試析三維虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)電設(shè)備控制仿真系統(tǒng)

高淑娟

摘 要：通過應(yīng)用三維虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)電設(shè)備控制仿真系統(tǒng)，現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的機(jī)電設(shè)備被植入虛擬環(huán)境中，這突破了人力、時(shí)間和資源等條件的限制，從而改善了學(xué)生的實(shí)訓(xùn)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：三維虛擬現(xiàn)實(shí);機(jī)電設(shè)備;控制仿真系統(tǒng)

前言

在三維虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)電設(shè)備控制仿真系統(tǒng)中，上位機(jī)經(jīng)RS232接入下位機(jī)嵌入式系統(tǒng)，通信采用了MODBUS協(xié)議。經(jīng)論證，三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了將現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的機(jī)電設(shè)備植入虛擬環(huán)境中，并支持對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示，這方便了學(xué)生從任一角度了解機(jī)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)，并突破了人力、時(shí)間和資源等條件的限制?？傊?，通過構(gòu)建三維虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)電設(shè)備控制仿真系統(tǒng)，創(chuàng)建了一個(gè)主體為學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐環(huán)境，從而起到了實(shí)訓(xùn)成本低、實(shí)訓(xùn)條件好、教學(xué)過程優(yōu)和教學(xué)效果好的效果。下面，筆者以XY數(shù)控工作臺(tái)為例，淺析三維虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)電設(shè)備控制仿真系統(tǒng)。

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

（一）三維虛擬現(xiàn)實(shí)界面

XY數(shù)控工作臺(tái)是刻字機(jī)、數(shù)控機(jī)床、包裝制袋設(shè)備、機(jī)床加工設(shè)備、表明貼裝設(shè)備等的基本部件。在XY數(shù)控工作臺(tái)上，學(xué)生可以設(shè)計(jì)完成上位機(jī)可視化組態(tài)軟件、單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)（伺服電機(jī)）、PLC程序、數(shù)控插補(bǔ)算法軟件和進(jìn)行預(yù)定軌跡實(shí)驗(yàn)，從而為學(xué)生綜合實(shí)踐訓(xùn)練創(chuàng)造極佳的環(huán)境。為了說明XY數(shù)控工作臺(tái)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)界面的制作過程，Z向使用畫筆（一種模擬加工刀具）繪制預(yù)定的加工軌跡。研究表明，虛擬現(xiàn)實(shí)XY數(shù)控工作臺(tái)具備XY數(shù)控工作臺(tái)的實(shí)際功能，支持拆裝XY數(shù)控工作臺(tái)及對(duì)零部件進(jìn)行三維展示，從而幫助了學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)電設(shè)備原理和完成設(shè)計(jì)。表1所示為XY數(shù)控工作臺(tái)的參數(shù)設(shè)置與顯示。

（二）三維虛擬設(shè)計(jì)

XY數(shù)控工作臺(tái)三維虛擬設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：

第一、制作零部件。首先，應(yīng)用Solid-Works軟件（三維機(jī)械設(shè)計(jì)CAD軟件）制作設(shè)備的零部件，其后按照設(shè)備的裝配關(guān)系，在Unity3D中導(dǎo)入制作成果。其中，Unity3D是一種新興的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，其支持在手機(jī)端、PC端展示設(shè)備的工作原理和開展實(shí)訓(xùn)，并實(shí)現(xiàn)了感官（觸覺、聽覺和視覺等）模擬，因此在跨平臺(tái)開發(fā)中起到了重要的作用。

第二、編寫軟件。在三維虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)電設(shè)備控制仿真平臺(tái)上，為了使其工作原理與實(shí)際設(shè)備相同，要求高度重視腳本程序設(shè)計(jì)。腳本程序設(shè)計(jì)采用了C#語言，其子程序主要包括：DeviceController.cs（工作臺(tái)面上X、Y向變量控制）、ModBusProtocol.cs（校驗(yàn)編寫CRC程序和功能碼函數(shù)）、SericalPortListener.cs（設(shè)置串行口硬件參數(shù)、讀取串行口數(shù)據(jù)及發(fā)送其子程序）、NetworkController.cs（設(shè)置服務(wù)器的端口、IP地址和編寫子程序）、UdpListener.cs（啟/閉UDP接收信息的線程和子程序）、ReGisters.cs（計(jì)算變量）和UIEvents.cs（設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)界面）。

（三）下位機(jī)I/O映射模塊

為了有效控制機(jī)電虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，可以設(shè)計(jì)基于PLC或單片機(jī)的控制系統(tǒng)，同時(shí)可通過I/O口映射模塊引出三維虛擬現(xiàn)實(shí)畫面的測控信號(hào)，從而獲得虛實(shí)相結(jié)合的效果。下位機(jī)的I/O口映射模塊由光電隔離輸入和輸出I/O口、通信單元、微處理器單元組成。其中，CPU的芯片采用了STM32F103RCT6，其核心技術(shù)是ARMCortexTM處理器;RS232主要利用上位機(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件、MODBUS協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信和傳輸測控信號(hào);RS485實(shí)現(xiàn)了I/O口映射模塊級(jí)聯(lián)，以適應(yīng)機(jī)電設(shè)備的復(fù)雜情況;光電隔離輸出口可以輸出傳感器信號(hào)，同時(shí)光電隔離口可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入傳輸。在下位機(jī)I/O口映射模塊中，STM32F103RCT6芯片應(yīng)用了Keil ARM C進(jìn)行語言編程。模塊先從輸入端口進(jìn)行X、Y向脈沖輸入信號(hào)讀取，再用串行口中斷函數(shù)進(jìn)行上位機(jī)信息命令接收。但是，如果出現(xiàn)傳感器信號(hào)，先在輸出端口Q0.0–0.3進(jìn)行信號(hào)輸出，再應(yīng)用串行口中斷函數(shù)向上位機(jī)發(fā)送端口的脈沖輸入信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)電機(jī)旋轉(zhuǎn)、工作臺(tái)移動(dòng)和繪出加工軌跡。

二、結(jié)語

綜上，通過應(yīng)用三維虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)電設(shè)備控制仿真系統(tǒng)，解決了機(jī)電專業(yè)學(xué)生在實(shí)訓(xùn)中的諸多問題，如機(jī)電設(shè)備投資大、占用空間大等，并大大滿足了實(shí)踐教學(xué)的實(shí)際需要，從而提高了機(jī)電專業(yè)的教學(xué)效果。

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