虚拟仿真技术在机电一体化实验教学中的应用

刘 洋，倪亚玲，吴婷婷

（电子科技大学 机械电子工程学院，成都 611731）

虚拟仿真技术在机电一体化实验教学中的应用

刘 洋，倪亚玲，吴婷婷

（电子科技大学 机械电子工程学院，成都 611731）

针对虚拟仿真技术在电子科技大学机电一体化实验教学中的典型应用，阐述了机电一体化虚拟仿真平台的基本功能及建设方法，探讨了虚拟仿真平台未来的应用方向。虚拟仿真技术克服了传统机电一体化实验教学中的种种弊端，不但节省了教学资源，还改善了教学质量。直观的三维模型、自由的开发环境，可生动再现实际工作场景，充分激发了学生的创造力，培养了其工程实践能力。虚拟仿真技术在机电一体化实验教学中的作用将日渐突出，并将成为高校教学改革的一个新方向。

虚拟仿真；机电一体化；实验教学；三维建模

机电一体化是机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的融合，高等院校在培养机电一体化专业人才时，除给学生传授电子、电气、机械、计算机应用等方面的基本知识外，实验教学也不可缺失［1-2］。作为实践环节，实验教学可帮助学生实现从理论学习到实践应用的过渡，提高学生对所学知识的综合运用能力，同时可提高学生实践动手能力和创新设计能力［3-4］。

传统机电一体化实验教学，离不开实验仪器、设备的支撑，因而会受器材稀缺等因素的限制，虚拟仿真实验可以有效避免这一不足。虚拟仿真针对机电一体化内容进行3D数字内容的模拟开发，不依赖具体实验设备，并能有效避免教学中可能存在的人身伤害和环境危害。借助3D模型可立体展示机电设备的基本结构、工作流程等，高度逼真的训练环境，使学生能够获得生动直观的感性认识，增进对抽象原理的理解，激发学习兴趣。因此，虚拟仿真平台在高校实验教学中将很有意义［5］。

目前，电子科技大学机电一体化实验教学采用的是实物、半实物仿真，教学资源有限，为此，我们设计了虚拟仿真平台，有效节约了教学资源，显著改善了教学效果。

1 机电一体化虚拟仿真平台的功能

机电一体化虚拟仿真平台主要功能包括三维建模、控制仿真和人机交互等。

1.1 三维建模

三维建模是虚拟仿真中的关键技术，好的模型能表现出真实的三维效果，并带来强烈的视觉感官冲击［6］。目前，学校机电一体化实验室安装了主流3D CAD软件Solidworks，能够完成各种电气、机械元件的实体三维建模、动画演示、渲染等功能［7］。仿真分析软件包括Labview、Ansys以及Irai公司的VUP（virtual universe pro）。基于以上软件平台，可设计出机电一体化各个实验所需的三维模型。

1.2 控制仿真

在仿真分析中，机电一体化系统的结构原理可通过3D模型直观反映，系统的功能效率则由控制算法实现。在完成实验3D建模之后，还需开展控制方法仿真分析。

控制仿真可通过VUP软件完成。VUP是一款三维建模与仿真软件，涵盖了气动液压、电工电子、数字电路、机械自动化等多个领域，能够实现功能多元化的仿真设计。同时，VUP兼容其他CAD软件模型，如Solidworks、Inventor、Catia和Solid Edge等，并对所建模型进行编程控制。

控制器可以选择VUP的内置编程模块，直接在VUP中编写虚拟PLC程序或脚本语言对模型进行控制；同时也可选择外部pLC，各种品牌pLC都能与VUP进行通信；此外，还可以用单片机进行控制。

基于以上思路，学生可以新建或者导入已有CAD三维模型进行二次开发，自由定义被仿真模型的各种物理属性、动作，模拟各种期望任务，配置I/O端口，并根据任务编写控制程序，从而快速创建虚拟样机，完成虚拟以及实物控制仿真。

1.3 人机交互

在基于VUP的虚拟仿真平台中，学生登录平台后可选择实验题目，使用一个或多个虚拟控制器实现对已有实验模型的控制。实验题目中设计了具有实际功能的2D控制面板、各种控制按钮等作为人机交互工具。学生还可通过鼠标模拟人手对虚拟设备进行操作，如抓取、搬运货物等。仿真平台还设计了自动评分功能，学生在完成并提交实验题目后，系统可根据实验要求完成测试评分。

除了基本实验，学生也可在虚拟仿真平台上自主设计对象模型，选择实物pLC、单片机等作为控制器，并设计上位机界面。目前学校的机电一体化实验室有西门子S7-1200、S7-300、S7-400等系列PLC，学生可以用博途（TIA-Portal）和STEP7等软件编写pLC控制程序，并设计触摸屏上位机界面，改善人机交互效果。同时，实验室还安装了WinCC软件，方便学生设计监控画面。此外，由于仿真平台支持单片机作为控制器，因而学生可利用VB、Visual C++等设计上位机程序，通过串口实现指令传递［8-9］。

2 虚拟仿真平台中的典型实验

2.1 十字路口交通灯控制实验

十字路口交通灯模拟控制是机电一体化实验中的一个经典例程，与实际应用结合紧密，功能完整、明确，能较好锻炼学生自主设计能力。传统实验教学采用LED阵列模拟交通灯，缺乏路口情景，没有交互接口，难以设置情景模式，如设置行人呼叫、倒计时显示、修改通行时间等。该实验的功能单一，实验内容简单枯燥，难以激发学生学习积极性。

虚拟仿真平台为学生提供了接近真实情景环境的三维模型，如图1所示。模型中可自由配置、修改I/O端口，方便设置情景模式，以实现不同功能。

图1 十字路口交通灯模型

三维模型建立后，学生可根据实验要求编写PLC控制程序，实现交通灯控制时序，并利用虚拟控制器进行功能测试，调试过程与实物pLC类似，可打开程序状态监控、变量列表等窗口观察程序运行情况，如图2所示。

图2 虚拟控制器程序状态监控画面

基于虚拟仿真平台的交通灯实验，可以让学生深入了解pLC的控制原理，掌握编程、调试技巧，并能全方位立体观察实验结果和检验程序的合理性。

2.2 货物自动分拣实验

货物自动分拣系统是工业自动化的典型应用，主要实现对不同颜色、形状和材质货物的自动整理归类。货物分拣系统主要结构包括电源模块、可编程控制器模块、变频器模块、上料机构、皮带传送机构、传感器、搬运机械手及分类仓储机构等。系统工作时，若光电传感器检测到货物，则推料气缸动作，将货物推送至传送带上，传送带由三相异步电机带动，其启动、停止、调速受变频器控制。货物在传送带的带动下，依次经过电感、电容和色标传感器，由传感器向控制器上传货物属性。当货物到达终点时，机械手夹起货物并放到运料小车上，运料小车将货物送至预设的货槽口，并由气缸推送至货槽内，从而完成一次货物分拣［10］。

传统货物分拣系统设备昂贵，机械结构复杂，接线较多，传感器、机械手和气缸等部件容易损坏，极易影响实验进度和效果。在虚拟仿真平台中建立电机、气缸、传送带、传感器等主要部件的三维模型，以此组建系统仿真模型，可真实模拟实际工作场景，模型可重复利用，极大丰富了教学资源，并可有效避免设备故障问题，便于学生集中精力设计控制程序并调试，从而提高学习效率。

在VUP中搭建货物自动分拣系统的仿真模型，设计相应控制程序并展开实验，如图3所示。仿真结果表明，传感器、电机、气缸等模型工作正常，整个仿真系统工作稳定，能有效实现不同属性货物的自动分拣，较好模拟了传统实验装置的功能。此外，模型更改方便，针对不同实验内容便于修改。

图3 货物自动分拣系统运行画面

2.3 三相交流异步电机控制实验

三相交流异步电机在机电一体化设备中应用较多，开展三相交流异步电机的控制实验，有助于学生了解电机结构、电力拖动原理以及三相交流电的基本知识。电机控制实验较多，包括电机正反转控制、定子串电阻降压起动、Y/△降压起动、能耗制动和反接制动等实验。传统实验平台以LED亮灭模拟交流电路通断以及电机正反转，不够直观，教学效果不理想。若用真实三相异步电机作为负载，则需进行实物接线，电机运行过程也存在安全隐患。

鉴于此，利用VUP支持电路仿真的特点，在虚拟仿真平台建立三相异步电机、继电器、按钮开关等3D模型，并设计相应控制电路，从而开发出如三相异步电机正反转及反接制动的三相异步电机系列控制实验，如图4所示。

图4 三相异步电机正反转及反接制动仿真界面

实验中，学生可通过鼠标直接或者编程控制相应按钮开关，实现电机正反转控制。学生可通过画面直观感受电机转动及转速变化情况，并通过电路仿真界面实时观测三相交流电路的通断情况，从而加深对控制电路工作原理的认识。实验即保证了真实操作，也不用担心任何危险事故发生。

3 虚拟仿真平台的应用拓展

电子科技大学机械电子工程学院组建的基于VUP的虚拟仿真平台，是一款功能强大的机电一体化仿真平台，可开展机电一体化的各项实验课程，如电工电子、数字电路、气动液压、产品设计与自动化控制、程序优化和故障排除等。由于平台自带虚拟控制器，并支持外接实物控制器，如PLC、单片机等，因此可广泛应用于程序正确性检测、竞赛、PLC教学、开放性实验、创新大赛、毕业设计和课程设计等方面。

除了教学，虚拟仿真平台还可用于商业领域，如课题开展、商业项目研发、设备产品设计、虚实结合、作业仿真、系统优化、方案改进、虚拟调试、工业4.0智能工厂，以及实际系统的可行性验证等。

4 结束语

基于VUP的虚拟仿真平台，应用于机电一体化实验教学中，仿真实验可以生动、形象地还原机电设备工作场景，便于学生直观了解机电一体化系统结构及工作原理。三维模型的逼真动作，可以真实反映系统的工作性能，从而较好地检验控制程序的正确性。同时仿真实验还可弥补传统实验方法的不足，对于一些不能或不便于用实际设备演示的实验项目，借助仿真实验分析，不仅可减少实物实验设备和耗材费用，也使学生能够更深入地理解和掌握理论知识，提高学习效果［11］。

虚拟仿真平台不但提供基本实验例程，更是一个自主开发平台。学生可利用Solidworks、VUP等工具，自主开展灵活多样的机电模型和程序设计，在加深对基础知识理解的同时，激发自身创造力，培养工程实践能力，其意义远远超出实验本身。鉴于此，虚拟仿真技术在高校实验教学中的作用将日渐突出，并将成为教学改革的一个新方向。

［1］徐章锁.基于虚拟原型的机电一体化建模与仿真技术研究［D］.陕西:西安电子科技大学，2013.

［2］王宣银，陶国良，陈鹰.机电一体化的创新及发展方向［J］.机电一体化，2000（6）:5-8.

［3］方贵盛.机电一体化专业实验室建设与管理［J］.实验室研究与探索，2011，30（12）:212-216.

［4］程思宁，耿强，姜文波，等.虚拟仿真技术在电类实验教学中的应用与实践［J］.实验室研究与探索，2013，30（7）:94-97.

［5］刘琼，何洁凝，关冠恒，等.虚拟仿真实验室对教学的作用研究［J］.中国教育学刊，2015，3（18）: 318-319.

［6］叶建海，张营营.虚拟仿真技术在实训中的应用［J］.黄河水利职业技术学院学报，2011，23（4）:58-59.

［7］吕明珠.虚拟仿真技术在液压与气动实验教学中的应用［J］.实验技术与管理，2015，32（4）:144-146.

［8］张敬南，张镠钟.实验教学中虚拟仿真技术应用的研究［J］.实验技术与管理，2013，30（12）:101-104.

［9］王瑾，袁战军.虚拟仿真技术在单片机课程教学中的应用［J］.电子设计工程，2016，24（1）:45-48.

［10］李晓宁.电工电气技术实训指导书［M］.北京:国防工业出版社，2015.

［11］蔡卫国.虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用［J］.实验室研究与探索，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

刘 洋（1989-），男，硕士，助理工程师，主要从事电力电子与电力传动方面的研究。