劉 洋，倪亞玲，吳婷婷

（電子科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，成都 611731）

虛擬仿真技術(shù)在機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

劉 洋，倪亞玲，吳婷婷

（電子科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，成都 611731）

針對(duì)虛擬仿真技術(shù)在電子科技大學(xué)機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的典型應(yīng)用，闡述了機(jī)電一體化虛擬仿真平臺(tái)的基本功能及建設(shè)方法，探討了虛擬仿真平臺(tái)未來(lái)的應(yīng)用方向。虛擬仿真技術(shù)克服了傳統(tǒng)機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的種種弊端，不但節(jié)省了教學(xué)資源，還改善了教學(xué)質(zhì)量。直觀的三維模型、自由的開發(fā)環(huán)境，可生動(dòng)再現(xiàn)實(shí)際工作場(chǎng)景，充分激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造力，培養(yǎng)了其工程實(shí)踐能力。虛擬仿真技術(shù)在機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用將日漸突出，并將成為高校教學(xué)改革的一個(gè)新方向。

虛擬仿真；機(jī)電一體化；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；三維建模

機(jī)電一體化是機(jī)械、電子、光學(xué)、控制、計(jì)算機(jī)、信息等多學(xué)科的融合，高等院校在培養(yǎng)機(jī)電一體化專業(yè)人才時(shí)，除給學(xué)生傳授電子、電氣、機(jī)械、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等方面的基本知識(shí)外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也不可缺失［1-2］。作為實(shí)踐環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)可幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)從理論學(xué)習(xí)到實(shí)踐應(yīng)用的過(guò)渡，提高學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，同時(shí)可提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力［3-4］。

傳統(tǒng)機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，離不開實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備的支撐，因而會(huì)受器材稀缺等因素的限制，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以有效避免這一不足。虛擬仿真針對(duì)機(jī)電一體化內(nèi)容進(jìn)行3D數(shù)字內(nèi)容的模擬開發(fā)，不依賴具體實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并能有效避免教學(xué)中可能存在的人身傷害和環(huán)境危害。借助3D模型可立體展示機(jī)電設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)、工作流程等，高度逼真的訓(xùn)練環(huán)境，使學(xué)生能夠獲得生動(dòng)直觀的感性認(rèn)識(shí)，增進(jìn)對(duì)抽象原理的理解，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。因此，虛擬仿真平臺(tái)在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中將很有意義［5］。

目前，電子科技大學(xué)機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用的是實(shí)物、半實(shí)物仿真，教學(xué)資源有限，為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了虛擬仿真平臺(tái)，有效節(jié)約了教學(xué)資源，顯著改善了教學(xué)效果。

1 機(jī)電一體化虛擬仿真平臺(tái)的功能

機(jī)電一體化虛擬仿真平臺(tái)主要功能包括三維建模、控制仿真和人機(jī)交互等。

1.1 三維建模

三維建模是虛擬仿真中的關(guān)鍵技術(shù)，好的模型能表現(xiàn)出真實(shí)的三維效果，并帶來(lái)強(qiáng)烈的視覺感官?zèng)_擊［6］。目前，學(xué)校機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室安裝了主流3D CAD軟件Solidworks，能夠完成各種電氣、機(jī)械元件的實(shí)體三維建模、動(dòng)畫演示、渲染等功能［7］。仿真分析軟件包括Labview、Ansys以及Irai公司的VUP（virtual universe pro）?；谝陨宪浖脚_(tái)，可設(shè)計(jì)出機(jī)電一體化各個(gè)實(shí)驗(yàn)所需的三維模型。

1.2 控制仿真

在仿真分析中，機(jī)電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理可通過(guò)3D模型直觀反映，系統(tǒng)的功能效率則由控制算法實(shí)現(xiàn)。在完成實(shí)驗(yàn)3D建模之后，還需開展控制方法仿真分析。

控制仿真可通過(guò)VUP軟件完成。VUP是一款三維建模與仿真軟件，涵蓋了氣動(dòng)液壓、電工電子、數(shù)字電路、機(jī)械自動(dòng)化等多個(gè)領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)功能多元化的仿真設(shè)計(jì)。同時(shí)，VUP兼容其他CAD軟件模型，如Solidworks、Inventor、Catia和Solid Edge等，并對(duì)所建模型進(jìn)行編程控制。

控制器可以選擇VUP的內(nèi)置編程模塊，直接在VUP中編寫虛擬PLC程序或腳本語(yǔ)言對(duì)模型進(jìn)行控制；同時(shí)也可選擇外部pLC，各種品牌pLC都能與VUP進(jìn)行通信；此外，還可以用單片機(jī)進(jìn)行控制。

基于以上思路，學(xué)生可以新建或者導(dǎo)入已有CAD三維模型進(jìn)行二次開發(fā)，自由定義被仿真模型的各種物理屬性、動(dòng)作，模擬各種期望任務(wù)，配置I/O端口，并根據(jù)任務(wù)編寫控制程序，從而快速創(chuàng)建虛擬樣機(jī)，完成虛擬以及實(shí)物控制仿真。

1.3 人機(jī)交互

在基于VUP的虛擬仿真平臺(tái)中，學(xué)生登錄平臺(tái)后可選擇實(shí)驗(yàn)題目，使用一個(gè)或多個(gè)虛擬控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)已有實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目刂?。?shí)驗(yàn)題目中設(shè)計(jì)了具有實(shí)際功能的2D控制面板、各種控制按鈕等作為人機(jī)交互工具。學(xué)生還可通過(guò)鼠標(biāo)模擬人手對(duì)虛擬設(shè)備進(jìn)行操作，如抓取、搬運(yùn)貨物等。仿真平臺(tái)還設(shè)計(jì)了自動(dòng)評(píng)分功能，學(xué)生在完成并提交實(shí)驗(yàn)題目后，系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求完成測(cè)試評(píng)分。

除了基本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生也可在虛擬仿真平臺(tái)上自主設(shè)計(jì)對(duì)象模型，選擇實(shí)物pLC、單片機(jī)等作為控制器，并設(shè)計(jì)上位機(jī)界面。目前學(xué)校的機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室有西門子S7-1200、S7-300、S7-400等系列PLC，學(xué)生可以用博途（TIA-Portal）和STEP7等軟件編寫pLC控制程序，并設(shè)計(jì)觸摸屏上位機(jī)界面，改善人機(jī)交互效果。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室還安裝了WinCC軟件，方便學(xué)生設(shè)計(jì)監(jiān)控畫面。此外，由于仿真平臺(tái)支持單片機(jī)作為控制器，因而學(xué)生可利用VB、Visual C++等設(shè)計(jì)上位機(jī)程序，通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)指令傳遞［8-9］。

2 虛擬仿真平臺(tái)中的典型實(shí)驗(yàn)

2.1 十字路口交通燈控制實(shí)驗(yàn)

十字路口交通燈模擬控制是機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)經(jīng)典例程，與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合緊密，功能完整、明確，能較好鍛煉學(xué)生自主設(shè)計(jì)能力。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用LED陣列模擬交通燈，缺乏路口情景，沒(méi)有交互接口，難以設(shè)置情景模式，如設(shè)置行人呼叫、倒計(jì)時(shí)顯示、修改通行時(shí)間等。該實(shí)驗(yàn)的功能單一，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡(jiǎn)單枯燥，難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

虛擬仿真平臺(tái)為學(xué)生提供了接近真實(shí)情景環(huán)境的三維模型，如圖1所示。模型中可自由配置、修改I/O端口，方便設(shè)置情景模式，以實(shí)現(xiàn)不同功能。

圖1 十字路口交通燈模型

三維模型建立后，學(xué)生可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求編寫PLC控制程序，實(shí)現(xiàn)交通燈控制時(shí)序，并利用虛擬控制器進(jìn)行功能測(cè)試，調(diào)試過(guò)程與實(shí)物pLC類似，可打開程序狀態(tài)監(jiān)控、變量列表等窗口觀察程序運(yùn)行情況，如圖2所示。

圖2 虛擬控制器程序狀態(tài)監(jiān)控畫面

基于虛擬仿真平臺(tái)的交通燈實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生深入了解pLC的控制原理，掌握編程、調(diào)試技巧，并能全方位立體觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果和檢驗(yàn)程序的合理性。

2.2 貨物自動(dòng)分揀實(shí)驗(yàn)

貨物自動(dòng)分揀系統(tǒng)是工業(yè)自動(dòng)化的典型應(yīng)用，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)不同顏色、形狀和材質(zhì)貨物的自動(dòng)整理歸類。貨物分揀系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)包括電源模塊、可編程控制器模塊、變頻器模塊、上料機(jī)構(gòu)、皮帶傳送機(jī)構(gòu)、傳感器、搬運(yùn)機(jī)械手及分類倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)構(gòu)等。系統(tǒng)工作時(shí)，若光電傳感器檢測(cè)到貨物，則推料氣缸動(dòng)作，將貨物推送至傳送帶上，傳送帶由三相異步電機(jī)帶動(dòng)，其啟動(dòng)、停止、調(diào)速受變頻器控制。貨物在傳送帶的帶動(dòng)下，依次經(jīng)過(guò)電感、電容和色標(biāo)傳感器，由傳感器向控制器上傳貨物屬性。當(dāng)貨物到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，機(jī)械手夾起貨物并放到運(yùn)料小車上，運(yùn)料小車將貨物送至預(yù)設(shè)的貨槽口，并由氣缸推送至貨槽內(nèi)，從而完成一次貨物分揀［10］。

傳統(tǒng)貨物分揀系統(tǒng)設(shè)備昂貴，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，接線較多，傳感器、機(jī)械手和氣缸等部件容易損壞，極易影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)度和效果。在虛擬仿真平臺(tái)中建立電機(jī)、氣缸、傳送帶、傳感器等主要部件的三維模型，以此組建系統(tǒng)仿真模型，可真實(shí)模擬實(shí)際工作場(chǎng)景，模型可重復(fù)利用，極大豐富了教學(xué)資源，并可有效避免設(shè)備故障問(wèn)題，便于學(xué)生集中精力設(shè)計(jì)控制程序并調(diào)試，從而提高學(xué)習(xí)效率。

在VUP中搭建貨物自動(dòng)分揀系統(tǒng)的仿真模型，設(shè)計(jì)相應(yīng)控制程序并展開實(shí)驗(yàn)，如圖3所示。仿真結(jié)果表明，傳感器、電機(jī)、氣缸等模型工作正常，整個(gè)仿真系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能有效實(shí)現(xiàn)不同屬性貨物的自動(dòng)分揀，較好模擬了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的功能。此外，模型更改方便，針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容便于修改。

圖3 貨物自動(dòng)分揀系統(tǒng)運(yùn)行畫面

2.3 三相交流異步電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)

三相交流異步電機(jī)在機(jī)電一體化設(shè)備中應(yīng)用較多，開展三相交流異步電機(jī)的控制實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生了解電機(jī)結(jié)構(gòu)、電力拖動(dòng)原理以及三相交流電的基本知識(shí)。電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)較多，包括電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制、定子串電阻降壓起動(dòng)、Y/△降壓起動(dòng)、能耗制動(dòng)和反接制動(dòng)等實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以LED亮滅模擬交流電路通斷以及電機(jī)正反轉(zhuǎn)，不夠直觀，教學(xué)效果不理想。若用真實(shí)三相異步電機(jī)作為負(fù)載，則需進(jìn)行實(shí)物接線，電機(jī)運(yùn)行過(guò)程也存在安全隱患。

鑒于此，利用VUP支持電路仿真的特點(diǎn)，在虛擬仿真平臺(tái)建立三相異步電機(jī)、繼電器、按鈕開關(guān)等3D模型，并設(shè)計(jì)相應(yīng)控制電路，從而開發(fā)出如三相異步電機(jī)正反轉(zhuǎn)及反接制動(dòng)的三相異步電機(jī)系列控制實(shí)驗(yàn)，如圖4所示。

圖4 三相異步電機(jī)正反轉(zhuǎn)及反接制動(dòng)仿真界面

實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可通過(guò)鼠標(biāo)直接或者編程控制相應(yīng)按鈕開關(guān)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制。學(xué)生可通過(guò)畫面直觀感受電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)及轉(zhuǎn)速變化情況，并通過(guò)電路仿真界面實(shí)時(shí)觀測(cè)三相交流電路的通斷情況，從而加深對(duì)控制電路工作原理的認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)即保證了真實(shí)操作，也不用擔(dān)心任何危險(xiǎn)事故發(fā)生。

3 虛擬仿真平臺(tái)的應(yīng)用拓展

電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院組建的基于VUP的虛擬仿真平臺(tái)，是一款功能強(qiáng)大的機(jī)電一體化仿真平臺(tái)，可開展機(jī)電一體化的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)課程，如電工電子、數(shù)字電路、氣動(dòng)液壓、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與自動(dòng)化控制、程序優(yōu)化和故障排除等。由于平臺(tái)自帶虛擬控制器，并支持外接實(shí)物控制器，如PLC、單片機(jī)等，因此可廣泛應(yīng)用于程序正確性檢測(cè)、競(jìng)賽、PLC教學(xué)、開放性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新大賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)和課程設(shè)計(jì)等方面。

除了教學(xué)，虛擬仿真平臺(tái)還可用于商業(yè)領(lǐng)域，如課題開展、商業(yè)項(xiàng)目研發(fā)、設(shè)備產(chǎn)品設(shè)計(jì)、虛實(shí)結(jié)合、作業(yè)仿真、系統(tǒng)優(yōu)化、方案改進(jìn)、虛擬調(diào)試、工業(yè)4.0智能工廠，以及實(shí)際系統(tǒng)的可行性驗(yàn)證等。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于VUP的虛擬仿真平臺(tái)，應(yīng)用于機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，仿真實(shí)驗(yàn)可以生動(dòng)、形象地還原機(jī)電設(shè)備工作場(chǎng)景，便于學(xué)生直觀了解機(jī)電一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理。三維模型的逼真動(dòng)作，可以真實(shí)反映系統(tǒng)的工作性能，從而較好地檢驗(yàn)控制程序的正確性。同時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)還可彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法的不足，對(duì)于一些不能或不便于用實(shí)際設(shè)備演示的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，借助仿真實(shí)驗(yàn)分析，不僅可減少實(shí)物實(shí)驗(yàn)設(shè)備和耗材費(fèi)用，也使學(xué)生能夠更深入地理解和掌握理論知識(shí)，提高學(xué)習(xí)效果［11］。

虛擬仿真平臺(tái)不但提供基本實(shí)驗(yàn)例程，更是一個(gè)自主開發(fā)平臺(tái)。學(xué)生可利用Solidworks、VUP等工具，自主開展靈活多樣的機(jī)電模型和程序設(shè)計(jì)，在加深對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)理解的同時(shí)，激發(fā)自身創(chuàng)造力，培養(yǎng)工程實(shí)踐能力，其意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出實(shí)驗(yàn)本身。鑒于此，虛擬仿真技術(shù)在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用將日漸突出，并將成為教學(xué)改革的一個(gè)新方向。

［1］徐章鎖.基于虛擬原型的機(jī)電一體化建模與仿真技術(shù)研究［D］.陜西:西安電子科技大學(xué)，2013.

［2］王宣銀，陶國(guó)良，陳鷹.機(jī)電一體化的創(chuàng)新及發(fā)展方向［J］.機(jī)電一體化，2000（6）:5-8.

［3］方貴盛.機(jī)電一體化專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（12）:212-216.

［4］程思寧，耿強(qiáng)，姜文波，等.虛擬仿真技術(shù)在電類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，30（7）:94-97.

［5］劉瓊，何潔凝，關(guān)冠恒，等.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室對(duì)教學(xué)的作用研究［J］.中國(guó)教育學(xué)刊，2015，3（18）: 318-319.

［6］葉建海，張營(yíng)營(yíng).虛擬仿真技術(shù)在實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用［J］.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，23（4）:58-59.

［7］呂明珠.虛擬仿真技術(shù)在液壓與氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015，32（4）:144-146.

［8］張敬南，張镠鐘.實(shí)驗(yàn)教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用的研究［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，30（12）:101-104.

［9］王瑾，袁戰(zhàn)軍.虛擬仿真技術(shù)在單片機(jī)課程教學(xué)中的應(yīng)用［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2016，24（1）:45-48.

［10］李曉寧.電工電氣技術(shù)實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2015.

［11］蔡衛(wèi)國(guó).虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，28（8）:76-79.

Application of Virtual Simulation Technology in Mechatronics Experiment Teaching

LIU Yang，NI Yaling，WU Tingting
（School of Mechatronics Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

This paper focused on the typical application of virtual simulation technology in mechatronics experiment teaching of UESTC.It demonstrated the basic features and construction methods of the mechatronics virtual simulation platform，and discussed the application direction in future of the virtual simulation platform.Virtual simulation technology has overcome varieties of drawbacks in traditional mechatronics experiment teaching，not only saving resources teaching，but also improving the quality of teaching.The intuitive 3D model and freely develop environment，can show the real work scene vividly，fully stimulating students’creativity and developing their engineering practice ability.The role of virtual simulation technology in mechatronics experiment teaching will become increasingly prominent，and will become a new direction of teaching reform in higher education.

virtual simulation；mechatronics；experimental teaching；three-dimensional modeling

TP391.6

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.003

2016-09-08

劉 洋（1989-），男，碩士，助理工程師，主要從事電力電子與電力傳動(dòng)方面的研究。