基于Irai的加工生產(chǎn)線設(shè)備虛實(shí)結(jié)合仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

顏昕博　王珠潔　鄒曜暉

摘??要：現(xiàn)如今，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正漸漸融入到了我們生活;而傳統(tǒng)意義的自動化生產(chǎn)線由于體積過大，成本過于昂貴，不適用于實(shí)際教學(xué)。故本文針對工科實(shí)訓(xùn)教學(xué)中所出現(xiàn)的訓(xùn)練設(shè)備較少且訓(xùn)練項(xiàng)目單一，學(xué)生不能將學(xué)到的技能與企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)對接等問題，將現(xiàn)實(shí)操作技術(shù)與虛擬機(jī)構(gòu)相互結(jié)合，提出了一種以Irai軟件為載體，用外部真實(shí)的電氣線路（如單片機(jī)等）來控制虛擬的復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu);將所繪三維模型作為虛擬被控對象，構(gòu)建出了高度仿真的自動化生產(chǎn)線（GF）三維模型。

關(guān)鍵詞：虛實(shí)結(jié)合仿真系統(tǒng);自動化加工生產(chǎn)線;單片機(jī);Irai

1研究背景

目前，自動化加工生產(chǎn)線在機(jī)械制造行業(yè)中占有極其重要的地位;但由于學(xué)校本身資金、技術(shù)、空間和企業(yè)合作等一系列的外界環(huán)境因素的限制，學(xué)校無法為學(xué)生提供所開設(shè)專業(yè)和各類企業(yè)的不同設(shè)備，所以阻礙了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的發(fā)展;同時，為貫徹落實(shí)國家教育部在《關(guān)于全面提高高等職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量的若干意見》中提出的：要充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，開發(fā)虛擬工廠、虛擬車間、虛擬工藝、虛擬實(shí)驗(yàn)[1];故結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，借助在PC機(jī)上所構(gòu)建的真實(shí)設(shè)備的三維模型，通過虛擬控制平臺與外部電氣線路的通信，實(shí)現(xiàn)PLC對于所創(chuàng)建的虛擬對象的控制，快速的建立起自動化系統(tǒng)的三維交互式仿真模型[2]。

2?三維建模建立

2.1?建立三維模型

由于被控制的主體是我們所設(shè)計(jì)的機(jī)械模型，所以仿真的第一步就是使用合適的三維建模軟件來設(shè)計(jì)和繪制機(jī)械機(jī)構(gòu)的三維模型。本文GF生產(chǎn)線為例，闡述使用Irai軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動與仿真的設(shè)計(jì)全過程。

首先，給定工業(yè)自動生產(chǎn)線模型。觀察實(shí)際工業(yè)自動生產(chǎn)線的整個運(yùn)輸加工過程。根據(jù)觀察得知，整個生產(chǎn)線主要動作是通過機(jī)械臂來實(shí)現(xiàn)的。工業(yè)機(jī)械臂在工作過程中是由一個初始位置開始，沿機(jī)械運(yùn)動軌道到達(dá)刀架，料架位置，使機(jī)械臂在料架位置完成抓取動作，然后沿軌道向前移動來到機(jī)械加工單元位置，送料加工。隨后機(jī)械臂回到刀架位置，抓取電極，沿軌道移動至電加工單元，進(jìn)行電極裝夾。待機(jī)械加工單元完畢，通過機(jī)械臂將工件取出移動至電加工單元，進(jìn)行工件精加工，待加工完畢。通過機(jī)械臂取出工件沿軌道移動至三坐標(biāo)工作臺進(jìn)行工件精度檢測，檢測完畢抓取工件返回料架區(qū)域，完成整個加工作業(yè)。

第二步，了解工業(yè)自動化生產(chǎn)線的整體結(jié)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)找到真實(shí)的自動化生產(chǎn)線，對其進(jìn)行測繪。

第三步，計(jì)算分析軌道在承載機(jī)械臂的受力情況和機(jī)械臂在抓取時的受力情況;根據(jù)其所受力的情況確定主軸尺寸與電機(jī)規(guī)格。

第四步，計(jì)算傳動裝置的動力參數(shù)。對絲杠傳動進(jìn)行校核計(jì)算。

第五步，設(shè)計(jì)其他各個零部件，如聯(lián)軸器，電機(jī)座的設(shè)計(jì)與校核。

第六步，工業(yè)自動化生產(chǎn)線模型運(yùn)動學(xué)仿真驗(yàn)證，通過分析驗(yàn)證模型的能動性，及時發(fā)現(xiàn)運(yùn)動中是否有干涉，并進(jìn)行修正。優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，避免部分連接產(chǎn)生應(yīng)力集中等現(xiàn)象。

2.2?VU?Pro中的三維模型

VU?Pro是Irai的主體平臺。在其所提供的環(huán)境和平臺下，對三維模型的具體運(yùn)動情況進(jìn)行仿真，驗(yàn)證三維模型設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性[2]。有了Irai軟件，工業(yè)裝備及自動化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)人員就能在逼真并且交互式的三維虛擬環(huán)境下對其產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，并實(shí)時監(jiān)控模擬設(shè)備的運(yùn)動[3];達(dá)到外部真實(shí)的電氣線路控制虛擬的三維仿真模型，實(shí)現(xiàn)在完全虛擬的情況下，模擬真實(shí)的加工，做到無成本調(diào)試;一方面排除了生產(chǎn)加工過程中的安全隱患，一方面又提高了操作的可靠性與真實(shí)性，讓學(xué)生們體驗(yàn)到更為真實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境，熟練真實(shí)加工時的步驟。

2.3?繪制三維模型

由于VU?Pro中，被控主體是自動化生產(chǎn)線模型，故進(jìn)行仿真的第一步：使用合適的三維建模軟件，來對本生產(chǎn)線的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與繪制?[3]。在此，我們選擇使用SolidWorks軟件對其進(jìn)行三維模型的繪制，按照一定的比例建模。通過繪制、裝配得到本自動化生產(chǎn)線的三維實(shí)體造型。

3.設(shè)計(jì)智能3D資源和系統(tǒng)

Irai軟件中的三維模型其相對位置是通過相對坐標(biāo)而定義的。這里的相對是相對于軟件基體元件而言的。所以每一個新的三維模型導(dǎo)入Irai軟件時，每個元件都有一組默認(rèn)的局部坐標(biāo)系（相對于基體元件的位置）下的空坐標(biāo)位置。

為調(diào)整三維模型在Irai軟件中的位置，可以通過調(diào)整導(dǎo)入軟件中的模型各元件上所附加的XYZ箭頭來改變。如若需要調(diào)整三維元件的大小，則可改變該元件設(shè)置中的尺寸數(shù)值。

在軟件中設(shè)置三維模型的動作，賦予每個三維元件智能化，這樣一來，Irai軟件中的三維模型就具有智能性，并且可以與其他的3D資源進(jìn)行通訊，或者可以與外部器件進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)動過程。

在這里我們使用PLC作為腳本編輯器[4]，常用來作為模擬資源的主控制器。在利用PLC編輯指令時，首先要做的事情就是確定各個元件之間的運(yùn)動關(guān)系，確定其中一個主要作為基體（父級），其余元件（子級）的運(yùn)動都是圍繞這個中心元件的動作來動作，實(shí)現(xiàn)整個三維模型的仿真運(yùn)動，即父子級別關(guān)系的設(shè)置。

4.Irai與PLC的通訊

Irai軟件是利用內(nèi)部的A8軟件與外部的PLC實(shí)現(xiàn)通訊的，在GF仿真當(dāng)中，使用的是西門子S7-200PLC。首先我們需要將A8軟件中的通訊地址與PLC保持相同，然后將PLC中設(shè)定的各個元件的運(yùn)動程序與三維模型中所設(shè)定的運(yùn)動端口結(jié)合起來，給三維模型的屬性中添加一個外部連接，在外部連接中選擇一種連接器（驅(qū)動），來實(shí)現(xiàn)與外部軟件/控制器（PLC）的連接配置[4]。通訊成功后，就可以在Irai軟件中進(jìn)行對生產(chǎn)線的動作測試。

5總結(jié)

本實(shí)例目前的特點(diǎn)有：

（1）利用仿真軟件對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行教學(xué)演示使教學(xué)生動形象;

（2）通過真實(shí)的PLC控制系統(tǒng)，控制虛擬的機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化過程;

（3）虛擬機(jī)械結(jié)構(gòu)降低了制造實(shí)體教具的成本;

（4）通過低電壓按鈕控制和電腦操作實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的演示，保證教學(xué)過程的安全性。

參考文獻(xiàn)

[1]??劉繼光，袁浩，汪澤，王玥.基于Irai的啤酒生產(chǎn)線虛擬控制平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015，32（6）：123-127.

[2]??徐進(jìn).2013年國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作小結(jié)及2014年申報(bào)建議[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，33（8）：1-5.

[3]??Virtual?Universe?Pro?V2用戶手冊[M].北京.2013

[4]??羅俊，朱洪杰.PLC可編程控制技術(shù)課程的教學(xué)改革與探索[J].西部素質(zhì)教育，2016（10）：37-39.

資助項(xiàng)目編號：國家級創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目201810066014