VUP平臺實驗項目開發(fā)

陸佳琪 高興宇 李明楓 廖斌

摘? 要 為了虛擬仿真教學(xué)促進課堂教學(xué)質(zhì)量，讓學(xué)生沉浸式享受教學(xué)內(nèi)容，引入Virtual Universe Pro（VUP）操作平臺，將自動化控制、機械設(shè)計、工業(yè)機器人技術(shù)、電氣與電子技術(shù)、氣壓液壓以3D渲染逼真化效果融入實驗教學(xué)中，可開設(shè)非標(biāo)機械開發(fā)與實踐、PLC技術(shù)控制虛擬模型、工業(yè)機器人仿真調(diào)試、氣壓與液壓等實驗。該軟件在虛擬實驗教學(xué)上具有逼真化和創(chuàng)新性，擴展了教學(xué)實驗課程，對促進學(xué)生基礎(chǔ)課程和工程實踐方面學(xué)習(xí)有很大作用。

關(guān)鍵詞 新工科；虛擬仿真教學(xué)；VUP操作平臺；機電一體化；虛擬仿真實驗；PLC；機器人

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）14-0123-05

Abstract In order to promote virtual simulation teaching and make students feel the learning content more realistically， Virtual Universe?Pro （VUP） operation platform is introduced， integrates automation control， mechanical design， industrial robot technology， electrical and electronic technology， pneumatic and hydraulic technology into the experimental teaching with 3D rendering and realistic effect. It can open non-standard mechanical development and practice， PLC technology control virtual model， industrial machine simulation debugging， pneumatic and hydraulic， script language development experiments and so on. The software is lifelike and innovative in?virtual experiment teaching， and plays an important role in improving?students understanding of basic courses and engineering practice.

Key words new engineering; virtual simulation teaching; virtual universe pro operation platform; mechatronics; virtual simulation experiment; PLC; robot

0? 引言

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于課堂教學(xué)是教學(xué)活動信息化不可或缺的部分。為了培育更多動手能力強、有創(chuàng)新性思維的人才，提高實驗教學(xué)能力水平，教育部于2013年發(fā)出《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》[1-2]，突出虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)是信息化教學(xué)的重要成分，依據(jù)教學(xué)大綱的要求有力指導(dǎo)服務(wù)于教學(xué)活動[3-4]。

隨著虛擬仿真教學(xué)的不斷深入，為滿足機械電子工程專業(yè)的教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)，加快建設(shè)發(fā)展新工科，實現(xiàn)工科專業(yè)教學(xué)改革創(chuàng)新，開展虛擬制造創(chuàng)新教學(xué)[5]。Virtual Uni-verse Pro（VUP）是法國Irai公司研發(fā)的一款功能強大的創(chuàng)新型三維建模與仿真軟件操作平臺，集合氣動液壓、電工電子、數(shù)字電路、機械設(shè)計及自動化多學(xué)科領(lǐng)域知識，實現(xiàn)功能多元化的機電一體化仿真系統(tǒng)[6]，為實現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)提供了優(yōu)質(zhì)的教學(xué)條件。對于培養(yǎng)復(fù)合型人才，以VUP操作平臺為基礎(chǔ)平臺，充分利用軟件自帶庫資源及可通信軟件聯(lián)合調(diào)控資源，開發(fā)切實可行的方案。所開發(fā)的實驗項目不僅用于本科實驗教學(xué)，還可以在經(jīng)過渲染修飾后用于參加VR大賽，對促進復(fù)合型虛擬仿真教學(xué)和加強工業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要意義[7]。

利用VUP操作平臺可代替實際教學(xué)設(shè)備，基于多元化教學(xué)資源，以3D渲染技術(shù)以及物理引擎呈現(xiàn)最真實的仿真效果給學(xué)生。該軟件可提供一個完全開放的虛擬設(shè)備開發(fā)平臺豐富實驗種類，提高實驗開設(shè)率，實現(xiàn)零風(fēng)險操作與演示，增強實驗安全性，重點解決硬件實驗設(shè)備資源有限及實驗安全隱患的問題[8-9]。

1? VUP機電一體化軟件簡介

VUP作為一款機電一體化軟件，企業(yè)與科研院所提出的方案可在該平臺上得到驗證，不合理的地方可以進行修改；研發(fā)出的實際硬件設(shè)備可以根據(jù)虛擬成品進行反復(fù)試驗調(diào)試，提高研究的效率[10]。其中，可以與PLC進行通信連接，以真實PLC的I/O對虛擬對象進行工藝動作控制，節(jié)省電氣PLC的實體調(diào)試時間；可以與主要機器人控制軟件進行通信聯(lián)立控制，如ABB、FANUC等；可以根據(jù)電氣電路機械裝置繪制相應(yīng)的二維電氣電路原理圖，并可進行實時狀態(tài)的仿真；可以根據(jù)腳本語言進行自定義仿真。圖1為VUP平臺基本功能。

2? 設(shè)備研發(fā)與PLC調(diào)試

VUP機電一體化軟件是通過三維繪制軟件導(dǎo)出3DXML、3DS格式進行導(dǎo)入的。通過將零散的、獨立的零件設(shè)置父子級的方式，按照父級帶動子級運動的原則進行設(shè)置，實現(xiàn)動作零件的打包與移動。仿真系統(tǒng)設(shè)置物理屬性，添加重力、摩擦系數(shù)、彈性系數(shù)、轉(zhuǎn)動慣量、可穿透、線性阻尼等特征，根據(jù)狀態(tài)模塊的需要分別進行設(shè)置，配置各種機械傳動的功能、動作（如直線運動、旋轉(zhuǎn)），設(shè)定速度、加速度、檢測傳感器等，實現(xiàn)想要的動作目的與功能檢測目的。通過添加碰撞、干涉檢測、故障反饋效果等，達到真實的實物效果；并且可與實際PLC控制設(shè)備進行信號交互，接收控制指令以及反饋傳感器信號，在仿真過程中及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備在程序控制下運行的各種問題并進行優(yōu)化，提高設(shè)計效率并降低成本，具有可操作性，可進行動態(tài)實時仿真[11-12]。

圖2為PLC控制虛擬模型?？勺远x添加交互界面，建立觸摸屏面板，設(shè)置觸摸屏題目，添加控制按鍵、狀態(tài)燈、模式選擇，通過與I/O口進行連接通信，實現(xiàn)觸摸屏按鍵控制虛擬模型的動作，有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力。圖3為VUP平臺編輯觸摸屏調(diào)試仿真模型。

3? 配合機器人應(yīng)用仿真

該功能需要VUP平臺配合機器人仿真控制軟件聯(lián)合通信進行操作，機器人仿真控制軟件中對機器人進行控制的同時，也在控制UVP機電一體化軟件中的機器人。這里以ABB機器人為例。

Robot Studio是ABB系列機器人的虛擬仿真控制軟件，在編輯器I/O系統(tǒng)中建立機器人的控制信號與通信的連接信號；通過邏輯傳遞信號的判別來使用Digital Input與Digital Out指令完成信號傳遞；對于多路徑且不連續(xù)機器人動作，需要VUP平臺與Robot Studio的節(jié)點進行連接；只有在VUP平臺ABB機器人庫的abbgateway與Robot Stu-dio虛擬控制軟件中建立相同的I/O信號名稱，才可以正常通信（設(shè)置別名“W：+信號名稱”，是一般以VUP平臺為主體，寫入Robot Studio中；設(shè)置別名“R：+信號名稱”，是VUP平臺讀取Robot Studio仿真軟件）。讓學(xué)生了解機電一體化虛擬仿真控制的同時接觸機器人虛擬仿真，對一些有機器人參與虛擬仿真的項目具有一定的參考價值。圖4所示是VUP平臺與Robot Studio虛擬仿真軟件進行聯(lián)合通信控制。

4? 原理圖與三維圖聯(lián)動仿真

4.1? 二維氣動原理圖聯(lián)動實驗仿真

在建立氣動三維模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合二維實時聯(lián)動仿真，可以讓學(xué)生更加直觀地理解其原理。選擇二位四通的換向閥、雙作用氣缸及氣源發(fā)生設(shè)置，使用連線形式表示氣動通路，當(dāng)然可根據(jù)實際氣動裝置來組建相應(yīng)的氣動回路。設(shè)置電氣回路電磁閥A1為寫入信號，氣缸go設(shè)置為讀取信號且與氣缸伸出信號相關(guān)聯(lián)，氣缸back信號與縮回相關(guān)聯(lián)；給氣缸伸出一個動作后，將二維原理圖與三維模型圖關(guān)聯(lián)起來，實現(xiàn)二維原理圖與三維模型圖動作的實時協(xié)同動作，也可以調(diào)用PLC面板，用實體PLC與軟件中PLC面板進行映射，進而實現(xiàn)PLC程序調(diào)控二維原理圖與三維模型圖。

在PLC中o0有信號時換向閥有動作，氣缸推出，PLC平面可以由實際的PLC來控制，西門子S7-1200PLC的控制軟件博圖v14與VUP平臺通過通信工具NetToPLCSIM進行連接，聯(lián)接信號與西門子輸入地址要相同。對博圖軟件進行仿真，在通信工具中的PLCSIM地址上設(shè)置博圖SIM的虛擬地址，Network地址與VUP平臺地址保持一致[13]。通過在常開按鈕前設(shè)置線圈的方法，博途軟件設(shè)置為監(jiān)控狀態(tài)。線圈上電，常開觸點閉合，通信成功后，VUP平臺自然會信號為1，則會帶動二維原理圖模擬氣缸運動，三維模型圖推桿運行，達到外部實體PLC控制二維原理圖信號模擬運動和三維模型推桿動作實時聯(lián)動的效果，可輕松讓學(xué)生理解學(xué)習(xí)氣動知識原理及各組件的功能。圖5為PLC面板中o0有信號時換向閥使得動作推出的狀態(tài)圖，圖6是實際PLC程序控制二維原理圖信號模擬運動與三維模型推桿動作的狀態(tài)圖。

4.2? 電子電路控制原理圖實驗仿真

通過設(shè)計電子電路控制回路，設(shè)置停止按鈕SB1、啟動按鈕SB2、線圈KM、三相異步電動機、24 V電源及接地，使之成為回路。在VUP平臺中AUTOMSIM的變量與原理圖的名稱要相一致，SB1與SB2均為模型外部所給的信號，KM線圈是整體原理圖給的三維模型圖的啟動信號，SB1、SB2設(shè)置為寫入AUTOMSIM，KM設(shè)置為從AUTOMSIM讀取信號，這樣可形象表述三相異步電動機帶動傳送帶運動從二維原理圖到三維運動控制過程，可向?qū)W生清晰明了展示三相異步電動機啟動要點連結(jié)。圖7為二維原理圖控制電路仿真。

5? 結(jié)束語

本文利用VUP機電一體化實驗項目開發(fā)平臺，可以開設(shè)包括機械自動化、PLC控制、機器人、電子電路等方面的虛擬仿真實驗，綜合多學(xué)科知識于同一仿真軟件，對于學(xué)生理解掌握機械、控制、機器人、電子電路及腳本語言等技術(shù)有很大的幫助，對于培養(yǎng)新工科背景下的綜合型人才起到重要作用[15]。該軟件平臺應(yīng)用廣泛，可進行個性化定制實驗課程，豐富高校虛擬仿真實驗課程，在高校教學(xué)中實用性很強，用途多樣。

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