周明陽，馬利偉，劉國寧

（鄭州大學(xué)機械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

1 引言

運架一體機作為國家重點特種設(shè)備，是高鐵施工的必要裝備。由于同時實現(xiàn)了運輸和架橋的功能，對實現(xiàn)高鐵施工自動化、降低運輸困難度、提高勞動生產(chǎn)效率具有重要意義[1]。在實際施工中，裝備一旦出現(xiàn)故障，很難及時找到故障原因或為維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。因而，采用現(xiàn)代的傳感和通訊技術(shù)，開發(fā)遠程的狀態(tài)、運行等方面的虛實相結(jié)合仿真系統(tǒng)，不但有助于遠程監(jiān)控和故障診斷，也為設(shè)備的智能維護提供了可能。從2010年起，國家質(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[3]是一種將機械三維模型與控制設(shè)計仿真相結(jié)合的創(chuàng)新方法，通過在虛擬原型的基礎(chǔ)上，有效運用仿真、制造技術(shù)對產(chǎn)品設(shè)計相關(guān)技術(shù)進行管理；文獻[4]利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過方向盤、剎車等組成物理原型、通過LabVIEW 編制上位機、3DMax設(shè)計三維模型等構(gòu)成虛擬原型，設(shè)計了虛擬3D駕駛仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)虛擬駕駛模擬駕?？荚嚬δ堋Ｎ墨I[5-6]構(gòu)建了機械臂控制仿真系統(tǒng)，通過軟件編程方式解決仿真模型（虛擬原型）與實際模型（物理模型）同步運行等問題[5-6]；文獻[7]通過建立反坦克導(dǎo)彈射擊虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，實現(xiàn)對導(dǎo)彈飛行（虛擬原型）的控制；耿克達[8]通過建立變質(zhì)心機構(gòu)3D虛擬顯示系統(tǒng)實現(xiàn)了在測控系統(tǒng)中同步3D虛擬顯示；文獻[9]針對盾構(gòu)裝備的運動仿真系統(tǒng)進行了開發(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)問題，且能通過虛擬原型與物理模型之間交互進行理論和實際驗證。而在大型特種機械裝備中，應(yīng)用虛擬原型技術(shù)卻少有研究。此研究創(chuàng)新點在于將虛擬原型技術(shù)應(yīng)用于大型特種裝備，目的為遠程端同步設(shè)備實時運行狀態(tài)，提出部件故障模型和設(shè)備全生命周期管理模型。本研究針對一種高鐵特種裝備DYJ900 運架一體機，利用LabVIEW，VRML 和Solid-Works等系統(tǒng)和軟件，開發(fā)DYJ900運架一體機的狀態(tài)、運行等仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)裝備的物理空間和虛擬空間的虛實結(jié)合，為智能遠程監(jiān)控、診斷和運維平臺系統(tǒng)提供設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。

2 仿真系統(tǒng)功能和實現(xiàn)方法

2.1 DYJ 900運架一體機的功能和參數(shù)

傳統(tǒng)架橋施工模式：提梁機、運梁車、架橋機組成的成套裝備聯(lián)合使用，此模式施工成本高，效率低。DYJ900運架一體機將傳統(tǒng)模式設(shè)備功能集中于一體，實現(xiàn)提梁、運梁、架橋過程設(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 高鐵運架一體機主要參數(shù)Tab.1 Main Parameters of DYJ900 High-Speed Rail Transporting Machine

運架一體機由后走行臺車、起升系統(tǒng)、主梁結(jié)構(gòu)、前走行臺車、主支腿、輔助腿組成；主要運動功能有：（1）提梁：起升系統(tǒng)將箱梁提起；（2）運梁：起升系統(tǒng)將箱梁提起，前后走行臺車將箱梁運送至待架區(qū)域；（3）架橋：通過油缸驅(qū)動使主支腿、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，后走行臺車驅(qū)動設(shè)備前進至落梁區(qū)域，如圖1所示。

圖1 運架一體機三維模型Fig.1 3D Model of the High-Speed Rail Transporting Machine

2.2 DYJ900運架一體機運行仿真系統(tǒng)的功能

系統(tǒng)實現(xiàn)裝備運行虛實相互映射的原理，如圖2所示。

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

采用虛擬原型技術(shù)，通過LabVIEW軟件將仿真控制程序、軟件設(shè)計等與運架一體機三維模型連接，測試系統(tǒng)的機械特性。

通過通信手段與設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接，將運架一體機提梁、運梁、架橋等運動狀態(tài)實時反饋到虛擬原型中，為裝備智能監(jiān)控，運程運維平臺提供設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。

2.3 DYJ900運架一體機仿真系統(tǒng)實現(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，利用程序節(jié)點進行數(shù)據(jù)交互。LabVIEW 提供了大量的工程幫助實例，使用戶能夠進行高效率的項目開發(fā)[10]。廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、測試控制、仿真、系統(tǒng)設(shè)計等各個領(lǐng)域。

選擇軟件版本為LabVIEW2017。VRML是一種虛擬現(xiàn)實建模語言，用于建立真實世界或者虛擬世界三維場景建模。具有交互性、動態(tài)性、實時性好等特點[11-12]。

構(gòu)建運行仿真系統(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，運動部件較多時，占用計算機運行資源較大，仿真效果較差[15]；第二種，構(gòu)建仿真運行環(huán)境比較容易。

綜合考慮采用第二種運行仿真方法，將SolidWorks 繪制的運架一體機模型加載到軟件平臺中，接受控制命令，使其能夠遵循用戶的意愿動態(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

運用SolidWorks 構(gòu)建前走行臺車、后走行臺車、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)建三維場景加載WRL模型[13-14]。構(gòu)建三維場景具體流程，如圖3所示。

（1）加載WRL文件。如圖4所示。

圖4 運架一體機VRML模型加載程序Fig.4 VRML Model Loading Program for Transporting Machine

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

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

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

（3）虛擬場景運動控制程序編寫。如圖6所示，“平移對象”函數(shù)確定“主支腿整體”為控制對象，“按名稱捆綁”方法設(shè)置運動初始位置、方向運動為y軸。

圖6 主支腿運動控制部分程序Fig.6 Partial Program for Main Leg Motion Control

3 運架一體機虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)

虛擬仿真系統(tǒng)分為兩個模塊：手動設(shè)置模塊，半物理仿真模塊。手動設(shè)置模塊，能夠通過鼠標(biāo)點擊前面板控件實現(xiàn)控制指令的輸入，模擬運架一體機運梁、架橋等過程；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運架一體機虛擬仿真系統(tǒng)架構(gòu)Fig.7 Framework of Virtual Simulation System for DYJ900 High-Speed Rail Transporting Machine

3.1 DYJ900運架一體機CAD運行模型建立

本設(shè)計模型主要為DYJ900運架一體機主要機械部分及箱梁橋墩等，使用SolidWorks建模；在保存模型時，對復(fù)雜模型進行簡化，使運架一體機在視覺上具有完整性。圖1給出的就是簡化版的DYJ900 運架一體機的結(jié)構(gòu)模型。

3.2 LabVIEW仿真模型建立

建立CAD模型后，將每個部件（將不同零件組成的子裝配體統(tǒng)稱為部件）對應(yīng)的WRL文件導(dǎo)入LabVIEW中；WRL文件為純ASCII文件，通過文本編輯器創(chuàng)建三維模型，對于復(fù)雜的大型3D模型，需借助三維軟件進行場景建模[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，將模型的單位統(tǒng)一為mm（毫米），使用同一個坐標(biāo)系在SolidWorks軟件中對運架一體機部件進行位置定義。后走行臺車三維模型及坐標(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。以架橋時前走行臺車與主梁裝配為例，如圖9所示。主梁結(jié)構(gòu)相對于固定橋梁參考坐標(biāo)（x，y，z）為（20221.1，9820，0）；前走行臺車相對于主梁結(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-添加對象模式”函數(shù)設(shè)置部件間從屬關(guān)系；選擇“平移對象”函數(shù)根據(jù)部件相對位置進行裝配。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，建立各個組件之間的運動關(guān)系。為了程序編寫簡潔，將被控對象封裝為“對象簇”、控制控件封裝為“運動簇”。如圖10所示，以控制虛擬模型中運架一體機向前移動為例；調(diào)用“按名稱捆綁函數(shù)”設(shè)置沿x軸方向移動，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）；運動簇與通信協(xié)議（串口通信等）連接實體模型，能夠?qū)崿F(xiàn)實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 各個組件間運動關(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。手動設(shè)置模塊前面板，能夠?qū)崿F(xiàn)鼠標(biāo)點擊前面板進度條控制三維模型的大小縮放，運動部件移動等，如圖11所示。如依次拖動進度條（起升系統(tǒng)上升、主支腿上升、輔助腿上升、整機移動、待架橋梁下落等）能夠手動模擬提梁、架橋過程，具有示教作用。設(shè)置系統(tǒng)前面板場景顏色、控制模型縮放比例部分代碼。

圖11 虛擬仿真手動設(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)的部分實物接入到仿真回路中，以虛擬模型結(jié)合硬件進行試驗，實質(zhì)為通過模擬手段進行技術(shù)研究[17-18]。本設(shè)計采用半物理仿真；驗證系統(tǒng)通信功能。如圖13所示，通過編碼器模擬運架一體機運梁從待架區(qū)域到落梁區(qū)域（如圖1）的位移信號，采用USB接口轉(zhuǎn)換器通過串口通信反饋到虛擬場景中，實現(xiàn)運行狀態(tài)的位移、速度、加速度實時顯示。

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

試驗平臺的硬件選型如下：

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

（1）測量位置、高度、長度、角度等；

（2）（4～20）mA模擬電流信號與RS485數(shù)字信號雙輸入；

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

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

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

實現(xiàn)DYJ900運架一體機虛實交互系統(tǒng)的軟件程序具體流程如下：

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

（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COM號為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)截取脈沖變動位；右端連接“十進制數(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）實現(xiàn)仿真狀態(tài)實時顯示，如圖15所示。通過v=(xi+1-xi)/(ti+1-ti)，a=(vi+1-vi)/(ti+1-ti)的公式定義，通過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-值傳遞”方法編寫上式實現(xiàn)速度v，絕對位移x，加速度a的實時顯示。i對應(yīng)編碼器的脈沖數(shù)，t為時間。

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

式中：速度v：m/s；絕對位移x：m；加速度a：m/s2；時間t：s。

（4）反饋信號與虛擬模型通信。VISA讀取的反饋信號設(shè)置為局部變量，與“運動控制.vi”中“按名稱捆綁”函數(shù)連接，實現(xiàn)編碼器信號通信連接。如圖16所示，通過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；通過串口通訊程序讀取USB 接口轉(zhuǎn)換器的端口號（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“運動控制.vi”連接，實現(xiàn)半物理仿真硬軟件通信聯(lián)通。驅(qū)動對象及驅(qū)動方向的標(biāo)示圖，如圖17所示。

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

圖17 驅(qū)動對象及驅(qū)動方向標(biāo)識圖Fig.17 Drive Object and Drive Direction Identification Diagram

半物理試驗表明：如圖18（a）所示，編碼器（物理原型）模擬設(shè)備狀態(tài)反饋信號能夠驅(qū)動虛擬環(huán)境中運架一體機（虛擬原型）運梁過程位置移動，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架一體機的實時位移值為30m；在速度曲線圖與位移曲線圖剛開始的抖動是由于每次系統(tǒng)啟動重新復(fù)位到初始位置造成的。試驗證明：實時運行位移、速度、加速度顯示在前面板上，系統(tǒng)運行流暢。

圖18 試驗測試圖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運架一體機的運行虛擬仿真系統(tǒng)。開發(fā)的仿真系統(tǒng)實現(xiàn)了DYJ900運架一體機的核心運行功能的運動仿真。運行仿真系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，利用LabVIEW 和VRML開發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)運行時對系統(tǒng)硬件要求相對低，運行流暢。通過搭建的物理原型試驗平臺，實現(xiàn)了與LabVIEW 中建立的虛擬原型通信和DYJ900運架一體機的核心運行功能的虛實結(jié)合，驗證了所開發(fā)系統(tǒng)的可靠性。此研究對高鐵重型裝備的智能化遠程運維和實時運行監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。