训练。系统结构、操作台结构示意图该装置由模拟机操作部件、传感系统或开关、单片机、可编程控制器（由主板、主板电器处理单元、存储单元）和显示系统组成。1、显示系统，2、可编程控制器，3、数据线，4、单片机，5、左操作手柄，6、万向节，7、球头，8、连杆，9、工作台，10、右操作手柄，11、左行走踏板，12、右行走踏板，13、右行走操作杆，14、左行走操作杆，15、传感系统或开关制作安装该培训装置包括模拟操作台、模拟操作部件、传感系统或开关器、单片机、可编程控制器和图像显示器。模拟操作部件安装在工作台上；在模拟操作部件下均安装有传感系统或开关器，传感系统或开关器通过数据线与用于一级信号处理的单片机连接，将信号传输给单片机，单片机通过数据接口与用于二级信号处理的可编程控制器连接，可编程控制器通过数据线与显示器系统连接。模拟操作部件采用与真机相同的硬件设备。系统软件包含挖掘机模拟操作软件系统，通过按键进行选择视角模式，从而进行挖掘机课题的操作与学习；软件操作系统的视角采用驾驶室内部视角模式和驾驶室外部视角模式两种。本系统也可以不使用可编程控制器（由主板、主板电器处理单元、存储单元组成），通过在单片机上实现可编程控制器的功能；也可以不使用传感系统来收集数据信息，采用开关收集数据信息。实训示例打开模拟器主电源开关后，启动可编程控制器（由主板、主板电器处理单元、存储单元组成）和图形显示器，使采集整理的挖掘机工作时的动作画面同步显示在屏幕上。左操纵手柄5前后动作对应挖掘机动臂开、收动作。手柄5向前推动时，球头7向下运动，使传感器或开关接触，输出信号通过数据线传递到单片机，经过一级信息处理后，通过数据接口传递到可编程控制器，并进行二级数据处理，最终在显示系统上显示完成动臂开的动作图形；操作手柄5向后拉时，球头7向上运动，使传感器或开关接触，输出信号通过数据线传递到单片机，经过一级信息处理后，通过数据接口传递到可编程控制器，并进行二级数据处理，将相应的动臂收回的图形显示在显示系统上。左操纵手柄5左右动作对应挖掘机左、右旋转动作。手柄5向左拉动时，球头7向左运动，使传感器或开关接触，输出信号通过数据线传递到单片机，经过一级信息处理后，通过数据接口传递到可编程控制器，并进行二级数据处理，在显示系统上显示完成左旋转的动作图形；操作手柄5向右拉动时，球头7向右运动，使传感器或开关接触，输出信号通过数据线传递到单片机，经过一级信息处理后，通过数据接口传递到可编程控制器，并进行二级数据处理，将相应的右旋转的图形显示在显示系统上。右操纵手柄10前后动作对应挖掘机大臂升、降动作。手柄10向前拉动时，球头7向下运动，使传感器或开关接触，输出信号通过数据线传递到单片机，经过一级信息处理后，通过数据接口传递到可编程控制器，并进行二级数据处理，在显示系统上显示完成挖掘机大臂降下的动作图形；操作手柄10向后拉动时，球头7向上运动，使传感器或开关接触，输出信号通过数据线传递到单片机，经过一级信息处理后，通过数据接口传递到可编程控制器，并进行二级数据处理，将相应的大臂升上的图形显示在显示系统上。右操纵手柄10左右动作对应挖掘机挖斗开、收动作。手柄10向左拉动时，球头7向左运动，使传感器或开关接触，输出信号通过数据线传递到单片机，经过一级信息处理后，通过数据接口传递到可编程控制器，并进行二级数据处理，在显示系统上显示完成挖掘机挖斗收的动作图形；操作手柄10向右拉动时，球头7向右运动，使传感器或开关接触，输出信号通过数据线传递到单片机，经过一级信息处理后，通过数据接口传递到可编程控制器，并进行二级数据处理，将相应的挖斗开的图形显示在显示系统上。左行走操作杆14前后动作对应挖掘机左边履带前后运动动作，手杆14向前拉动时，使传感器或开关接触，输出信号通过数据线传递到单片机，经过一级信息处理后，通过数据接口传递到可编程控制器，并进行二级数据处理，在显示系统上显示左履带前驶的动作图形；手杆14向后拉动时，使传感器或开关接触，输出信号通过数据线传递到单片机，经过一级信息处理后，通过数据接口传递到可编程控制器，并进行二级数据处理，将相应的左履带后驶的图形显示在显示系统上。右行走操作杆13前后动作对应挖掘机右边履带前后运动动作，手杆13向前拉动时，使传感器或开关接触，输出信号通过数据线传递到单片机，经过一级信息处理后，通过数据接口传递到可编程控制器，并进行二级数据处理，在显示系统上显示右履带前驶的动作图形；手杆13向后拉动时，使传感器或开关接触，输出信号通过数据线传递到单片机，经过一级信息处理后，通过数据接口传递到可编程控制器，并进行二级数据处理，将相应的右履带后驶的图形显示在显示系统上。其他动作手柄如上所述，所对应操作动作真实模拟实际设备运行工作状态，通过显示系统宽阔的直观视野再现操作的真实性。推广价值该模拟教学仪以其结构简单，利用单片机模拟出挖掘机的各种作业课题、实际工作中的环境及任务等，增加学员的训练时间，费用仅为1元/小时，成本低、耗材少，不受到时间、条件限制，安全、环保，效率高的独特优势，配合声音、图像、动漫及互动视景设备，培养学员在实际操纵挖掘机前，熟练掌握挖掘机操作的技能和技巧。本模拟教学仪的结构开放性在国内乃属首创，并且填补了我国工程机械培训行业中此类设备的空白。实践证明，该设备适用于工程机械学校、厂商及职业鉴定机构工程机械培训课程的培训与鉴定考核，具有广阔的发展空间和一定的推广价值。10