专利名称：塔式起重机操作模拟培训系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种操作模拟培训系统，特别是一种塔式起重机操作模拟培训系统，专供塔 式起重机驾驶员培训使用。属于虚拟现实技术领域。
背景技术：
建筑工地货物装卸、搬运是具有危险性的特种工作，塔式起重机驾驶员的操作直接影响 到生命、财产的安全。所以，我国和欧美发达国家对塔式起重机驾驶员的培训进行了立法， 规定新驾驶员必须到政府批准的培训中心参加培训，取得资格证书后方可从事此项工作。目 前塔式起重机驾驶员的培训是通过师傅带徒弟的方式来完成的，这种传统的教授方式受人为 因素的影响，存在着事故率高、培训时间长、培训内容欠规范、受天气条件的限制、效率低 等问题。随着现代科学技术的迅速发展和建筑施工水平及管理水平的提高，使利用计算机系 统对塔式起重机驾驶员进行高素质的驾驶培训成为可能。目前，我国尚没有塔式起重机操作 模拟训练系统。本发明提供了一种集机一电一液一自动化一虚拟现实技术于一体的塔式起重 机操作模拟培训系统，主动、实时地模拟塔式起重机的工作过程，用于塔式起重机驾驶员的 操作模拟培训。
发明内容
本发明的目的是提供一种塔式起重机操作模拟培训系统，主动、实时地模拟塔式起重机 的变幅、回转、起升运动，再现起吊、运输、就位、空行程一个完整的工作过程，模拟在不 同工况下由于惯性力、风载荷引起的驾驶室在塔身上方的摆动情况，用于塔式起重机驾驶员 的操作模拟培训。本发明通过如下技术方案实现
塔式起重机操作模拟培训系统包括操作控制台、数据采集系统、虚拟现实软件系统、视 景系统、联动座椅、PC机。学员通过控制操作控制台上的操作杆，向塔式起重机操作模拟培
训系统发出变幅、回转和起升运动操作命令，数据采集系统通过USB接口采集到这些操作命 令，PC机根据这些操作命令发出指令，分别驱动虚拟现实软件系统，在视景系统上显示塔式 起重机的工作过程、工地周边方圆4 kii^的场景变化以及天气变化情况，同时驱动液压伺服 联动座椅模拟塔式起重机在不同工况下由于惯性力、风载荷引起的驾驶室在塔身上方土 500mm范围内的摆动情况。
4操作控制台由紧固螺栓固定在横向运动支架上，操作控制台上安装了电源开关按钮、紧 急刹车按钮、五档位的变幅和回转联动操作杆、五档位的升降操作杆，具有与真实塔式起重 机一样的操作控制台和仪表盘。
PC机根据数据采集系统采集到的操作电流信号判断塔式起重机的各种工况，向虚拟现实 软件系统和液压伺服系统发出指令，驱动场景和液压伺服联动座椅运动。
虚拟现实软件系统采用三维建模软件MuWgen-Creator，建立塔式起重机的真实工作场景 及其周边环境的模型，在￥0++编辑环境中，用vega软件的API函数编程实现场景驱动。
视景系统显示塔式起重机的工作过程、场景变化以及天气变化情况，使学员感受到直接 作业场景。
液压伺服联动座椅是由两套液压伺服系统驱动，横向液压伺服系统附着在纵向液压伺服 系统上，两套液压伺服系统分别驱动联动座椅在水平面内沿着横向和纵向运动，模拟塔式起 重机在变幅、回转、起升运动不同工况下由于惯性力和风载荷引起的驾驶室在塔身上方土 500mm范围内的摆动。
本发明提供了一种集机一电一液一自动化一虚拟现实技术于一体的塔式起重机操作模拟 培训系统，能主动、实时地模拟塔式起重机的操作过程、工作过程、载荷摆动情况、驾驶室 的摆动情况、场景变化情况、天气变化情况，具有操作真实、场景逼真、动感强劲的特点， 不受天气条件的限制，培训内容规范，提高了培训的工作效率、安全性和可靠性。而且，采 用PC机和支持3D功能显卡的视景系统降低了系统的成本。
图l是塔式起重机操作模拟培训系统示意图； 图2是塔式起重机操作模拟培训系统主视图； 图3是塔式起重机操作模拟培训系统右示图； 图4是液压系统原理图。
图l塔式起重机操作模拟培训系统示意图1、操作控制台，2、数据采集系统，3、视景 系统，4、 PC机，5、联动座椅。
图2塔式起重机操作模拟培训系统主视图6、横向运动液压缸，7、液压缸固定螺栓，8、 液压缸连接螺栓，9、纵向运动导轨，10、纵向运动导轮，12、键，13、纵向运动轴，15、纵 向运动轴承，16、纵向运动支架，17、横向运动导轮，18、横向运动支架，19、紧固螺栓， 20、操作控制台，21、变幅和回转联动操作杆，22、座椅，23、起升操作杆，35、横向液压
5缸固定架。
图3塔式起重机操作模拟培训系统右示图11、横向运动轴，14、键，24、横向运动导 轨，25、液压缸连接螺栓，26、液压缸固定螺栓，27、纵向运动液压缸，28、横向运动轴承， 29、驾驶室外壳，36、纵向液压缸固定架。
图4液压系统原理图30、油箱，31、液压泵，32、溢流阀，33、换向阀，34、液压缸。
具体实施例方式
在图l、图2、图3、图4中，塔式起重机操作模拟培训系统包括操作控制台1、数据采 集系统2、视景系统3、 PC机4、联动座椅5。
操作控制台1由紧固螺栓19固定在横向运动支架18上，操作控制台1上安装了电源开 关按钮、紧急刹车按钮、五档位的变幅和回转联动操作杆21、五档位的升降操作杆23，具有 与真实塔式起重机一样的操作控制台和仪表盘。在联动操作杆21和起升操作杆23的下端安 装传感器，学员通过控制操作杆21、 23连接传感器相应的触点，形成闭合回路，数据采集系 统2通过USB接口采集到操作杆21、 23相应档位形成的电流信号。PC机4根据数据采集系 统2采集到的操作电流信号判断塔式起重机的各种工况，向虚拟现实软件系统和液压伺服系 统发出指令，驱动场景和联动座椅5运动。
虚拟现实软件系统是根据塔式起重机的结构参数，以及通过实地测量建筑物的形状、尺 寸及位置，采用三维建模软件Multigen-Creator，对塔式起重机进行实体建模，并创建塔式起 重机的真实工作场景及其周边环境的模型，在vega的图形用户界面Lynx中将模型文件.flt加 载，生成adf文件，在￥0++编辑环境中，用vega软件的API函数编程实现场景驱动。模拟 不同机型、不同参数的塔式起重机的变幅运动、回转运动、起升运动、货物的摆动及碰撞， 模拟白天、黑夜、风、雨、雾、雪等不同天气现象，使学员感受到直接作业场景。
视景系统3与PC机4的显卡接口相连，采用支持3D功能的显卡。通过选择驾驶室内外 视点，在视景系统3上显示塔式起重机的变幅、回转、起升运动基本工况和合成运动工况， 显示载荷的起吊、运输、就位、空行程一个完整的工作过程，显示载荷的摆动以及载荷碰撞 检测，同时，还可以显示塔式起重机周边方圆4kn^的场景，以及白天、黑夜、风、雨、雾、 雪等不同天气现象，使学员在视景系统上看到通过控制操作杆21、 23驱动塔式起重机运行的 真实画面。
驾驶室29固定在塔身上方，由于变幅、回转、起升运动惯性力和风载荷的作用，使塔身 产生弹性变形，驾驶室29在塔身上方摆动。起重机操作规范规定在6级以及6级以上的大风天气停止一切吊装作业，本发明计算了 l一5级风载荷，模拟在l一5级风的天气情况下， 驾驶室的摆动情况。液压伺服联动座椅模拟塔式起重机在变幅、回转、起升运动不同工况下 由于惯性力和风载荷引起的驾驶室29在塔身上方土500mm范围内的摆动。
液压伺服联动座椅5是由两套液压伺服系统驱动，横向液压伺服系统附着在纵向液压伺服 系统上，两套液压伺服系统分别驱动座椅在水平面内沿着横向和纵向运动。液压系统包括油 箱30、液压泵31、溢流阀32、换向阀33、液压缸34。纵向运动液压缸27由液压缸固定螺栓26 固定在纵向液压缸固定架36上，液压缸27通过液压缸连接螺栓26连接在纵向运动支架16上， 导轮10通过键12与纵向运动轴13连接，轴13的两端由纵向运动轴承15支撑，轴承15固定在纵 向运动支架16上，纵向运动导轮10安装在纵向运动导轨9上。横向运动液压缸6由液压缸固定 螺栓7固定在横向液压缸固定架35上，液压缸6通过液压缸连接螺栓8连接在横向运动支架18 上，导轮17通过键14与横向运动轴11连接，轴11的两端由横向运动轴承28支撑，轴承28固定 在横向运动支架18上，横向运动导轮17安装在横向运动导轨24上。
打开塔式起重机操作模拟培训系统PC机4、操作控制台1上的电源开关、视景系统3， 学员左手控制联动操作杆21，右手控制起升操作杆23，选择不同的变幅、回转、起升运动档 位，向塔式起重机发出变幅、回转、起升运动命令，数据采集系统2通过USB接口采集到操 作命令，PC机4根据采集到的操作命令判断塔式起重机的各种工况，向虚拟现实软件系统发 出指令，驱动视景系统3显示塔式起重机的各种工况和工作场景。通过选择内外视点，在视 景系统3上显示塔式起重机的起吊、运输、就位、空行程一个完整的工作过程，显示载荷的 摆动情况，实现载荷碰撞检测，还可以显示塔式起重机周边方圆4kn^的场景，模拟白天、黑 夜、风、雨、雾、雪等不同天气现象，使学员感受到直接作业场景。联动座椅的运动实施方 式如下
变幅运动实施方式。学员左手控制操作杆21，选择不同的变幅运动档位，向塔式起重机 发出变幅运动命令，数据采集系统2通过USB接口采集到操作命令，PC机4根据采集到的 操作命令，计算塔式起重机驾驶室29由于变幅运动惯性力引起的纵向摆动幅值，向纵向液压 伺服系统发出运动指令，纵向运动液压缸27驱动纵向运动导轮10沿着纵向运动导轨9运动， 模拟塔式起重机在变幅运动工况下由于惯性力引起的驾驶室在塔身上方的纵向摆动情况。
回转运动实施方式。学员左手控制操作杆21，选择不同回转运动档位，向塔式起重机发 出回转运动命令，数据采集系统2通过USB接口采集到操作命令，PC机4根据采集到的操 作命令计算塔式起重机由于回转运动惯性力引起的驾驶室29横向摆动幅值，向横向液压伺服 系统发出运动指令，横向运动液压缸6驱动横向运动导轮17沿着横向运动导轨24运动，模拟塔式起重机在回转运动工况下由于惯性力引起的驾驶室在塔身上方横向摆动情况。
同时回转和变幅运动实施方式。学员左手控制操作杆21，选择不同的回转和变幅运动档 位，向塔式起重机发出同时变幅和回转运动命令，数据采集系统2通过USB接口采集到操作 命令，PC机4根据采集到的操作命令计算由于回转和变幅运动惯性力引起的驾驶室29横向 和纵向摆动幅值，向液压伺服联动座椅5发出运动指令，由横向运动液压缸6和纵向运动液 压缸27分别驱动横向运动导轮24和纵向运动导轮10沿着横向运动导轨24和纵向运动导轨 9运动，模拟塔式起重机在同时进行回转、变幅运动工况下由于惯性力引起的驾驶室29在塔 身上方的摆动情况。
风载荷引起驾驶室摆动实施方式。在PC机4内存储了 l一5级风载荷，以及l一5级风 的天气情况下驾驶室29沿着横向和纵向的摆动幅值，向液压伺服联动座椅5发出运动指令， 由横向运动液压缸6和纵向运动液压缸27分别驱动横向运动导轮24和纵向运动导轮10沿着 横向运动导轨24和纵向运动导轨9运动，模拟风载荷引起的驾驶室摆动情况。
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权利要求
1、塔式起重机操作模拟培训系统，包括操作控制台、数据采集系统、虚拟现实软件系统、视景系统、联动座椅、PC机，其特征在于学员通过控制操作控制台上的操作杆，向塔式起重机操作模拟培训系统发出变幅、回转和起升运动操作命令，数据采集系统通过USB接口采集到这些操作命令，PC机根据这些操作命令发出指令，分别驱动虚拟现实软件系统，在视景系统上显示塔式起重机的工作过程、工地周边方圆4km2的场景变化以及天气变化情况，同时驱动液压伺服联动座椅模拟塔式起重机在不同工况下由于惯性力、风载荷引起的驾驶室在塔身上方±500mm范围内的摆动情况。
2、 根据权利要求1所述的塔式起重机操作模拟培训系统，其特征在于操作控制台上安 装了电源开关按钮、紧急刹车按钮、五档位的变幅和回转联动操作杆、五档位的升降操作杆, 有与真实塔式起重机一样的操作控制台和仪表盘。
3、 根据权利要求1所述的塔式起重机操作模拟培训系统，其特征在于数据采集系统通 过USB接口采集到操作杆的操作命令。
4、 根据权利要求1所述的塔式起重机操作模拟培训系统，其特征在于PC机根据采集 到的操作命令判断塔式起重机的工况，向虚拟现实软件系统和液压伺服系统发出指令驱动场 景和联动座椅运动。
5、 根据权利要求1所述的塔式起重机操作模拟培训系统，其特征在于虚拟现实软件系统是根据塔式起重机的结构参数，以及通过实地测量建筑物的形状、尺寸及位置，采用三维建模软件Multigen-Creator，对塔式起重机进行实体建模，并创建塔式起重机的真实工作场景 及其周边环境的模型，在vega的图形用户界面Lynx中将模型文件.flt加载，生成adf文件， 在￥€++编辑环境中，用vega软件的API函数编程实现场景驱动。
6、 根据权利要求1所述的塔式起重机操作模拟培训系统，其特征在于视景系统与PC 机的显卡接口相连，采用支持3D功能的显卡，通过选择内外视点，在视景系统上显示塔式 起重机的变幅运动、回转运动、起升运动的基本工况和合成运动工况，再现载荷的起吊、运 输、就位、空行程一个完整的工作过程，同时还可以显示载荷的摆动情况，实现载荷碰撞检 测，显示塔式起重机周边方圆4ki^的场景，模拟白天、黑夜、风、雨、雾、雪等不同天气现 象，使学员感受到直接作业场景。
7、 根据权利要求1所述的塔式起重机操作模拟培训系统，其特征在于液压伺服联动座 椅是由两套液压伺服系统驱动，横向液压伺服系统附着在纵向液压伺服系统上，纵向运动液 压缸由液压缸固定螺栓固定在纵向液压缸固定架上，纵向液压缸通过液压缸连接螺栓连接在纵向运动支架上，纵向运动导轮通过键与纵向运动轴连接，纵向运动轴的两端由纵向运动轴 承支撑，纵向运动轴承固定在纵向运动支架上，纵向运动导轮安装在纵向运动导轨上；横向 运动液压缸由液压缸固定螺栓固定在横向液压缸固定架上，横向液压缸通过液压缸连接螺栓 连接在横向运动支架上，横向运动导轮通过键与横向运动轴连接，横向运动轴的两端由横向 运动轴承支撑，横向运动轴承固定在横向运动支架上，横向运动导轮安装在横向运动导轨上， 两套液压伺服系统分别驱动联动座椅在水平面内沿着横向和纵向运动，模拟塔式起重机在变 幅、回转、起升运动等不同工况下由于惯性力和风载荷引起的驾驶室在塔身上方的摆动情况。
全文摘要
本发明公开了一种塔式起重机操作模拟培训系统，包括操作控制台、数据采集系统、虚拟现实软件系统、视景系统、联动座椅、PC机。通过控制操作控制台上的操作杆发出操作命令，数据采集系统通过USB接口采集到这些操作命令，PC机根据这些操作命令驱动虚拟现实软件系统，在视景系统上显示塔式起重机的工作过程、工地周边方圆4km<sup>2</sup>的场景变化以及天气变化情况，同时，驱动液压伺服联动座椅模拟塔式起重机驾驶室在塔身上方±500mm范围内摆动情况。本发明是集机—电—液—自动化—虚拟现实技术于一体的塔式起重机操作模拟培训系统，主动、实时地模拟塔式起重机的工作过程，具有操作真实、场景逼真的特点，专供塔式起重机驾驶员培训使用。
文档编号G09B9/00GK101661676SQ20091001873
公开日2010年3月3日 申请日期2009年9月16日 优先权日2009年9月16日
发明者璐 李, 董明晓 申请人:山东建筑大学