虛擬仿真技術(shù)在機(jī)電一體化實驗教學(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）

虛擬仿真技術(shù)在機(jī)電一體化實驗教學(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）

針對虛擬仿真技術(shù)在電子科技大學(xué)機(jī)電一體化實驗教學(xué)中的典型應(yīng)用，闡述了機(jī)電一體化虛擬仿真平臺的基本功能及建設(shè)方法，探討了虛擬仿真平臺未來的應(yīng)用方向。虛擬仿真技術(shù)克服了傳統(tǒng)機(jī)電一體化實驗教學(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，可生動再現(xiàn)實際工作場景，充分激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造力，培養(yǎng)了其工程實踐能力。虛擬仿真技術(shù)在機(jī)電一體化實驗教學(xué)中的作用將日漸突出，并將成為高校教學(xué)改革的一個新方向。

虛擬仿真；機(jī)電一體化；實驗教學(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，除給學(xué)生傳授電子、電氣、機(jī)械、計算機(jī)應(yīng)用等方面的基本知識外，實驗教學(xué)也不可缺失［1-2］。作為實踐環(huán)節(jié)，實驗教學(xué)可幫助學(xué)生實現(xiàn)從理論學(xué)習(xí)到實踐應(yīng)用的過渡，提高學(xué)生對所學(xué)知識的綜合運用能力，同時可提高學(xué)生實踐動手能力和創(chuàng)新設(shè)計能力［3-4］。

傳統(tǒng)機(jī)電一體化實驗教學(xué)，離不開實驗儀器、設(shè)備的支撐，因而會受器材稀缺等因素的限制，虛擬仿真實驗可以有效避免這一不足。虛擬仿真針對機(jī)電一體化內(nèi)容進(jìn)行3D數(shù)字內(nèi)容的模擬開發(fā)，不依賴具體實驗設(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)生能夠獲得生動直觀的感性認(rèn)識，增進(jìn)對抽象原理的理解，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。因此，虛擬仿真平臺在高校實驗教學(xué)中將很有意義［5］。

目前，電子科技大學(xué)機(jī)電一體化實驗教學(xué)采用的是實物、半實物仿真，教學(xué)資源有限，為此，我們設(shè)計了虛擬仿真平臺，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的功能

機(jī)電一體化虛擬仿真平臺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)出真實的三維效果，并帶來強(qiáng)烈的視覺感官沖擊［6］。目前，學(xué)校機(jī)電一體化實驗室安裝了主流3D CAD軟件Solidworks，能夠完成各種電氣、機(jī)械元件的實體三維建模、動畫演示、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）。基于以上軟件平臺，可設(shè)計出機(jī)電一體化各個實驗所需的三維模型。

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3D模型直觀反映，系統(tǒng)的功能效率則由控制算法實現(xiàn)。在完成實驗3D建模之后，還需開展控制方法仿真分析。

控制仿真可通過VUP軟件完成。VUP是一款三維建模與仿真軟件，涵蓋了氣動液壓、電工電子、數(shù)字電路、機(jī)械自動化等多個領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)功能多元化的仿真設(shè)計。同時，VUP兼容其他CAD軟件模型，如Solidworks、Inventor、Catia和Solid Edge等，并對所建模型進(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程序或腳本語言對模型進(jìn)行控制；同時也可選擇外部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)，完成虛擬以及實物控制仿真。

1.3 人機(jī)交互

在基于VUP的虛擬仿真平臺中，學(xué)生登錄平臺后可選擇實驗題目，使用一個或多個虛擬控制器實現(xiàn)對已有實驗?zāi)Ｐ偷目刂啤嶒烆}目中設(shè)計了具有實際功能的2D控制面板、各種控制按鈕等作為人機(jī)交互工具。學(xué)生還可通過鼠標(biāo)模擬人手對虛擬設(shè)備進(jìn)行操作，如抓取、搬運貨物等。仿真平臺還設(shè)計了自動評分功能，學(xué)生在完成并提交實驗題目后，系統(tǒng)可根據(jù)實驗要求完成測試評分。

除了基本實驗，學(xué)生也可在虛擬仿真平臺上自主設(shè)計對象模型，選擇實物pLC、單片機(jī)等作為控制器，并設(shè)計上位機(jī)界面。目前學(xué)校的機(jī)電一體化實驗室有西門子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)計觸摸屏上位機(jī)界面，改善人機(jī)交互效果。同時，實驗室還安裝了WinCC軟件，方便學(xué)生設(shè)計監(jiān)控畫面。此外，由于仿真平臺支持單片機(jī)作為控制器，因而學(xué)生可利用VB、Visual C++等設(shè)計上位機(jī)程序，通過串口實現(xiàn)指令傳遞［8-9］。

2 虛擬仿真平臺中的典型實驗

2.1 十字路口交通燈控制實驗

十字路口交通燈模擬控制是機(jī)電一體化實驗中的一個經(jīng)典例程，與實際應(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)計能力。傳統(tǒng)實驗教學(xué)采用LED陣列模擬交通燈，缺乏路口情景，沒有交互接口，難以設(shè)置情景模式，如設(shè)置行人呼叫、倒計時顯示、修改通行時間等。該實驗的功能單一，實驗內(nèi)容簡單枯燥，難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

虛擬仿真平臺為學(xué)生提供了接近真實情景環(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)實驗要求編寫PLC控制程序，實現(xiàn)交通燈控制時序，并利用虛擬控制器進(jìn)行功能測試，調(diào)試過程與實物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

基于虛擬仿真平臺的交通燈實驗，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驗結(jié)果和檢驗程序的合理性。

2.2 貨物自動分揀實驗

貨物自動分揀系統(tǒng)是工業(yè)自動化的典型應(yīng)用，主要實現(xiàn)對不同顏色、形狀和材質(zhì)貨物的自動整理歸類。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、搬運機(jī)械手及分類倉儲機(jī)構(gòu)等。系統(tǒng)工作時，若光電傳感器檢測到貨物，則推料氣缸動作，將貨物推送至傳送帶上，傳送帶由三相異步電機(jī)帶動，其啟動、停止、調(diào)速受變頻器控制。貨物在傳送帶的帶動下，依次經(jīng)過電感、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)終點時，機(jī)械手夾起貨物并放到運料小車上，運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，極易影響實驗進(jìn)度和效果。在虛擬仿真平臺中建立電機(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，可真實模擬實際工作場景，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)備故障問題，便于學(xué)生集中精力設(shè)計控制程序并調(diào)試，從而提高學(xué)習(xí)效率。

在VUP中搭建貨物自動分揀系統(tǒng)的仿真模型，設(shè)計相應(yīng)控制程序并展開實驗，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，整個仿真系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能有效實現(xiàn)不同屬性貨物的自動分揀，較好模擬了傳統(tǒng)實驗裝置的功能。此外，模型更改方便，針對不同實驗內(nèi)容便于修改。

圖3 貨物自動分揀系統(tǒng)運行畫面

2.3 三相交流異步電機(jī)控制實驗

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)的控制實驗，有助于學(xué)生了解電機(jī)結(jié)構(gòu)、電力拖動原理以及三相交流電的基本知識。電機(jī)控制實驗較多，包括電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制、定子串電阻降壓起動、Y/△降壓起動、能耗制動和反接制動等實驗。傳統(tǒng)實驗平臺以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。若用真實三相異步電機(jī)作為負(fù)載，則需進(jìn)行實物接線，電機(jī)運行過程也存在安全隱患。

鑒于此，利用VUP支持電路仿真的特點，在虛擬仿真平臺建立三相異步電機(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)及反接制動的三相異步電機(jī)系列控制實驗，如圖4所示。

圖4 三相異步電機(jī)正反轉(zhuǎn)及反接制動仿真界面

實驗中，學(xué)生可通過鼠標(biāo)直接或者編程控制相應(yīng)按鈕開關(guān)，實現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制。學(xué)生可通過畫面直觀感受電機(jī)轉(zhuǎn)動及轉(zhuǎn)速變化情況，并通過電路仿真界面實時觀測三相交流電路的通斷情況，從而加深對控制電路工作原理的認(rèn)識。實驗即保證了真實操作，也不用擔(dān)心任何危險事故發(fā)生。

3 虛擬仿真平臺的應(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，是一款功能強(qiáng)大的機(jī)電一體化仿真平臺，可開展機(jī)電一體化的各項實驗課程，如電工電子、數(shù)字電路、氣動液壓、產(chǎn)品設(shè)計與自動化控制、程序優(yōu)化和故障排除等。由于平臺自帶虛擬控制器，并支持外接實物控制器，如PLC、單片機(jī)等，因此可廣泛應(yīng)用于程序正確性檢測、競賽、PLC教學(xué)、開放性實驗、創(chuàng)新大賽、畢業(yè)設(shè)計和課程設(shè)計等方面。

除了教學(xué)，虛擬仿真平臺還可用于商業(yè)領(lǐng)域，如課題開展、商業(yè)項目研發(fā)、設(shè)備產(chǎn)品設(shè)計、虛實結(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，以及實際系統(tǒng)的可行性驗證等。

4 結(jié)束語

基于VUP的虛擬仿真平臺，應(yīng)用于機(jī)電一體化實驗教學(xué)中，仿真實驗可以生動、形象地還原機(jī)電設(shè)備工作場景，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。三維模型的逼真動作，可以真實反映系統(tǒng)的工作性能，從而較好地檢驗控制程序的正確性。同時仿真實驗還可彌補(bǔ)傳統(tǒng)實驗方法的不足，對于一些不能或不便于用實際設(shè)備演示的實驗項目，借助仿真實驗分析，不僅可減少實物實驗設(shè)備和耗材費用，也使學(xué)生能夠更深入地理解和掌握理論知識，提高學(xué)習(xí)效果［11］。

虛擬仿真平臺不但提供基本實驗例程，更是一個自主開發(fā)平臺。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，在加深對基礎(chǔ)知識理解的同時，激發(fā)自身創(chuàng)造力，培養(yǎng)工程實踐能力，其意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出實驗本身。鑒于此，虛擬仿真技術(shù)在高校實驗教學(xué)中的作用將日漸突出，并將成為教學(xué)改革的一個新方向。

［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)實驗室建設(shè)與管理［J］.實驗室研究與探索，2011，30（12）:212-216.

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

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

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

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

［8］張敬南，張镠鐘.實驗教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用的研究［J］.實驗技術(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)計工程，2016，24（1）:45-48.

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

［11］蔡衛(wèi)國.虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械工程實驗教學(xué)中的應(yīng)用［J］.實驗室研究與探索，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方面的研究。