陸佳琪 高興宇 李明楓 廖斌

摘? 要 為了虛擬仿真教學(xué)促進(jìn)課堂教學(xué)質(zhì)量，讓學(xué)生沉浸式享受教學(xué)內(nèi)容，引入Virtual Universe Pro（VUP）操作平臺(tái)，將自動(dòng)化控制、機(jī)械設(shè)計(jì)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、電氣與電子技術(shù)、氣壓液壓以3D渲染逼真化效果融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可開設(shè)非標(biāo)機(jī)械開發(fā)與實(shí)踐、PLC技術(shù)控制虛擬模型、工業(yè)機(jī)器人仿真調(diào)試、氣壓與液壓等實(shí)驗(yàn)。該軟件在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)上具有逼真化和創(chuàng)新性，擴(kuò)展了教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，對(duì)促進(jìn)學(xué)生基礎(chǔ)課程和工程實(shí)踐方面學(xué)習(xí)有很大作用。

關(guān)鍵詞 新工科；虛擬仿真教學(xué)；VUP操作平臺(tái)；機(jī)電一體化；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；PLC；機(jī)器人

中圖分類號(hào)：G642.423? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）14-0123-05

Abstract In order to promote virtual simulation teaching and make students feel the learning content more realistically， Virtual Universe?Pro （VUP） operation platform is introduced， integrates automation control， mechanical design， industrial robot technology， electrical and electronic technology， pneumatic and hydraulic technology into the experimental teaching with 3D rendering and realistic effect. It can open non-standard mechanical development and practice， PLC technology control virtual model， industrial machine simulation debugging， pneumatic and hydraulic， script language development experiments and so on. The software is lifelike and innovative in?virtual experiment teaching， and plays an important role in improving?students understanding of basic courses and engineering practice.

Key words new engineering; virtual simulation teaching; virtual universe pro operation platform; mechatronics; virtual simulation experiment; PLC; robot

0? 引言

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于課堂教學(xué)是教學(xué)活動(dòng)信息化不可或缺的部分。為了培育更多動(dòng)手能力強(qiáng)、有創(chuàng)新性思維的人才，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力水平，教育部于2013年發(fā)出《關(guān)于開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》[1-2]，突出虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)是信息化教學(xué)的重要成分，依據(jù)教學(xué)大綱的要求有力指導(dǎo)服務(wù)于教學(xué)活動(dòng)[3-4]。

隨著虛擬仿真教學(xué)的不斷深入，為滿足機(jī)械電子工程專業(yè)的教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)，加快建設(shè)發(fā)展新工科，實(shí)現(xiàn)工科專業(yè)教學(xué)改革創(chuàng)新，開展虛擬制造創(chuàng)新教學(xué)[5]。Virtual Uni-verse Pro（VUP）是法國(guó)Irai公司研發(fā)的一款功能強(qiáng)大的創(chuàng)新型三維建模與仿真軟件操作平臺(tái)，集合氣動(dòng)液壓、電工電子、數(shù)字電路、機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化多學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)，實(shí)現(xiàn)功能多元化的機(jī)電一體化仿真系統(tǒng)[6]，為實(shí)現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)提供了優(yōu)質(zhì)的教學(xué)條件。對(duì)于培養(yǎng)復(fù)合型人才，以VUP操作平臺(tái)為基礎(chǔ)平臺(tái)，充分利用軟件自帶庫(kù)資源及可通信軟件聯(lián)合調(diào)控資源，開發(fā)切實(shí)可行的方案。所開發(fā)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不僅用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還可以在經(jīng)過渲染修飾后用于參加VR大賽，對(duì)促進(jìn)復(fù)合型虛擬仿真教學(xué)和加強(qiáng)工業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要意義[7]。

利用VUP操作平臺(tái)可代替實(shí)際教學(xué)設(shè)備，基于多元化教學(xué)資源，以3D渲染技術(shù)以及物理引擎呈現(xiàn)最真實(shí)的仿真效果給學(xué)生。該軟件可提供一個(gè)完全開放的虛擬設(shè)備開發(fā)平臺(tái)豐富實(shí)驗(yàn)種類，提高實(shí)驗(yàn)開設(shè)率，實(shí)現(xiàn)零風(fēng)險(xiǎn)操作與演示，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)安全性，重點(diǎn)解決硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源有限及實(shí)驗(yàn)安全隱患的問題[8-9]。

1? VUP機(jī)電一體化軟件簡(jiǎn)介

VUP作為一款機(jī)電一體化軟件，企業(yè)與科研院所提出的方案可在該平臺(tái)上得到驗(yàn)證，不合理的地方可以進(jìn)行修改；研發(fā)出的實(shí)際硬件設(shè)備可以根據(jù)虛擬成品進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)調(diào)試，提高研究的效率[10]。其中，可以與PLC進(jìn)行通信連接，以真實(shí)PLC的I/O對(duì)虛擬對(duì)象進(jìn)行工藝動(dòng)作控制，節(jié)省電氣PLC的實(shí)體調(diào)試時(shí)間；可以與主要機(jī)器人控制軟件進(jìn)行通信聯(lián)立控制，如ABB、FANUC等；可以根據(jù)電氣電路機(jī)械裝置繪制相應(yīng)的二維電氣電路原理圖，并可進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)的仿真；可以根據(jù)腳本語(yǔ)言進(jìn)行自定義仿真。圖1為VUP平臺(tái)基本功能。

2? 設(shè)備研發(fā)與PLC調(diào)試

VUP機(jī)電一體化軟件是通過三維繪制軟件導(dǎo)出3DXML、3DS格式進(jìn)行導(dǎo)入的。通過將零散的、獨(dú)立的零件設(shè)置父子級(jí)的方式，按照父級(jí)帶動(dòng)子級(jí)運(yùn)動(dòng)的原則進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作零件的打包與移動(dòng)。仿真系統(tǒng)設(shè)置物理屬性，添加重力、摩擦系數(shù)、彈性系數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、可穿透、線性阻尼等特征，根據(jù)狀態(tài)模塊的需要分別進(jìn)行設(shè)置，配置各種機(jī)械傳動(dòng)的功能、動(dòng)作（如直線運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)），設(shè)定速度、加速度、檢測(cè)傳感器等，實(shí)現(xiàn)想要的動(dòng)作目的與功能檢測(cè)目的。通過添加碰撞、干涉檢測(cè)、故障反饋效果等，達(dá)到真實(shí)的實(shí)物效果；并且可與實(shí)際PLC控制設(shè)備進(jìn)行信號(hào)交互，接收控制指令以及反饋傳感器信號(hào)，在仿真過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備在程序控制下運(yùn)行的各種問題并進(jìn)行優(yōu)化，提高設(shè)計(jì)效率并降低成本，具有可操作性，可進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真[11-12]。

圖2為PLC控制虛擬模型?？勺远x添加交互界面，建立觸摸屏面板，設(shè)置觸摸屏題目，添加控制按鍵、狀態(tài)燈、模式選擇，通過與I/O口進(jìn)行連接通信，實(shí)現(xiàn)觸摸屏按鍵控制虛擬模型的動(dòng)作，有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。圖3為VUP平臺(tái)編輯觸摸屏調(diào)試仿真模型。

3? 配合機(jī)器人應(yīng)用仿真

該功能需要VUP平臺(tái)配合機(jī)器人仿真控制軟件聯(lián)合通信進(jìn)行操作，機(jī)器人仿真控制軟件中對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制的同時(shí)，也在控制UVP機(jī)電一體化軟件中的機(jī)器人。這里以ABB機(jī)器人為例。

Robot Studio是ABB系列機(jī)器人的虛擬仿真控制軟件，在編輯器I/O系統(tǒng)中建立機(jī)器人的控制信號(hào)與通信的連接信號(hào)；通過邏輯傳遞信號(hào)的判別來使用Digital Input與Digital Out指令完成信號(hào)傳遞；對(duì)于多路徑且不連續(xù)機(jī)器人動(dòng)作，需要VUP平臺(tái)與Robot Studio的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接；只有在VUP平臺(tái)ABB機(jī)器人庫(kù)的abbgateway與Robot Stu-dio虛擬控制軟件中建立相同的I/O信號(hào)名稱，才可以正常通信（設(shè)置別名“W：+信號(hào)名稱”，是一般以VUP平臺(tái)為主體，寫入Robot Studio中；設(shè)置別名“R：+信號(hào)名稱”，是VUP平臺(tái)讀取Robot Studio仿真軟件）。讓學(xué)生了解機(jī)電一體化虛擬仿真控制的同時(shí)接觸機(jī)器人虛擬仿真，對(duì)一些有機(jī)器人參與虛擬仿真的項(xiàng)目具有一定的參考價(jià)值。圖4所示是VUP平臺(tái)與Robot Studio虛擬仿真軟件進(jìn)行聯(lián)合通信控制。

4? 原理圖與三維圖聯(lián)動(dòng)仿真

4.1? 二維氣動(dòng)原理圖聯(lián)動(dòng)實(shí)驗(yàn)仿真

在建立氣動(dòng)三維模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合二維實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)仿真，可以讓學(xué)生更加直觀地理解其原理。選擇二位四通的換向閥、雙作用氣缸及氣源發(fā)生設(shè)置，使用連線形式表示氣動(dòng)通路，當(dāng)然可根據(jù)實(shí)際氣動(dòng)裝置來組建相應(yīng)的氣動(dòng)回路。設(shè)置電氣回路電磁閥A1為寫入信號(hào)，氣缸go設(shè)置為讀取信號(hào)且與氣缸伸出信號(hào)相關(guān)聯(lián)，氣缸back信號(hào)與縮回相關(guān)聯(lián)；給氣缸伸出一個(gè)動(dòng)作后，將二維原理圖與三維模型圖關(guān)聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)二維原理圖與三維模型圖動(dòng)作的實(shí)時(shí)協(xié)同動(dòng)作，也可以調(diào)用PLC面板，用實(shí)體PLC與軟件中PLC面板進(jìn)行映射，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)PLC程序調(diào)控二維原理圖與三維模型圖。

在PLC中o0有信號(hào)時(shí)換向閥有動(dòng)作，氣缸推出，PLC平面可以由實(shí)際的PLC來控制，西門子S7-1200PLC的控制軟件博圖v14與VUP平臺(tái)通過通信工具NetToPLCSIM進(jìn)行連接，聯(lián)接信號(hào)與西門子輸入地址要相同。對(duì)博圖軟件進(jìn)行仿真，在通信工具中的PLCSIM地址上設(shè)置博圖SIM的虛擬地址，Network地址與VUP平臺(tái)地址保持一致[13]。通過在常開按鈕前設(shè)置線圈的方法，博途軟件設(shè)置為監(jiān)控狀態(tài)。線圈上電，常開觸點(diǎn)閉合，通信成功后，VUP平臺(tái)自然會(huì)信號(hào)為1，則會(huì)帶動(dòng)二維原理圖模擬氣缸運(yùn)動(dòng)，三維模型圖推桿運(yùn)行，達(dá)到外部實(shí)體PLC控制二維原理圖信號(hào)模擬運(yùn)動(dòng)和三維模型推桿動(dòng)作實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)的效果，可輕松讓學(xué)生理解學(xué)習(xí)氣動(dòng)知識(shí)原理及各組件的功能。圖5為PLC面板中o0有信號(hào)時(shí)換向閥使得動(dòng)作推出的狀態(tài)圖，圖6是實(shí)際PLC程序控制二維原理圖信號(hào)模擬運(yùn)動(dòng)與三維模型推桿動(dòng)作的狀態(tài)圖。

4.2? 電子電路控制原理圖實(shí)驗(yàn)仿真

通過設(shè)計(jì)電子電路控制回路，設(shè)置停止按鈕SB1、啟動(dòng)按鈕SB2、線圈KM、三相異步電動(dòng)機(jī)、24 V電源及接地，使之成為回路。在VUP平臺(tái)中AUTOMSIM的變量與原理圖的名稱要相一致，SB1與SB2均為模型外部所給的信號(hào)，KM線圈是整體原理圖給的三維模型圖的啟動(dòng)信號(hào)，SB1、SB2設(shè)置為寫入AUTOMSIM，KM設(shè)置為從AUTOMSIM讀取信號(hào)，這樣可形象表述三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳送帶運(yùn)動(dòng)從二維原理圖到三維運(yùn)動(dòng)控制過程，可向?qū)W生清晰明了展示三相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)要點(diǎn)連結(jié)。圖7為二維原理圖控制電路仿真。

5? 結(jié)束語(yǔ)

本文利用VUP機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)平臺(tái)，可以開設(shè)包括機(jī)械自動(dòng)化、PLC控制、機(jī)器人、電子電路等方面的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，綜合多學(xué)科知識(shí)于同一仿真軟件，對(duì)于學(xué)生理解掌握機(jī)械、控制、機(jī)器人、電子電路及腳本語(yǔ)言等技術(shù)有很大的幫助，對(duì)于培養(yǎng)新工科背景下的綜合型人才起到重要作用[15]。該軟件平臺(tái)應(yīng)用廣泛，可進(jìn)行個(gè)性化定制實(shí)驗(yàn)課程，豐富高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程，在高校教學(xué)中實(shí)用性很強(qiáng)，用途多樣。

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