虛擬仿真技術在機電一體化實驗教學中的應用

劉 洋，倪亞玲，吳婷婷

（電子科技大學 機械電子工程學院，成都 611731）

虛擬仿真技術在機電一體化實驗教學中的應用

劉 洋，倪亞玲，吳婷婷

（電子科技大學 機械電子工程學院，成都 611731）

針對虛擬仿真技術在電子科技大學機電一體化實驗教學中的典型應用，闡述了機電一體化虛擬仿真平臺的基本功能及建設方法，探討了虛擬仿真平臺未來的應用方向。虛擬仿真技術克服了傳統機電一體化實驗教學中的種種弊端，不但節省了教學資源，還改善了教學質量。直觀的三維模型、自由的開發環境，可生動再現實際工作場景，充分激發了學生的創造力，培養了其工程實踐能力。虛擬仿真技術在機電一體化實驗教學中的作用將日漸突出，并將成為高校教學改革的一個新方向。

虛擬仿真；機電一體化；實驗教學；三維建模

機電一體化是機械、電子、光學、控制、計算機、信息等多學科的融合，高等院校在培養機電一體化專業人才時，除給學生傳授電子、電氣、機械、計算機應用等方面的基本知識外，實驗教學也不可缺失［1-2］。作為實踐環節，實驗教學可幫助學生實現從理論學習到實踐應用的過渡，提高學生對所學知識的綜合運用能力，同時可提高學生實踐動手能力和創新設計能力［3-4］。

傳統機電一體化實驗教學，離不開實驗儀器、設備的支撐，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。虛擬仿真針對機電一體化內容進行3D數字內容的模擬開發，不依賴具體實驗設備，并能有效避免教學中可能存在的人身傷害和環境危害。借助3D模型可立體展示機電設備的基本結構、工作流程等，高度逼真的訓練環境，使學生能夠獲得生動直觀的感性認識，增進對抽象原理的理解，激發學習興趣。因此，虛擬仿真平臺在高校實驗教學中將很有意義［5］。

目前，電子科技大學機電一體化實驗教學采用的是實物、半實物仿真，教學資源有限，為此，我們設計了虛擬仿真平臺，有效節約了教學資源，顯著改善了教學效果。

1 機電一體化虛擬仿真平臺的功能

機電一體化虛擬仿真平臺主要功能包括三維建模、控制仿真和人機交互等。

1.1 三維建模

三維建模是虛擬仿真中的關鍵技術，好的模型能表現出真實的三維效果，并帶來強烈的視覺感官沖擊［6］。目前，學校機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）?；谝陨宪浖脚_，可設計出機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，機電一體化系統的結構原理可通過3D模型直觀反映，系統的功能效率則由控制算法實現。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、數字電路、機械自動化等多個領域，能夠實現功能多元化的仿真設計。同時，VUP兼容其他CAD軟件模型，如Solidworks、Inventor、Catia和Solid Edge等，并對所建模型進行編程控制。

控制器可以選擇VUP的內置編程模塊，直接在VUP中編寫虛擬PLC程序或腳本語言對模型進行控制；同時也可選擇外部pLC，各種品牌pLC都能與VUP進行通信；此外，還可以用單片機進行控制。

基于以上思路，學生可以新建或者導入已有CAD三維模型進行二次開發，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，配置I/O端口，并根據任務編寫控制程序，從而快速創建虛擬樣機，完成虛擬以及實物控制仿真。

1.3 人機交互

在基于VUP的虛擬仿真平臺中，學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對已有實驗模型的控制。實驗題目中設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交互工具。學生還可通過鼠標模擬人手對虛擬設備進行操作，如抓取、搬運貨物等。仿真平臺還設計了自動評分功能，學生在完成并提交實驗題目后，系統可根據實驗要求完成測試評分。

除了基本實驗，學生也可在虛擬仿真平臺上自主設計對象模型，選擇實物pLC、單片機等作為控制器，并設計上位機界面。目前學校的機電一體化實驗室有西門子S7-1200、S7-300、S7-400等系列PLC，學生可以用博途（TIA-Portal）和STEP7等軟件編寫pLC控制程序，并設計觸摸屏上位機界面，改善人機交互效果。同時，實驗室還安裝了WinCC軟件，方便學生設計監控畫面。此外，由于仿真平臺支持單片機作為控制器，因而學生可利用VB、Visual C++等設計上位機程序，通過串口實現指令傳遞［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電一體化實驗中的一個經典例程，與實際應用結合緊密，功能完整、明確，能較好鍛煉學生自主設計能力。傳統實驗教學采用LED陣列模擬交通燈，缺乏路口情景，沒有交互接口，難以設置情景模式，如設置行人呼叫、倒計時顯示、修改通行時間等。該實驗的功能單一，實驗內容簡單枯燥，難以激發學生學習積極性。

虛擬仿真平臺為學生提供了接近真實情景環境的三維模型，如圖1所示。模型中可自由配置、修改I/O端口，方便設置情景模式，以實現不同功能。

圖1 十字路口交通燈模型

三維模型建立后，學生可根據實驗要求編寫PLC控制程序，實現交通燈控制時序，并利用虛擬控制器進行功能測試，調試過程與實物pLC類似，可打開程序狀態監控、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監控畫面

基于虛擬仿真平臺的交通燈實驗，可以讓學生深入了解pLC的控制原理，掌握編程、調試技巧，并能全方位立體觀察實驗結果和檢驗程序的合理性。

2.2 貨物自動分揀實驗

貨物自動分揀系統是工業自動化的典型應用，主要實現對不同顏色、形狀和材質貨物的自動整理歸類。貨物分揀系統主要結構包括電源模塊、可編程控制器模塊、變頻器模塊、上料機構、皮帶傳送機構、傳感器、搬運機械手及分類倉儲機構等。系統工作時，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帶動，其啟動、停止、調速受變頻器控制。貨物在傳送帶的帶動下，依次經過電感、電容和色標傳感器，由傳感器向控制器上傳貨物屬性。當貨物到達終點時，機械手夾起貨物并放到運料小車上，運料小車將貨物送至預設的貨槽口，并由氣缸推送至貨槽內，從而完成一次貨物分揀［10］。

傳統貨物分揀系統設備昂貴，機械結構復雜，接線較多，傳感器、機械手和氣缸等部件容易損壞，極易影響實驗進度和效果。在虛擬仿真平臺中建立電機、氣缸、傳送帶、傳感器等主要部件的三維模型，以此組建系統仿真模型，可真實模擬實際工作場景，模型可重復利用，極大豐富了教學資源，并可有效避免設備故障問題，便于學生集中精力設計控制程序并調試，從而提高學習效率。

在VUP中搭建貨物自動分揀系統的仿真模型，設計相應控制程序并展開實驗，如圖3所示。仿真結果表明，傳感器、電機、氣缸等模型工作正常，整個仿真系統工作穩定，能有效實現不同屬性貨物的自動分揀，較好模擬了傳統實驗裝置的功能。此外，模型更改方便，針對不同實驗內容便于修改。

圖3 貨物自動分揀系統運行畫面

2.3 三相交流異步電機控制實驗

三相交流異步電機在機電一體化設備中應用較多，開展三相交流異步電機的控制實驗，有助于學生了解電機結構、電力拖動原理以及三相交流電的基本知識。電機控制實驗較多，包括電機正反轉控制、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。傳統實驗平臺以LED亮滅模擬交流電路通斷以及電機正反轉，不夠直觀，教學效果不理想。若用真實三相異步電機作為負載，則需進行實物接線，電機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、繼電器、按鈕開關等3D模型，并設計相應控制電路，從而開發出如三相異步電機正反轉及反接制動的三相異步電機系列控制實驗，如圖4所示。

圖4 三相異步電機正反轉及反接制動仿真界面

實驗中，學生可通過鼠標直接或者編程控制相應按鈕開關，實現電機正反轉控制。學生可通過畫面直觀感受電機轉動及轉速變化情況，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識。實驗即保證了真實操作，也不用擔心任何危險事故發生。

3 虛擬仿真平臺的應用拓展

電子科技大學機械電子工程學院組建的基于VUP的虛擬仿真平臺，是一款功能強大的機電一體化仿真平臺，可開展機電一體化的各項實驗課程，如電工電子、數字電路、氣動液壓、產品設計與自動化控制、程序優化和故障排除等。由于平臺自帶虛擬控制器，并支持外接實物控制器，如PLC、單片機等，因此可廣泛應用于程序正確性檢測、競賽、PLC教學、開放性實驗、創新大賽、畢業設計和課程設計等方面。

除了教學，虛擬仿真平臺還可用于商業領域，如課題開展、商業項目研發、設備產品設計、虛實結合、作業仿真、系統優化、方案改進、虛擬調試、工業4.0智能工廠，以及實際系統的可行性驗證等。

4 結束語

基于VUP的虛擬仿真平臺，應用于機電一體化實驗教學中，仿真實驗可以生動、形象地還原機電設備工作場景，便于學生直觀了解機電一體化系統結構及工作原理。三維模型的逼真動作，可以真實反映系統的工作性能，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傳統實驗方法的不足，對于一些不能或不便于用實際設備演示的實驗項目，借助仿真實驗分析，不僅可減少實物實驗設備和耗材費用，也使學生能夠更深入地理解和掌握理論知識，提高學習效果［11］。

虛擬仿真平臺不但提供基本實驗例程，更是一個自主開發平臺。學生可利用Solidworks、VUP等工具，自主開展靈活多樣的機電模型和程序設計，在加深對基礎知識理解的同時，激發自身創造力，培養工程實踐能力，其意義遠遠超出實驗本身。鑒于此，虛擬仿真技術在高校實驗教學中的作用將日漸突出，并將成為教學改革的一個新方向。

［1］徐章鎖.基于虛擬原型的機電一體化建模與仿真技術研究［D］.陜西:西安電子科技大學，2013.

［2］王宣銀，陶國良，陳鷹.機電一體化的創新及發展方向［J］.機電一體化，2000（6）:5-8.

［3］方貴盛.機電一體化專業實驗室建設與管理［J］.實驗室研究與探索，2011，30（12）:212-216.

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

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

［6］葉建海，張營營.虛擬仿真技術在實訓中的應用［J］.黃河水利職業技術學院學報，2011，23（4）:58-59.

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

［8］張敬南，張镠鐘.實驗教學中虛擬仿真技術應用的研究［J］.實驗技術與管理，2013，30（12）:101-104.

［9］王瑾，袁戰軍.虛擬仿真技術在單片機課程教學中的應用［J］.電子設計工程，2016，24（1）:45-48.

［10］李曉寧.電工電氣技術實訓指導書［M］.北京:國防工業出版社，2015.

［11］蔡衛國.虛擬仿真技術在機械工程實驗教學中的應用［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。