機(jī)電系統(tǒng)虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

王建新，任有志，鹿有杰，張曉天

(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

教育部《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》要求“深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，不斷加強(qiáng)高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用”。全國(guó)各高校正在根據(jù)這一要求，通過(guò)融合本校相關(guān)專業(yè)以及課程實(shí)驗(yàn)逐步開始探索與研究[1]。

高校機(jī)械工程學(xué)科尤為注重教育教學(xué)的實(shí)踐性，而實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)又是實(shí)踐教學(xué)的重中之重[2]。虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式不僅解決了教學(xué)中存在的教學(xué)軟硬件資源不足、教學(xué)過(guò)程安全隱患大等問(wèn)題,還解決了某些實(shí)驗(yàn)因?yàn)閳?chǎng)地限制、設(shè)備昂貴等因素?zé)o法開展的問(wèn)題[3]。

本文將某高校機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電類本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，引入到機(jī)電系統(tǒng)虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)中，構(gòu)建機(jī)電系統(tǒng)虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，旨在讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能夠更好地將課本知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中[4]。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)目標(biāo)

利用虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，針對(duì)目前實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題，對(duì)已有教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行開發(fā)，利用仿真系統(tǒng)搭建與真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備相同的結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)仿真軟件對(duì)模型添加相同的物理屬性與功能，使機(jī)械設(shè)計(jì)與電氣設(shè)計(jì)能夠在仿真系統(tǒng)上并行開發(fā)[5]。如圖1所示，虛擬平臺(tái)的使用貫穿整個(gè)實(shí)驗(yàn)理論課程與實(shí)踐課程，學(xué)生可自帶電腦或在機(jī)房進(jìn)行理論課程學(xué)習(xí)，在理論課程與實(shí)踐課程的空白期，可以針對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行虛擬仿真操作，經(jīng)虛擬仿真驗(yàn)證后，再對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)際操作[6]。

圖1 虛擬仿真平臺(tái)功能示意圖Fig.1 Diagram of virtual simulation platform function

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K劃分Fig.2 Division of virtual simulation experiment modules

1)虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)課程的預(yù)習(xí) 首先通過(guò)教學(xué)視頻以及實(shí)驗(yàn)手冊(cè)等了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)與各部分的功能，其次通過(guò)視頻教程和操作說(shuō)明，熟悉并掌握軟件的基本操作和功能[7]。

2)虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的流程 通過(guò)視頻動(dòng)畫演示，使學(xué)生對(duì)該系統(tǒng)有一定程度的認(rèn)知，隨后逐步完成如圖2所示的整體以及模塊化的實(shí)驗(yàn)流程。

3)虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)課程的考核 通過(guò)對(duì)學(xué)生課堂上的實(shí)驗(yàn)過(guò)程、具體操作、知識(shí)考察及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完整度等幾部分進(jìn)行評(píng)定，最終完成對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)的考核[8-9]。

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)覆蓋工業(yè)自動(dòng)化、智能制造技術(shù)、機(jī)械電子工程、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、智能檢測(cè)與傳感技術(shù)、機(jī)器人控制技術(shù)等多個(gè)專業(yè)和學(xué)科，便于開展多學(xué)科教學(xué)內(nèi)容的訓(xùn)練，可作為多專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)[10]。

1.3 教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程存在的問(wèn)題

1)教學(xué)實(shí)驗(yàn)成本高，資源緊缺 尤其在地方高校受制于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備采購(gòu)、維護(hù)成本及實(shí)驗(yàn)安全條件等因素，實(shí)驗(yàn)課程通常采用分組分批次的方式進(jìn)行，這樣就會(huì)出現(xiàn)學(xué)生人均實(shí)驗(yàn)時(shí)間不足、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完成度低的問(wèn)題[11]。

2)實(shí)驗(yàn)理論課程教學(xué)方式單一 目前對(duì)于實(shí)驗(yàn)理論課程的傳授方式依然以課堂多媒體教學(xué)為主，師生之間與教學(xué)媒介之間互動(dòng)性較低，對(duì)于機(jī)械實(shí)驗(yàn)中機(jī)械設(shè)備復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)不能很好地表達(dá)。

3)實(shí)驗(yàn)理論課程與實(shí)驗(yàn)實(shí)際操作課程銜接性差 目前多數(shù)高校的課程安排會(huì)出現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)課程間產(chǎn)生空白期的問(wèn)題，不能及時(shí)將理論知識(shí)在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行轉(zhuǎn)化鞏固[12]。

2 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的搭建

虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)由基于虛擬運(yùn)行環(huán)境的運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)、基于控制器的電氣控制系統(tǒng)、基于Steam VR的交互系統(tǒng)3部分構(gòu)成[13]。虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中“虛”指的是虛擬運(yùn)行環(huán)境和虛擬設(shè)備模型，而其中“實(shí)”指的是真實(shí)的PLC控制器。

2.1 虛擬運(yùn)行環(huán)境的搭建

教學(xué)設(shè)備的虛擬仿真開發(fā)將在虛擬運(yùn)行環(huán)境中進(jìn)行，如圖3所示。其開發(fā)流程如下：首先對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行三維建模，然后根據(jù)其二維圖紙以及手動(dòng)測(cè)量的方式進(jìn)行建模，應(yīng)用主流三維建模軟件對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，并將三維模型保存為3DXML格式，最后將建模結(jié)果導(dǎo)入到虛擬運(yùn)行環(huán)境中。目前虛擬運(yùn)行環(huán)境支持導(dǎo)入SolidWorks，UG，CATIA等三維建模軟件模型。

圖3 虛擬運(yùn)行環(huán)境的開發(fā)Fig.3 Development of virtual running environment

圖4 動(dòng)作配置界面Fig.4 Action configuration interface

如圖4 a)所示，根據(jù)真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置的功能與動(dòng)作，在虛擬運(yùn)行環(huán)境中對(duì)教學(xué)裝置模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真配置，為其添加動(dòng)作指令；如圖4 b)所示，根據(jù)實(shí)際需要可添加直線運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、速度設(shè)定、加速度設(shè)定等指令，還可以添加虛擬傳感器作為信號(hào)輸出；如圖4 c)所示，通過(guò)添加I/O實(shí)現(xiàn)與外部控制器的信號(hào)交互，其中可添加重力、摩擦系數(shù)、彈性系數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、線性阻尼等各種物理屬性。

對(duì)于功能動(dòng)作較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，可采用虛擬運(yùn)行環(huán)境中的虛擬控制器進(jìn)行編程控制，控制器集成了多種腳本語(yǔ)言編輯模塊，例如：BeeBasic，C語(yǔ)言，Python等，均可用于功能較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置程序的編寫和控制。同時(shí)集成了scratch圖形化編程模塊和梯形圖等功能，可用于開發(fā)各種智能化、趣味性的虛擬模型，而且編程相對(duì)簡(jiǎn)單[14]。為檢驗(yàn)外部控制器程序編寫是否正確，可進(jìn)行虛擬模型各部件之間的碰撞以及干涉檢測(cè)，經(jīng)過(guò)配置并調(diào)試后，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)中可得到與實(shí)際教學(xué)裝置完全相同的功能[15]。

2.2 物理PLC與虛擬仿真運(yùn)行環(huán)境的通信

通過(guò)物理PLC與虛擬仿真運(yùn)行環(huán)境接口建立通信，實(shí)現(xiàn)物理PLC與虛擬運(yùn)行環(huán)境的數(shù)字量以及模擬量的信號(hào)交互，PLC 的標(biāo)準(zhǔn)編程軟件通過(guò)編寫程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備的控制。以西門子PLC S7-200smart為例：S7-200smart與計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)口連接，選擇計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的Internet 協(xié)議版本4，之后查看本地網(wǎng)絡(luò)IP地址。打開其編程軟件，如圖5所示建立PLC與計(jì)算機(jī)的通信連接，更改PLC的IP地址使其與本地網(wǎng)絡(luò)IP地址的前3部分相同[16]。在虛擬運(yùn)行環(huán)境中，打開菜單欄中的配置設(shè)置，將其驅(qū)動(dòng)模式改為西門子S7系列PLC，IP地址設(shè)置為與PLC一致的IP地址，能夠?qū)崿F(xiàn)物理PLC與虛擬仿真運(yùn)行環(huán)境的通信，如圖6所示。

圖5 PLC配置界面圖Fig.5 PLC configuration interface diagram

圖6 虛擬運(yùn)行環(huán)境配置界面Fig.6 Virtual running environment configuration interface

目前，支持與虛擬仿真運(yùn)行環(huán)境建立通信的控制器包括不同品牌的PLC，例如西門子的S7-200，S7-200smart，S7-300，S7-1200等；以及三菱Q系列、FX系列以及歐姆龍系列等。本文以PLC為主，同時(shí)包括STM系列單片機(jī)、51單片機(jī)等都能夠?qū)崿F(xiàn)與虛擬仿真運(yùn)行環(huán)境的通信。

2.3 VR功能的開發(fā)

基于Steam VR平臺(tái)，通過(guò)2個(gè)在規(guī)定空間內(nèi)進(jìn)行追蹤與控制的定位器，以及1個(gè)頭戴式顯示器，使用手持控制手柄形成1個(gè)360°全方位可交互的三維空間。本平臺(tái)采用HTC VIVE虛擬設(shè)備，如圖7所示。頭戴式顯示器通過(guò)光學(xué)信號(hào)將圖像呈遞到觀者雙眼，從而實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)功能；定位器采用Lighthouse定位系統(tǒng)，其優(yōu)勢(shì)在于無(wú)攝像頭的輔助，通過(guò)2個(gè)轉(zhuǎn)軸互相垂直的旋轉(zhuǎn)紅外激光發(fā)射器以及頭戴式顯示器和控制手柄上的光敏傳感器確定位置，因而允許使用者可以在規(guī)定空間內(nèi)隨意運(yùn)動(dòng)。

圖7 VR顯示系統(tǒng)Fig.7 VR display system

虛擬運(yùn)行環(huán)境集成了Steam VR插件，通過(guò)虛擬運(yùn)行環(huán)境運(yùn)行VR功能，即可將虛擬教學(xué)裝置360°可交互的三維空間展現(xiàn)出來(lái)，在規(guī)定空間內(nèi)，學(xué)生通過(guò)頭戴式顯示器可以自由進(jìn)入教學(xué)裝置內(nèi)部近距離觀察教學(xué)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制手柄可直接對(duì)虛擬教學(xué)裝置進(jìn)行操作，帶來(lái)沉浸式可交互的真實(shí)VR體驗(yàn)。

3 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的成果

3.1 3層電梯控制系統(tǒng)教學(xué)裝置實(shí)例

機(jī)電實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有3層電梯控制系統(tǒng)教學(xué)設(shè)備，如圖8所示。該教學(xué)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由轎廂升降系統(tǒng)和電梯的開關(guān)門系統(tǒng)2個(gè)部分組成，由升降系統(tǒng)的曳引電機(jī)和開關(guān)門系統(tǒng)的4個(gè)12 V直流電機(jī)構(gòu)成動(dòng)力輸出部分，電氣控制系統(tǒng)以可編程控制器西門子S7-200smart為核心，由接近傳感器給出樓層到位信號(hào)以及轎廂到位前的減速信號(hào)。該教學(xué)裝置很好地實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)電梯中自動(dòng)開關(guān)門、延遲開關(guān)門、任意樓層呼叫、按邏輯呼叫等待以及檢修運(yùn)行等功能，如圖8所示。

圖8 3層電梯教學(xué)裝置Fig.8 Three-storey elevator teaching device

將3層電梯控制系統(tǒng)教學(xué)裝置在SolidWorks中進(jìn)行三維建模，將其三維模型導(dǎo)入到虛擬運(yùn)行環(huán)境中，如圖9所示。在虛擬運(yùn)行環(huán)境中添加電梯轎廂的上下行運(yùn)動(dòng)以及電梯門的開關(guān)門運(yùn)動(dòng)，并添加相應(yīng)的物理屬性，然后添加開關(guān)門以及樓層到位的虛擬傳感器，實(shí)現(xiàn)與外部可編程控制器S7-200smart的信號(hào)交互，通過(guò)添加與PLC相同的IP地址與PLC建立通信，同時(shí)在虛擬教學(xué)裝置左側(cè)添加控制面板，包括電梯呼叫按鈕與運(yùn)行狀態(tài)指示燈，仿真狀態(tài)下可直接在該控制面板進(jìn)行操作，功能與圖9右側(cè)控制系統(tǒng)完全一致。為保證虛擬電梯能夠?qū)崿F(xiàn)與實(shí)際教學(xué)裝置同樣的轎廂減速與開關(guān)門動(dòng)作，因此在內(nèi)部控制器中添加輔助程序，控制器部分程序如圖10所示。

圖9 3層電梯虛擬教學(xué)裝置Fig.9 Three-storey elevator virtual teaching device

圖10 控制器部分程序Fig.10 Controller part program

3層電梯虛擬控制系統(tǒng)共包含了5個(gè)程序塊的設(shè)計(jì)，分別為電梯運(yùn)行主程序塊、電梯檢修程序塊、電梯轎廂上下行程序塊、電梯運(yùn)行初始化程序塊、電梯及轎廂開關(guān)門程序塊。部分程序示例如圖11所示。

圖11 虛擬控制系統(tǒng)部分程序示列Fig.11 Some procedures of virtual control system

在虛擬運(yùn)行環(huán)境中生成VR視角,學(xué)生佩戴頭戴式顯示器，手持控制手柄，可直接對(duì)電梯控制面板上的按鈕進(jìn)行操作，并且可以近距離觀察電梯的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行狀態(tài)，獲得更好的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，如圖12所示。虛實(shí)結(jié)合的3層電梯控制系統(tǒng)教學(xué)裝置，將虛實(shí)結(jié)合在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中加以應(yīng)用,物理PLCS7-200smart可直接控制虛擬電梯，學(xué)生在對(duì)真實(shí)電梯教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行編程操控實(shí)驗(yàn)前，對(duì)虛擬電梯進(jìn)行編程控制，通過(guò)虛擬平臺(tái)的干涉碰撞檢測(cè)檢查程序是否有誤，可避免對(duì)真實(shí)教學(xué)電梯造成破環(huán)。本虛實(shí)結(jié)合的3層電梯控制系統(tǒng)教學(xué)裝置，通過(guò)對(duì)實(shí)際電梯進(jìn)行建模，分別對(duì)虛擬控制器和真實(shí)控制器的編程，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)控制器和虛擬控制器對(duì)電梯模型相同的控制效果。

圖12 VR實(shí)驗(yàn)Fig.12 VR experiment

3.2 柔性制造教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)例

為滿足學(xué)生實(shí)訓(xùn)要求，在本平臺(tái)中建設(shè)了虛擬工廠，如圖13所示。模塊化設(shè)計(jì)分為生產(chǎn)制造區(qū)和物流倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)。生產(chǎn)制造區(qū)布置柔性生產(chǎn)線，放置4臺(tái)ABB機(jī)器人和1臺(tái)5軸數(shù)控加工中心，物流倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)配有立體倉(cāng)庫(kù)、堆垛機(jī)、AGV小車和識(shí)別裝置等設(shè)備，用于原材料、零部件及成品的存儲(chǔ)。虛擬工廠中的所有教學(xué)設(shè)備都外置通信接口，可與外部物理控制器進(jìn)行通信及信號(hào)交互，滿足學(xué)生的編程訓(xùn)練。

圖13 虛擬工廠Fig.13 Virtual factory

虛擬運(yùn)行環(huán)境配置工業(yè)機(jī)器人模型庫(kù)，只需拖曳選用相應(yīng)型號(hào)的工業(yè)機(jī)器人模型，配置到仿真系統(tǒng)中，即可通過(guò)ABB的機(jī)器人編程軟件ABB Robot-Studio對(duì)其進(jìn)行離線編程與仿真，同時(shí)還可以與其他控制系統(tǒng)(例如PLC)進(jìn)行信號(hào)交互。使用虛擬機(jī)器人解決了采購(gòu)成本高、實(shí)際操作危險(xiǎn)性高的問(wèn)題。

4 結(jié) 語(yǔ)

機(jī)電系統(tǒng)虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)改變了目前傳統(tǒng)機(jī)電類實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，主要針對(duì)機(jī)電類專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐課程，通過(guò)虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生能夠更好地進(jìn)行PLC的編程實(shí)訓(xùn)，利用虛擬平臺(tái)驗(yàn)證程序的可行性，通過(guò)機(jī)器人編程軟件ABB RobotStudio對(duì)其進(jìn)行離線編程仿真，為進(jìn)一步線下編程操作ABB機(jī)器人做好前期準(zhǔn)備。

以通用控制器控制不同的虛擬教學(xué)裝置，解決了在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的實(shí)驗(yàn)資源緊缺、實(shí)驗(yàn)設(shè)備維護(hù)成本高以及存在安全隱患的問(wèn)題，虛擬實(shí)驗(yàn)貫穿于整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程中，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)互補(bǔ)，虛實(shí)結(jié)合，給學(xué)生帶來(lái)了多層次立體化的實(shí)驗(yàn)感受。

但對(duì)于虛實(shí)結(jié)合的柔性制造教學(xué)系統(tǒng)，目前只進(jìn)行了部分設(shè)備的建模和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)還有待進(jìn)一步的完善。之后將對(duì)整個(gè)柔性制造系統(tǒng)的所有單元進(jìn)行建模，根據(jù)實(shí)際功能以及物理屬性，在虛擬仿真軟件中賦予其相應(yīng)的功能與屬性，打造完整的虛擬柔性制造教學(xué)系統(tǒng)。