呂繼東, 張　繼, 陳嵐萍

(常州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 常州 213164)

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3D仿真動(dòng)畫在PLC技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用

呂繼東, 張繼, 陳嵐萍

(常州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 常州 213164)

摘要：本文以機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)為例探討了其3D仿真動(dòng)畫的建模、制作應(yīng)用過程。運(yùn)用3D仿真動(dòng)畫的形式來表現(xiàn)設(shè)備控制的工作過程、描述控制過程中的變化或運(yùn)動(dòng)趨勢，在“PLC技術(shù)及應(yīng)用”課程課堂上工程實(shí)例講解中可以起到積極的作用。

關(guān)鍵詞：PLC；3D仿真；教學(xué)軟件

0引言

“PLC技術(shù)及應(yīng)用”是一門必修專業(yè)課[1]。該課程實(shí)用性強(qiáng)，要求教師在教學(xué)方面多結(jié)合應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行講解，然而矛盾在于不可能把相關(guān)設(shè)備搬到課堂上來演示，學(xué)生因此不能對(duì)其有一個(gè)直觀深刻的認(rèn)識(shí)。為解決上述問題，滿足PLC教學(xué)的實(shí)際需求，本文以機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)為例，基于三維動(dòng)畫軟件3Dmax構(gòu)建了系統(tǒng)仿真動(dòng)畫用于課堂教學(xué)。

1機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)

如圖1所示，該機(jī)械手的任務(wù)是將傳送帶A上的物品搬運(yùn)到傳送帶B上。為使動(dòng)作準(zhǔn)確，安裝了限位開關(guān)SQ1、SQ2、SQ3、SQ4和SQ5，分別對(duì)機(jī)械手進(jìn)行夾緊、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、上升和下降等動(dòng)作的限位，并給出動(dòng)作到位信號(hào)。另外，還安裝了光電開關(guān)SP，負(fù)責(zé)檢測傳送帶A上的物品是否到位。此外，還設(shè)置了起動(dòng)按鈕SB1和停止按鈕SB2，分別用以起動(dòng)和停止機(jī)械手的動(dòng)作。整個(gè)機(jī)械手動(dòng)作基于PLC控制，輸入信號(hào)來自各個(gè)限位開關(guān)及起動(dòng)、停止按鈕；輸出用于進(jìn)行夾緊、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、上升和下降等動(dòng)作的電機(jī)控制[2，3]?？刂瓶驁D如圖2所示。

圖1　機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)示意圖

圖2　機(jī)械手PLC控制框圖

2系統(tǒng)建模

3Dmax是目前應(yīng)用最廣泛、最流行的三維建模軟件，其建模功能強(qiáng)大、可擴(kuò)展性好[4]。所謂建模就是在三維空間內(nèi)創(chuàng)建出所需物件的三維模型。建模的方式很多，如基于樣條曲線的對(duì)象Patch 面片對(duì)象、Mesh網(wǎng)格對(duì)象和NURBS曲面對(duì)象等[5]。由于上述系統(tǒng)多為規(guī)則的幾何體或幾何體的有機(jī)組合與變形，因此首先分別創(chuàng)建這些簡單的幾何體，然后依據(jù)建模的具體形態(tài)，使用各種修改編輯器對(duì)這些簡單幾何體進(jìn)行進(jìn)一步的加工編輯，最后利用合成對(duì)象命令面板中的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放、對(duì)齊和復(fù)制等操作將其整合為整體系統(tǒng)模型。

機(jī)械手系統(tǒng)建模的具體操作如下：

(1)機(jī)械手底座建模：在工作透視圖區(qū)創(chuàng)建一個(gè)長方體，并在其參數(shù)欄中設(shè)置長度、寬度、高度以及它們各自的段數(shù)。該長方體作為機(jī)械手的底座。然后將長方體轉(zhuǎn)換為可編輯網(wǎng)格，分別選取長方體一邊的兩行點(diǎn)，定向拖曳使之有一個(gè)坡度，用來安放限位開關(guān)指示燈。接著再間隔選取坡度下面的數(shù)個(gè)網(wǎng)格，拉伸完善機(jī)械手底座。最后在透視圖區(qū)域創(chuàng)建一個(gè)球體，并設(shè)置適當(dāng)?shù)陌霃絽?shù)，再創(chuàng)建一個(gè)適當(dāng)大小的圓柱體放置在球體的底部，將它們組合作為機(jī)械手限位開關(guān)的指示燈。

(2)機(jī)械手轉(zhuǎn)臂建模：在工作透視圖區(qū)域首先創(chuàng)建一個(gè)圓柱體，設(shè)置半徑、高度等參數(shù)；然后將其轉(zhuǎn)換為可編輯網(wǎng)格，間隔選取圓柱表面進(jìn)行拉伸，再選取經(jīng)過拉伸所得模型突出部分的上表面兩點(diǎn)，向內(nèi)拖曳；創(chuàng)建兩個(gè)圓管，放置在所得模型突出部分的上下兩端；再創(chuàng)建一個(gè)圓錐體，設(shè)置適當(dāng)參數(shù)后放在所得模型的底端，將上述所建幾何體經(jīng)過組合作為機(jī)械手臂的轉(zhuǎn)軸。

(3)機(jī)械手建模：選取畫線工具，在工作頂視圖區(qū)域畫出所設(shè)計(jì)的機(jī)械手形狀，然后縱向適當(dāng)拉伸調(diào)整得到機(jī)械手的半邊，再復(fù)制得到另半邊，旋轉(zhuǎn)調(diào)整組合為整個(gè)機(jī)械手。

系統(tǒng)其他部分的建模和上述過程類似，都是通過創(chuàng)建適當(dāng)大小的圓柱體、長方體等再經(jīng)過編輯器調(diào)整適當(dāng)放置制作完成，下面不再贅述。最后可通過材質(zhì)編輯器在網(wǎng)格表面格式下對(duì)所建模型配色、貼材以達(dá)到美觀的視覺效果。機(jī)械手本體所建模型的頂視圖、前視圖、左視圖和透視視圖分別示于圖3的上左、上右、下左和下右。

3動(dòng)畫制作

動(dòng)畫是通過一系列單個(gè)畫面來產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)視覺的技術(shù)，或者說是動(dòng)態(tài)生成一系列畫面的一種處理方法。三維動(dòng)畫一般分為關(guān)鍵幀動(dòng)畫和算法動(dòng)畫兩種。在關(guān)鍵幀動(dòng)畫中，關(guān)鍵幀是指描述動(dòng)作極限位置、特征表達(dá)或重要內(nèi)容的動(dòng)畫，它描述了物體的位置、旋轉(zhuǎn)角度、比例縮放、變形隱藏等信息。在關(guān)鍵幀之間，電腦自動(dòng)進(jìn)行插值計(jì)算，得到若干中間幀。本文即是采用這種方法。

圖3　機(jī)械手本體模型

首先選取整個(gè)機(jī)械手臂，在層級(jí)命令面板上用“影響軸命令”將整個(gè)機(jī)械手臂的軸心與機(jī)械手臂轉(zhuǎn)軸的軸心對(duì)齊。該幀畫面作為整個(gè)動(dòng)畫的第一幀，然后拉幀滑塊至100幀處，將機(jī)械手臂緊貼轉(zhuǎn)軸向上移動(dòng)。在100幀處創(chuàng)建空白幀，將幀滑塊移至200幀處，右轉(zhuǎn)機(jī)械臂至傳送帶A。在200幀處創(chuàng)建空白幀，然后將幀滑塊移至300幀處，將機(jī)械手臂緊貼轉(zhuǎn)軸向下移動(dòng)。在300幀處創(chuàng)建空白幀，然后將幀滑塊移至305幀處，將機(jī)械手的兩半向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，完成夾緊動(dòng)作。至此，機(jī)械手到傳送帶A抓取物體的動(dòng)畫流程完成，其中機(jī)械手臂移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)及機(jī)械手夾緊的速度跟拉移的幀數(shù)有關(guān)。機(jī)械手到傳送帶B放置物體的動(dòng)畫流程與上述相反，將上述過程復(fù)制按序在幀列中粘貼即可。

起停按鈕、限位開關(guān)指示燈以及傳送帶同步動(dòng)畫流程方法與上述大同小異，也是首先創(chuàng)建空白幀，然后拉至某一幀處，改變位置、顏色等完成動(dòng)畫流程。

4動(dòng)畫效果及說明

將制作好的各個(gè)部分動(dòng)畫按照動(dòng)作順序形成一個(gè)完整的流程，再加以必要的文字說明，然后快速渲染輸出。渲染輸出是三維動(dòng)畫制作過程的最后一步，也是決定動(dòng)畫效果的重要環(huán)節(jié)。渲染輸出動(dòng)畫需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，若輸出過程中發(fā)現(xiàn)動(dòng)畫前期編輯有誤，整個(gè)過程將重頭再來，因此在渲染輸出之前最好通過生成的預(yù)覽影片發(fā)現(xiàn)并改正錯(cuò)誤。系統(tǒng)渲染效果圖如圖4。為了使得系統(tǒng)更加美觀，圖4中的部分系統(tǒng)裝置與圖1中有差別，但并不影響系統(tǒng)的動(dòng)作流程。系統(tǒng)整體動(dòng)畫流程如圖5，圖5中除了說明系統(tǒng)相應(yīng)部分的動(dòng)作動(dòng)畫外，也對(duì)指示燈的變化進(jìn)行了說明。

圖4　系統(tǒng)渲染效果圖

5結(jié)語

本文基于3Dmax三維動(dòng)畫軟件制作了機(jī)械手PLC控制仿真動(dòng)畫，作為一個(gè)工程實(shí)例演示，避免了購買實(shí)際設(shè)備的成本。雖然每一個(gè)工程實(shí)例都需要重新建模設(shè)計(jì)，但熟悉3Dmax三維動(dòng)畫軟件后，制作速度還是很快的。將其應(yīng)用于課堂教學(xué)，使學(xué)生能夠更生動(dòng)、形象、深刻、直觀地理解工程實(shí)例中的控制過程，從而達(dá)到較好的學(xué)習(xí)效果。此外，由于“PLC技術(shù)及應(yīng)用”課程中列舉了多個(gè)典型的工程實(shí)例，所以本案制作完成后，能夠共享推廣使用。最后根據(jù)筆者制作心得，有兩點(diǎn)需提醒注意：

圖5　動(dòng)畫流程說明

(1)建模之前，首先要調(diào)整好坐標(biāo)系，以使所建模型在透視圖區(qū)邊緣部分不傾斜為佳；

(2)在背景設(shè)置上也要注意，好的背景能增強(qiáng)整體視覺效果，但背景不應(yīng)做得過于繁瑣復(fù)雜，以免喧賓奪主，使得系統(tǒng)在整體效果上不突出。

參考文獻(xiàn)：

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Application of 3D Simulation Animations in PLC Technology Teaching

LV Ji-dong, ZHANG Ji, CHEN Lan-ping

(SchoolofInformationScienceandEngineerinChangzhouUniversity,Changzhou213164,China)

Abstract:In this paper, taking the manipulator PLC control system as an example, its modeling and making process of 3D simulation animation application is discussed. Using 3D simulation animation expresses the working process of equipment control, describes the change or movement trend, It plays a positive role in the PLC Technology and Application course teaching activities.

Keywords:PLC; 3D simulation; teaching software

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-0686(2016)01-0142-03

中圖分類號(hào):G718.3

收稿日期:2015-03-23;修回日期:2015-08- 25基金項(xiàng)目：常州大學(xué)教研課題項(xiàng)目(GJY2014034，GJY2013031)

第一作者：呂繼東(1980-)，男，博士，講師，主要從事“PLC技術(shù)及應(yīng)用”課程的教學(xué)工作，E-mail: vveaglevv@163.com