試析三維虛擬現(xiàn)實機電設(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)實機電設(shè)備控制仿真系統(tǒng)，現(xiàn)實環(huán)境中的機電設(shè)備被植入虛擬環(huán)境中，這突破了人力、時間和資源等條件的限制，從而改善了學(xué)生的實訓(xùn)環(huán)境。

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

前言

在三維虛擬現(xiàn)實機電設(shè)備控制仿真系統(tǒng)中，上位機經(jīng)RS232接入下位機嵌入式系統(tǒng)，通信采用了MODBUS協(xié)議。經(jīng)論證，三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)了將現(xiàn)實環(huán)境中的機電設(shè)備植入虛擬環(huán)境中，并支持對機電設(shè)備進行動態(tài)展示，這方便了學(xué)生從任一角度了解機電設(shè)備的結(jié)構(gòu)，并突破了人力、時間和資源等條件的限制?？傊ㄟ^構(gòu)建三維虛擬現(xiàn)實機電設(shè)備控制仿真系統(tǒng)，創(chuàng)建了一個主體為學(xué)生的教學(xué)實踐環(huán)境，從而起到了實訓(xùn)成本低、實訓(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)控工作臺為例，淺析三維虛擬現(xiàn)實機電設(shè)備控制仿真系統(tǒng)。

一、三維虛擬現(xiàn)實機電設(shè)備控制仿真系統(tǒng)

（一）三維虛擬現(xiàn)實界面

XY數(shù)控工作臺是刻字機、數(shù)控機床、包裝制袋設(shè)備、機床加工設(shè)備、表明貼裝設(shè)備等的基本部件。在XY數(shù)控工作臺上，學(xué)生可以設(shè)計完成上位機可視化組態(tài)軟件、單片機控制步進電機（伺服電機）、PLC程序、數(shù)控插補算法軟件和進行預(yù)定軌跡實驗，從而為學(xué)生綜合實踐訓(xùn)練創(chuàng)造極佳的環(huán)境。為了說明XY數(shù)控工作臺虛擬現(xiàn)實仿真系統(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XY數(shù)控工作臺具備XY數(shù)控工作臺的實際功能，支持拆裝XY數(shù)控工作臺及對零部件進行三維展示，從而幫助了學(xué)生學(xué)習(xí)機電設(shè)備原理和完成設(shè)計。表1所示為XY數(shù)控工作臺的參數(shù)設(shè)置與顯示。

（二）三維虛擬設(shè)計

XY數(shù)控工作臺三維虛擬設(shè)計的主要內(nèi)容包括：

第一、制作零部件。首先，應(yīng)用Solid-Works軟件（三維機械設(shè)計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)實技術(shù)，其支持在手機端、PC端展示設(shè)備的工作原理和開展實訓(xùn)，并實現(xiàn)了感官（觸覺、聽覺和視覺等）模擬，因此在跨平臺開發(fā)中起到了重要的作用。

第二、編寫軟件。在三維虛擬現(xiàn)實機電設(shè)備控制仿真平臺上，為了使其工作原理與實際設(shè)備相同，要求高度重視腳本程序設(shè)計。腳本程序設(shè)計采用了C#語言，其子程序主要包括：DeviceController.cs（工作臺面上X、Y向變量控制）、ModBusProtocol.cs（校驗編寫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（計算變量）和UIEvents.cs（設(shè)計仿真平臺界面）。

（三）下位機I/O映射模塊

為了有效控制機電虛擬現(xiàn)實設(shè)備，可以設(shè)計基于PLC或單片機的控制系統(tǒng)，同時可通過I/O口映射模塊引出三維虛擬現(xiàn)實畫面的測控信號，從而獲得虛實相結(jié)合的效果。下位機的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主要利用上位機的虛擬現(xiàn)實軟件、MODBUS協(xié)議實現(xiàn)通信和傳輸測控信號;RS485實現(xiàn)了I/O口映射模塊級聯(lián)，以適應(yīng)機電設(shè)備的復(fù)雜情況;光電隔離輸出口可以輸出傳感器信號，同時光電隔離口可以實現(xiàn)驅(qū)動信號輸入傳輸。在下位機I/O口映射模塊中，STM32F103RCT6芯片應(yīng)用了Keil ARM C進行語言編程。模塊先從輸入端口進行X、Y向脈沖輸入信號讀取，再用串行口中斷函數(shù)進行上位機信息命令接收。但是，如果出現(xiàn)傳感器信號，先在輸出端口Q0.0–0.3進行信號輸出，再應(yīng)用串行口中斷函數(shù)向上位機發(fā)送端口的脈沖輸入信號，以實現(xiàn)上位機電機旋轉(zhuǎn)、工作臺移動和繪出加工軌跡。

二、結(jié)語

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

參考文獻

[1]覃麗瓊.基于Lumion的虛擬現(xiàn)實景觀仿真設(shè)計與實現(xiàn)[J/OL].現(xiàn)代電子技術(shù)：1–8[2019–03–06].

[2]吳麗媛，王偉.直升機機電綜合管理系統(tǒng)通用仿真設(shè)備設(shè)計[J].直升機技術(shù)，2018（02）：52–54+59.

[3]張?zhí)煊?機電設(shè)備高效節(jié)能控制模型的仿真分析[J].中國設(shè)備工程，2018（06）：119–120.

[4]丁金華，劉暢，李明穎，高騰，王德權(quán)，李思遠.三維虛擬現(xiàn)實機電設(shè)備控制仿真系統(tǒng)[J].實驗技術(shù)與管理，2016，33（09）：106–110.