《機電傳動控制》虛實實驗教學研究與實踐

周海燕 劉英 緱斌麗 楊雨圖

摘要：介紹虛擬實驗和傳統(tǒng)真實實驗的優(yōu)缺點，提出了將機電傳動控制實驗課程采用虛實結合實驗方式。利用Irai仿真軟件，構建虛實實驗平臺。最后通過舉例銑床電氣控制實驗，得出虛實結合實驗的優(yōu)點。

關鍵詞：虛實結合；課程實驗；虛擬軟件

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）15-0269-02

一、引言

《機電傳動控制》是機械電子工程的一門專業(yè)特色課，本課程講述機械設備電氣控制系統(tǒng)原理及典型控制電路、電氣控制線路設計方法，調(diào)速系統(tǒng)原理和控制線路，可編程控制器的工作原理和編程方法，以及在機械控制上的應用。機電傳動控制實驗是該課程教學中的重要實踐環(huán)節(jié)，其目的是培養(yǎng)學生們在機械電子、電氣控制等方面的實際應用能力和動手能力，也有利于學生們對技術理論知識有更深刻理解。然而，陳舊的實驗內(nèi)容，更新緩慢的實驗設備，有限的實驗資源，以及難度較大的實驗項目或者有一定危險性的實驗項目無法開展，制約了我們實驗教學的開展，使得我們出現(xiàn)實驗教學效果比較差，甚至實驗教學質量不達標的現(xiàn)象。實驗擁有的經(jīng)濟性、靈活性優(yōu)勢和傳統(tǒng)真實實驗擁有的實踐性和真實性結合起來，構成虛實實驗系統(tǒng)，不僅提高了實驗教學的先進性，而且增強了實驗教學的靈活性。

二、虛實結合實驗

老師給學生不斷創(chuàng)造克服困難的機會，來提高學生解決實際困難的能力，這是在虛擬實驗中提供不了的。利用虛擬仿真系統(tǒng)構建虛擬實驗平臺，實現(xiàn)虛擬實驗對象的構造，模擬工控對象，如《機電傳動控制》實驗教學需要配置各種典型的工業(yè)控制對象，如車床、銑床、某產(chǎn)品制造流水線等設備，虛擬仿真系統(tǒng)可以很好地避免實驗室面積要求及后期設備的維護等等缺點。真實提供外部控制板和必要的電器元器件，學生實際操作進行實物線路連接，再通過虛實連接裝置，實現(xiàn)控制虛擬模型的運動，仿照工程設備的工作過程。將虛擬實驗和真實實驗結合起來，讓他們優(yōu)勢互補，實驗結果虛擬化，實驗過程真實化，提升《機電傳動控制》課程的教學效果，提高學生的工程實踐能力。

三、虛實實驗系統(tǒng)設計

Irai公司研發(fā)的一款功能強大的機電一體化仿真軟件，集合氣動液壓、電工電子、數(shù)字電路、機械設計、機械自動化等多學科領域知識，實現(xiàn)功能多元化的仿真系統(tǒng)。Irai包含Automgen與Vitural Universe Pro兩平臺，Automgen可以使用標準編程語言來編寫程序，支持同各種類型的PLC進行通訊，將程序代碼下載到PLC中，利用實際PLC控制Automgen中的虛擬對象，除PLC以外，Arduino，PIC單片機等控制端也能與Automgen進行通訊。VIRTUAL UNIVERSE PRO 能夠在3D環(huán)境下進行帶有物理屬性的仿真，支持3D軟件直接導入，在這平臺上，我們可以對仿真的對象自由定義動作，配置I/O端口，支持外部PLC、單片機進行通訊控制。

《機電傳動控制》實驗系統(tǒng)中的虛擬模型開發(fā)借助于Irai仿真軟件里的Vitural Universe Pro平臺，設計逼真且交互式的三維虛擬環(huán)境。首先根據(jù)實驗項目需求設計虛擬控制對象，可以通過Solidworks，Catia等三維軟件對控制對象進行建模，將虛擬控制模型導入到Vitural Universe Pro平臺，對3D模型元件的位置和尺寸進行修改，或者添加，并進行3D渲染和元件上物理現(xiàn)象（如重力、摩擦力、碰撞、受力）的設置。然后為元件添加相應的動作構建智能資源，使元件可以在3Dworld中移動，與其他3D資源交互，相互或者外部軟件通訊，如動作可以被用來模擬自動化系統(tǒng)下運轉部件的執(zhí)行器和傳感器。最后設置3D模型與外部的連接，在Universe下的“連接”標簽頁中，可以選擇一種連接器（驅動）來實現(xiàn)與外部軟件/控制器（PLC，PLC仿真器，OPC服務器）的連接配置，本設計的實驗系統(tǒng)選擇的是研華I/O板卡。與Vitural Universe Pro平臺實現(xiàn)高性能的過程耦合、快速的畫面更新，提供了形象逼真的虛擬演示畫面。

本實驗系統(tǒng)的主要工作原理，外部實物裝置上的線路電氣元器件啟停信號，傳遞到虛實連接通訊裝置（本實驗系統(tǒng)采用的是研華板卡），板卡收集到信號，傳遞給Vitural Universe Pro平臺上的虛擬軟件，軟件進行參數(shù)化運算，模型實現(xiàn)相應運動；模型中的運動狀態(tài)改變（如達到限位開關），通過信號傳遞給研華板卡，再傳達給外部實物控制電路，從而實現(xiàn)交互。通過虛擬軟件和實物元器件構建的虛實實驗平臺不僅能夠提供形象的被控制對象，展示直觀的控制效果，而且具有良好的操作性和拓展性。

四、機電傳動控制虛實實驗教學案例

根據(jù)《機電傳動控制》課程實驗大綱要求，要開展三個綜合性實驗，三相異步電機制動實驗，銑床電氣控制實驗，編程器的使用與基本邏輯指令的編程。下面以銑床電氣控制為例。

實驗目的用外部的控制電路來控制立式銑床模型動作，模擬實際立式銑床的加工過程。銑床實物接線電氣控制原理圖，要求實現(xiàn)的控制過程：

1.主軸電動機M1的控制。M1由交流接觸器KM1控制，在機床的兩個不同位置各安裝了一套啟動和停止按鈕：SB2和SB6裝在床身上，SB1和SB5裝在升降臺上。對M1的控制包括主軸的啟動、制動、換刀制動和變速沖動。

2.進給運動控制。工作臺的進給運動分為工作進給和快速進給，工作進給必須在M1啟動運行后才能進行，而快速進給因屬于輔助運動，可以在M1不啟動的情況下進行。工作臺在6個方向上的進給運動是由機械操作手柄運動帶動相關的行程開關SQ3～SQ6，并通過接觸器KM3、KM4動作來實現(xiàn)控制進給電動機M2正反轉的。行程開關SQ5和SQ6分別控制工作臺的向右和向左運動，而SQ3和SQ4則分別控制工作臺的向前、向下和向后、向上運動。進給拖動系統(tǒng)使用的兩個電磁離合器YC2和YC3都安裝在進給傳動鏈中的傳動軸上。當YC2吸合而YC3斷開時，為工作進給；當YC3吸合而YC2斷開時，為快速進給。

3.圓工作臺的控制。在需要加工弧形槽、弧形面和螺旋槽時，可以在工作臺上加裝圓工作臺，圓工作臺的回轉運動也是由進給電動機M2來拖動的。在使用圓工作臺時，將控制開關SA2扳至“接通”的位置，此時SA2-2接通而SA2-1、SA2-3斷開。在主軸電動機M1啟動的同時，KM3線圈經(jīng)（13-15-17-19-29-27-23-25）的路徑通電，使M2正轉，帶動圓工作臺單向旋轉運動。由KM3線圈的通電路徑可見，只要扳動工作臺進給操作的任何一個手柄，SQ3-SQ6其中一個行程開關的常閉觸點就會斷開，都會切斷KM3線圈支路，使得工作臺停止運動，從而保證了工作臺的進給運動和圓工作臺的旋轉運動不會同時進行。

4.照明電路。照明燈EL由照明變壓器YC3提供24V的工作電壓，SA4為燈開關，F(xiàn)U5提供短路保護。實驗準備工作，銑床模型三維圖（根據(jù)銑床的工作特點，用Vitural Universe Pro平臺建立銑床模型三維圖，虛擬軟件能夠提供虛擬運動畫面。虛實連接裝置為外部控制線路提供接線平臺，并連接研華控制板卡，傳遞信號給虛擬實驗平臺。根據(jù)銑床控制要求，學習設計電路，畫出電路原理圖。學生根據(jù)接線原理圖連接實際外部控制線路，運用繼電器構成控制系統(tǒng)。用pLc代替，銑床電氣控制實驗將外部控制電路和計算機仿真結合起來，構成了虛實實驗平臺。在平臺上學生可以自主地進行實驗操作，調(diào)動學生學習積極性和主動性。

五、結束語

從具體的銑床電氣控制實驗教學可知：虛實結合實驗在硬件設施、安全系數(shù)、實驗效果等方面均具有顯著的優(yōu)勢。在硬件設施方面，虛擬的控制對象，可以節(jié)省大量的設備采購資金，只需提供需要配置的計算機；也為多組實驗開展提供了足夠的空間。在安全系數(shù)方面，虛擬設備在動作時可以完美避開實物設備在運行中可能出現(xiàn)的危險，而動作控制執(zhí)行可由模型動畫逼真的展現(xiàn)。在實驗效果方面，學生通過實物實驗板實際操作，掌握各個元器件的使用和操作，掌握機械設備電氣控制系統(tǒng)原理及典型控制電路、電氣控制線路設計方法，讓每個學生自己動手，解決實際操作中出現(xiàn)的各種問題。通過實驗，學生具備了一定的分析問題和解決問題的能力，具備一定的操作能力，來適應現(xiàn)代機電領域發(fā)展的需要。將虛擬實驗具有的諸多優(yōu)點，和實驗較強的實踐性結合起來，為實驗教學開辟了新的路徑。

參考文獻：

[1]荊建立，史成芳.電機類實驗工程化教學研究[J].實驗科學與技術，2016，14（03）：132-134.

[2]周旋，李鵬.《機電傳動與控制》課程實驗教學改革研究與實踐[J].亞太教育，2016，（27）：75-69.

[3]董艷雯.虛擬現(xiàn)實在仿真實驗教學中的應用[J/OL].電子技術與軟件工程，2017，（09）：140.