VUP平臺實驗項目開發

陸佳琪 高興宇 李明楓 廖斌

摘? 要 為了虛擬仿真教學促進課堂教學質量，讓學生沉浸式享受教學內容，引入Virtual Universe Pro（VUP）操作平臺，將自動化控制、機械設計、工業機器人技術、電氣與電子技術、氣壓液壓以3D渲染逼真化效果融入實驗教學中，可開設非標機械開發與實踐、PLC技術控制虛擬模型、工業機器人仿真調試、氣壓與液壓等實驗。該軟件在虛擬實驗教學上具有逼真化和創新性，擴展了教學實驗課程，對促進學生基礎課程和工程實踐方面學習有很大作用。

關鍵詞 新工科；虛擬仿真教學；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

虛擬仿真技術應用于課堂教學是教學活動信息化不可或缺的部分。為了培育更多動手能力強、有創新性思維的人才，提高實驗教學能力水平，教育部于2013年發出《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》[1-2]，突出虛擬現實仿真技術是信息化教學的重要成分，依據教學大綱的要求有力指導服務于教學活動[3-4]。

隨著虛擬仿真教學的不斷深入，為滿足機械電子工程專業的教學培養目標，加快建設發展新工科，實現工科專業教學改革創新，開展虛擬制造創新教學[5]。Virtual Uni-verse Pro（VUP）是法國Irai公司研發的一款功能強大的創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、數字電路、機械設計及自動化多學科領域知識，實現功能多元化的機電一體化仿真系統[6]，為實現虛擬仿真教學提供了優質的教學條件。對于培養復合型人才，以VUP操作平臺為基礎平臺，充分利用軟件自帶庫資源及可通信軟件聯合調控資源，開發切實可行的方案。所開發的實驗項目不僅用于本科實驗教學，還可以在經過渲染修飾后用于參加VR大賽，對促進復合型虛擬仿真教學和加強工業產業化發展具有重要意義[7]。

利用VUP操作平臺可代替實際教學設備，基于多元化教學資源，以3D渲染技術以及物理引擎呈現最真實的仿真效果給學生。該軟件可提供一個完全開放的虛擬設備開發平臺豐富實驗種類，提高實驗開設率，實現零風險操作與演示，增強實驗安全性，重點解決硬件實驗設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；研發出的實際硬件設備可以根據虛擬成品進行反復試驗調試，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，節省電氣PLC的實體調試時間；可以與主要機器人控制軟件進行通信聯立控制，如ABB、FANUC等；可以根據電氣電路機械裝置繪制相應的二維電氣電路原理圖，并可進行實時狀態的仿真；可以根據腳本語言進行自定義仿真。圖1為VUP平臺基本功能。

2? 設備研發與PLC調試

VUP機電一體化軟件是通過三維繪制軟件導出3DXML、3DS格式進行導入的。通過將零散的、獨立的零件設置父子級的方式，按照父級帶動子級運動的原則進行設置，實現動作零件的打包與移動。仿真系統設置物理屬性，添加重力、摩擦系數、彈性系數、轉動慣量、可穿透、線性阻尼等特征，根據狀態模塊的需要分別進行設置，配置各種機械傳動的功能、動作（如直線運動、旋轉），設定速度、加速度、檢測傳感器等，實現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現設備在程序控制下運行的各種問題并進行優化，提高設計效率并降低成本，具有可操作性，可進行動態實時仿真[11-12]。

圖2為PLC控制虛擬模型。可自定義添加交互界面，建立觸摸屏面板，設置觸摸屏題目，添加控制按鍵、狀態燈、模式選擇，通過與I/O口進行連接通信，實現觸摸屏按鍵控制虛擬模型的動作，有助于培養學生的工程實踐能力。圖3為VUP平臺編輯觸摸屏調試仿真模型。

3? 配合機器人應用仿真

該功能需要VUP平臺配合機器人仿真控制軟件聯合通信進行操作，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機器人動作，需要VUP平臺與Robot Studio的節點進行連接；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（設置別名“W：+信號名稱”，是一般以VUP平臺為主體，寫入Robot Studio中；設置別名“R：+信號名稱”，是VUP平臺讀取Robot Studio仿真軟件）。讓學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合通信控制。

4? 原理圖與三維圖聯動仿真

4.1? 二維氣動原理圖聯動實驗仿真

在建立氣動三維模型的基礎上，結合二維實時聯動仿真，可以讓學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生設置，使用連線形式表示氣動通路，當然可根據實際氣動裝置來組建相應的氣動回路。設置電氣回路電磁閥A1為寫入信號，氣缸go設置為讀取信號且與氣缸伸出信號相關聯，氣缸back信號與縮回相關聯；給氣缸伸出一個動作后，將二維原理圖與三維模型圖關聯起來，實現二維原理圖與三維模型圖動作的實時協同動作，也可以調用PLC面板，用實體PLC與軟件中PLC面板進行映射，進而實現PLC程序調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置線圈的方法，博途軟件設置為監控狀態。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動的效果，可輕松讓學生理解學習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圖。

4.2? 電子電路控制原理圖實驗仿真

通過設計電子電路控制回路，設置停止按鈕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設置為寫入AUTOMSIM，KM設置為從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，可向學生清晰明了展示三相異步電動機啟動要點連結。圖7為二維原理圖控制電路仿真。

5? 結束語

本文利用VUP機電一體化實驗項目開發平臺，可以開設包括機械自動化、PLC控制、機器人、電子電路等方面的虛擬仿真實驗，綜合多學科知識于同一仿真軟件，對于學生理解掌握機械、控制、機器人、電子電路及腳本語言等技術有很大的幫助，對于培養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，在高校教學中實用性很強，用途多樣。

參考文獻

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