钻机仿真模拟器是一款结合了实物操作与虚拟现实技术的半实物模拟仿真器。它通过先进的计算机图形技术、控制技术以及人机交互技术，为操作者提供了一个既真实又安全的学习和训练环境。这种模拟器的设计旨在模拟真实钻机的操作环境，同时避免了实际操作中可能遇到的风险和成本。本文以煤矿全液压钻机为例来进行详细的描述。
煤矿全液压钻机模拟实验台由软件系统和硬件系统组成。软件系统由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Quest 3D软件，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。
硬件系统由钻机虚拟操控台、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。软件系统和硬件系统之间通过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。
1. 软件系统设计
1.1 虚拟钻机和场景搭建
虚拟钻机和场景搭建的以真实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。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。
1.2 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。
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。
1.3 虚拟钻机动作编程
钻机动作配合是一个复杂的过程，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。
2. 硬件系统设计
PLC主机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。根据PLC主机和软件系统连接方式，可使用TO指令设置模拟量输入类型和大小。
3. 通信设计
PLC与软件系统之间支持RS232，RS485及编程口通信。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，只需在软件系统端设置通信参数，软件系统的通信参数通过Quest 3D软件中的Serial模块设置。
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。
钻机仿真模拟器人机交互性能良好，操作简单易懂，可让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。
