丁金華, 劉　暢, 李明穎, 高　騰, 王德權(quán), 李思遠(yuǎn)

(大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院, 遼寧 大連　116034)

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三維虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)電設(shè)備控制仿真系統(tǒng)

丁金華, 劉暢, 李明穎, 高騰, 王德權(quán), 李思遠(yuǎn)

(大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院, 遼寧 大連116034)

三維虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)電設(shè)備控制仿真系統(tǒng)由上、下位機(jī)構(gòu)成,上位機(jī)PC與下位機(jī)嵌入式系統(tǒng)采用RS232相連,基于MODBUS協(xié)議通信。上位機(jī)的虛擬機(jī)電設(shè)備采用Unity3D軟件設(shè)計(jì),其測控信號(hào)通過下位機(jī)I/O口映射模塊與學(xué)生設(shè)計(jì)的單片機(jī)或PLC控制系統(tǒng)相連。以典型的XY數(shù)控工作臺(tái)為例,說明控制仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該仿真系統(tǒng)形成與實(shí)際設(shè)備相同或相似的編程與調(diào)試環(huán)境,改善了實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)條件。

虛擬仿真系統(tǒng)；機(jī)電設(shè)備；XY數(shù)控工作臺(tái),Unity3D; 虛擬現(xiàn)實(shí)

1　三維虛擬機(jī)電設(shè)備控制仿真系統(tǒng)的優(yōu)勢

機(jī)電專業(yè)的學(xué)生采用實(shí)際機(jī)電設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和操作訓(xùn)練,能夠獲得較多的實(shí)踐知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)[1-2]。但機(jī)電設(shè)備的投入需要較多資金、占用較大空間,一般高校配置得較少。又由于機(jī)電設(shè)備的多樣性,且隨著技術(shù)的進(jìn)步不斷更新,所購置的機(jī)電設(shè)備常常不能滿足實(shí)際實(shí)踐教學(xué)需求。

采用三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)電設(shè)備控制仿真系統(tǒng),能夠不受資源、時(shí)間、人力等條件的局限,將真實(shí)的機(jī)電設(shè)備移植到虛擬環(huán)境中。由于采用三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)動(dòng)態(tài)展示機(jī)電設(shè)備的工作過程,學(xué)生可以從任意角度深入了解設(shè)備的外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。若采用虛實(shí)結(jié)合方式,還可以利用單片機(jī)、PLC及上位機(jī)可視化監(jiān)控系統(tǒng),通過I/O口映射模塊完成其控制功能(見圖1)。三維虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)電設(shè)備控制仿真系統(tǒng)構(gòu)建了以學(xué)生為主體的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境,能夠降低實(shí)訓(xùn)成本、改善實(shí)訓(xùn)條件、優(yōu)化教學(xué)過程、提高教學(xué)效果。

圖1　上下位機(jī)組成虛實(shí)結(jié)合的機(jī)電裝備控制仿真系統(tǒng)

在一些虛實(shí)結(jié)合的機(jī)電設(shè)備控制仿真系統(tǒng)和大型設(shè)備PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)中,上位機(jī)采用MCGS工業(yè)組態(tài)軟件和組態(tài)王軟件虛擬機(jī)電設(shè)備[3-4],雖能逼真地模擬大型設(shè)備運(yùn)行過程、表達(dá)機(jī)電設(shè)備的功能,但沒有三維虛擬現(xiàn)實(shí)效果,不能很好地展示其結(jié)構(gòu)，也不能從各個(gè)角度來觀測和深入了解設(shè)備。

Unity3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是近年來迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)多學(xué)科的綜合技術(shù)。Unity3D幾乎支持所有的主流平臺(tái)(PC、Web、移動(dòng)端),所開發(fā)的三維虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)電設(shè)備控制仿真系統(tǒng),可以在PC端和手機(jī)端很好地展示機(jī)電設(shè)備工作原理，并進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)踐訓(xùn)練,提供視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬[5-7],在跨平臺(tái)開發(fā)方面具有非常大的優(yōu)勢。

XY數(shù)控工作臺(tái)是許多數(shù)控加工設(shè)備和電子加工設(shè)備的基本部件[8],在數(shù)控機(jī)床、激光加工設(shè)備、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋和缸體的自動(dòng)涂膠設(shè)備[9-10]、表面貼裝設(shè)備、刻字機(jī)、印刷包裝制袋設(shè)備等都含有XY工作臺(tái)這樣的基本部件[11]。XY數(shù)控工作臺(tái)是三維虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)電設(shè)備控制仿真系統(tǒng)的典型應(yīng)用。

2　XY數(shù)控工作臺(tái)的三維虛擬現(xiàn)實(shí)界面

圖2為XY數(shù)控工作臺(tái)的實(shí)物圖。從圖中可以看出：工作臺(tái)分上下兩層,X向、Y向結(jié)構(gòu)基本相同。進(jìn)給系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)(或伺服電機(jī))、聯(lián)軸器、滾珠絲杠螺母副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌、軸承、工作臺(tái)面等組成；控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、單片機(jī)或PLC系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、伺服或步進(jìn)電機(jī)及相關(guān)軟件等組成。

圖2　XY數(shù)控工作臺(tái)實(shí)物圖

圖3　XY數(shù)控工作臺(tái)三維虛擬現(xiàn)實(shí)仿真界面

學(xué)生可以在XY數(shù)控工作臺(tái)上完成上位機(jī)工業(yè)可視化組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)編程、單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)、PLC的程序設(shè)計(jì)和數(shù)控插補(bǔ)算法軟件設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)預(yù)定軌跡等實(shí)驗(yàn),能夠起到綜合實(shí)踐訓(xùn)練作用。

圖3為制作的XY數(shù)控工作臺(tái)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真界面。為了說明過程,其Z向采用了畫筆形式(模擬加工刀具),可抬起、落下。落下時(shí),可在工作臺(tái)繪出預(yù)定加工軌跡。

虛擬現(xiàn)實(shí)XY數(shù)控工作臺(tái)不但能完成實(shí)際XY數(shù)控工作臺(tái)的全部功能,而且能進(jìn)行XY數(shù)控工作臺(tái)的零部件拆裝實(shí)驗(yàn),給出全部零部件的三維展示。這為學(xué)生的機(jī)電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)提供了很好的幫助,便于學(xué)生理解設(shè)備的工作原理和進(jìn)行實(shí)際的設(shè)計(jì)。例如在步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)座的設(shè)計(jì)中,根據(jù)電機(jī)止口給出的參數(shù)設(shè)計(jì)電機(jī)座的具體尺寸,能保證將來安裝的同軸度要求和中心線的跳動(dòng)精度要求,使設(shè)計(jì)更加合理。

2.1參數(shù)設(shè)置

在虛擬現(xiàn)實(shí)界面,除了XY數(shù)控工作臺(tái)外,還要設(shè)置工作按鈕、參數(shù)顯示和操作按鈕等。

工作按鈕有:設(shè)置、打開串口/關(guān)閉串口、落下畫筆/抬起畫筆(實(shí)際為Z向控制單元)、清除畫布、保存圖片和退出。

按下設(shè)置按鈕,彈出的參數(shù)設(shè)置界面如圖4所示。其中“網(wǎng)絡(luò)設(shè)置”是通過設(shè)置服務(wù)器地址和服務(wù)器端口與手機(jī)客戶端進(jìn)行通信； “串口連接設(shè)置”和“MODBUS通訊設(shè)置”主要是設(shè)置XY數(shù)控工作臺(tái)虛擬現(xiàn)實(shí)I/O映射及串行口通信協(xié)議參數(shù)；“工作臺(tái)設(shè)置”用于設(shè)置電機(jī)每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)和工作臺(tái)滾珠絲杠的螺距；“繪制設(shè)置”用于設(shè)置加工軌跡線的粗細(xì)。

圖4　設(shè)置界面

手機(jī)移動(dòng)終端的XY數(shù)控工作臺(tái)能夠與PC端的工作臺(tái)同步運(yùn)行,便于教師遠(yuǎn)程了解學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程。

為了能將XY數(shù)控工作臺(tái)作為虛擬被控對(duì)象,利用STM32嵌入式單片機(jī)制作了映射端口模塊,通過串行通信,將虛擬仿真XY數(shù)控工作臺(tái)的測控端口映射到STM32端口模塊上。

2.2參數(shù)顯示

如圖3所示,界面左下角的參數(shù)顯示窗口可以顯示XY數(shù)控工作臺(tái)的X向和Y向工作臺(tái)的位置坐標(biāo)。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室中XY數(shù)控工作臺(tái)每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為500,滾珠絲杠螺距為5 mm,因此顯示精度可到0.01 mm。

顯示的X00、X01、X02和X03分別為X軸向的正向脈沖、反向脈沖和Y軸向的正向脈沖、反向脈沖。對(duì)應(yīng)的紅色顯示框在有脈沖時(shí)閃爍。Y00和Y01分別為X軸向的正向限位傳感器信號(hào)和反向限位傳感器信號(hào)；Y02和Y03為分別為Y軸向的正向傳感器限位信號(hào)和反向傳感器限位信號(hào)。若工作臺(tái)移動(dòng)到極限位置,對(duì)應(yīng)的紅色顯示框會(huì)高亮顯示,同時(shí)會(huì)通過通信接口將信號(hào)反映到I/O口映射模塊的端口上。

在沒有脈沖輸入的情況下,可以利用界面右上部的4個(gè)箭頭按鈕手動(dòng)繪制加工曲線。例如點(diǎn)擊X00按鈕,相當(dāng)于給X軸一個(gè)正向脈沖,工作臺(tái)的X軸正向有一個(gè)脈沖當(dāng)量的位移。

3　XY數(shù)控工作臺(tái)的三維虛擬設(shè)計(jì)

3.1零部件繪制說明

首先,根據(jù)圖2所示的XY數(shù)控工作臺(tái),利用三維機(jī)械設(shè)計(jì)CAD軟件SolidWorks進(jìn)行零部件的三維制作,然后根據(jù)裝配關(guān)系導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中。

3.2軟件編寫說明

除了三維機(jī)械CAD設(shè)計(jì)外,三維虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)電設(shè)備控制仿真平臺(tái)要實(shí)現(xiàn)與機(jī)電設(shè)備相同的工作原理,腳本程序設(shè)計(jì)是其重要的一環(huán)。

軟件編程采用C#語言編寫(見圖5)。由于軟件涉及的內(nèi)容較多,將主要的子程序進(jìn)行說明。

圖5　XY數(shù)控工作臺(tái)三維虛擬現(xiàn)實(shí)Unity3D軟件設(shè)計(jì)界面

主要的子程序有:

DeviceController.cs:主要涉及工作臺(tái)面X、Y向移動(dòng)控制、滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)、加工軌跡粗細(xì)等變量控制。

ModBusProtocol.cs:主要根據(jù)MODBUS協(xié)議進(jìn)行CRC程序校驗(yàn)編寫以及主要功能碼函數(shù)的編寫，如功能碼:

0x01:讀取輸出繼電器線圈狀態(tài)(讀位),取得一組邏輯輸出線圈的當(dāng)前狀態(tài)(ON/OFF)；

0x02:讀取輸入狀態(tài)(讀位),取得一組開關(guān)輸入的當(dāng)前狀態(tài)(ON/OFF)；

0x03:讀取保持寄存器,在一個(gè)或多個(gè)保持寄存器中取得當(dāng)前的二進(jìn)制值；

0x05:強(qiáng)置單線圈(寫位),強(qiáng)置一個(gè)邏輯線圈的通斷狀態(tài)；

0x10:預(yù)置多寄存器,把具體的二進(jìn)制值裝入一串連續(xù)的保持寄存器。

以便與下位機(jī)I/O口映射模塊裝置進(jìn)行通信。

SerialPortListener.cs:主要進(jìn)行串行口硬件參數(shù)設(shè)置,以及從串行口讀取數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的子程序。例如相關(guān)參數(shù)的定義如下:

public class SerialPortListener :MonoBehaviour {

publicuint comID = 5;//定義選用的串行通信口,實(shí)際上還可以從按鈕參數(shù)中進(jìn)行設(shè)置

publicint baudRate = 256000; //串行通信波特率,也可從按鈕處進(jìn)行設(shè)置

public Parityparity = Parity.None;//通信校驗(yàn)位設(shè)置,無校驗(yàn)位

publicint dataBits = 8; //通信數(shù)據(jù)位設(shè)置,數(shù)據(jù)位8位

publicStopBits stopBits = StopBits.One;//通信停止位設(shè)置,1位停止位

public bytedeviceAddress = (byte)0x02;//IO口映射裝置地址為0x02

publicint handleTimeIntervalMS = 200;//上下位機(jī)通信掃描周期設(shè)為200 ms

publicint writeComTimeIntervalMS = 10;//ModBus等待時(shí)間間隔設(shè)為10 ms(規(guī)定為3.5個(gè)字節(jié)周期,此處暫且設(shè)為10 ms)

privateModBusProtocol mModBus = new ModBusProtocol();//實(shí)例化ModBusProtocol()

……以下為其他變量聲明及子程序等

}

NetworkController.cs:主要進(jìn)行服務(wù)器IP地址和端口設(shè)置,以及相關(guān)的子程序編寫。

UdpListener.cs:用來啟動(dòng)和關(guān)閉UDP接收信息線程,以及相關(guān)的子程序。

Registers.cs:通過接收通信或屏幕參數(shù),進(jìn)行相應(yīng)變量的計(jì)算。如工作臺(tái)X向和Y向移動(dòng)變量的計(jì)算等。

UIEvents.cs:采用Unity3D的GUI圖形用戶接口,進(jìn)行三維虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)電設(shè)備控制仿真平臺(tái)的界面設(shè)計(jì)，主要為按鈕、輸入框及參數(shù)設(shè)置，顯示信息,包括根據(jù)輸入的脈沖信息進(jìn)行軌跡的繪制等。

為了能使三維虛擬現(xiàn)實(shí)軟件與下位機(jī)I/O口映射模塊進(jìn)行串行通信,在Unity3D設(shè)置中,需將Api Compatibility Level項(xiàng)由“.Net 2.0 Subset”子集設(shè)置成“.Net 2.0”。

4　下位機(jī)I/O口映射模塊

4.1下位機(jī)I/O口映射模塊硬件說明

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備進(jìn)行控制,可用單片機(jī)或PLC為核心的控制系統(tǒng)?？刹捎肐/O口映射模塊,將上位機(jī)的機(jī)電設(shè)備三維虛擬現(xiàn)實(shí)畫面中的測控信號(hào)引出,實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的三維虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)電設(shè)備控制仿真系統(tǒng)。

下位機(jī)I/O口映射模塊的CPU采用基于ARM CortexTM-M處理器的STM32F103RCT6芯片。I/O口映射模塊主要包括圖6所示的4個(gè)部分。其中通信單元RS232采用MODBUS協(xié)議與上位機(jī)虛擬顯示軟件進(jìn)行通信,進(jìn)行測控信號(hào)的輸入/輸出傳輸；RS485通信單元可以進(jìn)行I/O口映射模塊的級(jí)聯(lián),即對(duì)多于I/O口映射模塊的I/O口,可采用多個(gè)映射模塊進(jìn)行級(jí)聯(lián),以適應(yīng)復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備。

圖6　I/O口映射模塊框圖

機(jī)電虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的傳感器信號(hào)(如限位開關(guān)信號(hào))可以從光電隔離輸出口輸出。圖7為XY數(shù)控工作臺(tái)上的一個(gè)限位傳感器映射的輸出接口電路?？梢钥闯?為增加系統(tǒng)的抗干擾能力,接口電路已采用了光電隔離技術(shù)。若XY數(shù)控工作臺(tái)移動(dòng)到Y(jié)00限位傳感器,I/O口映射模塊的Y00=0,則對(duì)應(yīng)的輸出三極管Q00導(dǎo)通,輸出端子Q0.0對(duì)地導(dǎo)通,與實(shí)際的限位傳感器接口電路基本沒有區(qū)別。

圖7　限位傳感器接口電路

步進(jìn)(伺服)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(如脈沖信號(hào))的輸入,可以從光電隔離口傳輸。在XY數(shù)控工作臺(tái)中,輸入接口電路實(shí)際是2個(gè)步進(jìn)(或伺服)驅(qū)動(dòng)器接口電路,如圖8所示。接口電路也采用了光電隔離技術(shù)，與松下伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接器X4的配線圖是一致的[12]。

圖8　驅(qū)動(dòng)器接口電路

控制線路的硬件接口與實(shí)際接口電路相仿,可以通過實(shí)際接線增加感性認(rèn)識(shí),鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力。

4.2下位機(jī)I/O口映射模塊軟件說明

由于下位機(jī)I/O口映射模塊的CPU采用基于ARM CortexTM-M處理器STM32F103RCT6芯片,因此其語言編程采用Keil ARM C。以XY數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電三維虛擬現(xiàn)實(shí)控制仿真系統(tǒng)為例,實(shí)際上輸入量有4個(gè),其中X00、X01 為X軸的正向和反向脈沖信號(hào)；X02、X03為Y軸的正向和反向脈沖信號(hào)。輸出信號(hào)Y00、Y01分別為X軸正向限位傳感器信號(hào)和反向限位傳感器信號(hào)；Y02、Y03分別為Y軸正向傳感器限位信號(hào)和反向傳感器限位信號(hào)。

下位機(jī)的I/O口映射模塊首先從輸入端口讀取X軸和Y軸的脈沖輸入信號(hào),利用串行口中斷函數(shù)接收上位機(jī)的信息命令。根據(jù)功能碼,若有傳感器信號(hào),則通過對(duì)應(yīng)的輸出端口Q0.0—Q0.3輸出信號(hào),然后將從端口讀取的脈沖輸入信號(hào),利用串行口中斷函數(shù)發(fā)送給上位機(jī),從而使上位機(jī)根據(jù)脈沖信號(hào)進(jìn)行電機(jī)的旋轉(zhuǎn)、驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)、繪制加工軌跡。程序流程圖如圖9所示。

圖9　下位機(jī)I/O口映射模塊程序流程圖

5　結(jié)語

采用三維虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)電設(shè)備控制仿真系統(tǒng),作為單片機(jī)或PLC的被控系統(tǒng),可以做到學(xué)生人手一套,使每位學(xué)生都能得到實(shí)際的操作訓(xùn)練?？刂品抡嫦到y(tǒng)將真實(shí)世界的機(jī)電設(shè)備移植到虛擬環(huán)境中,不受資源、時(shí)間、人力等條件的局限。通過所設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)將設(shè)備的I/O口與實(shí)際的端子相連,進(jìn)而可采用PLC或嵌入式單片機(jī)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

目前上下、位機(jī)采用串行口通信,盡管采用了較高的波特率,但其響應(yīng)實(shí)時(shí)性仍顯不足。為提高其響應(yīng)實(shí)時(shí)性,將考慮利用其他通信方式,例如網(wǎng)口或USB接口進(jìn)行上下位機(jī)的通信設(shè)計(jì)。

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3D virtual reality control simulation system of mechanical and electrical equipment

Ding Jinhua, Liu Chang, Li Mingying, Gao Teng, Wang Dequan, Li Siyuan

(Department of Mechanical Engineering and Automation,Dalian Polytechnic University,Dalian 116034, China)

The mechanical and electrical equipment control simulation system consists of master and slave computers. The master computer PC connects to the slave computer embedded system by RS232 based on MODBUS communication protocol. The virtual mechanical and electrical equipment was designed by using Unity3D software. The measurement and control signal of virtual mechanical and electrical equipment can be mapped to IO ports on the slave computer embedded system,which can be connected to the control systems,such as MCU or PLC designed by the students. The realization of virtual realityXYNC workbench,a typical mechanical and electrical system,is discussed. 3D virtual reality of mechanical and electrical equipment control simulation system can be used as controlled equipment of MCU and PLC control system,similar with the actual equipment programming and debugging environment,which builds the practical teaching environment as student-oriented education, and improves the condition of experimental training.

virtual simulation system; mechanical and electrical equipment;XYNC workbench；Unity3D; virtual reality

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.027

虛擬仿真技術(shù)探索與實(shí)踐

2016-03-30修改日期：2016-05-06

2016年遼寧省本科教改一般項(xiàng)目(2016No.266)；2015年遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽項(xiàng)目(201510152003)資助；2014年度大連工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(JGLX14028)

丁金華(1962—)，男，山東威海，博士，教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程.

E-mail：342012450@qq.com

TP273

A

1002-4956(2016)9-0106-05