基于VUP的物料分揀虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳勇強(qiáng) 趙軍濤

[摘 要] 為應(yīng)對(duì)疫情期實(shí)驗(yàn)室上機(jī)實(shí)驗(yàn)操作無法開展以及實(shí)驗(yàn)室條件受限，缺乏大型真實(shí)工業(yè)設(shè)備的問題，采用Solidworks軟件和VUP虛擬仿真工具，模擬實(shí)際物料分揀制造單元，開發(fā)相應(yīng)的虛擬仿真系統(tǒng)。給出了系統(tǒng)的三維模型創(chuàng)建流程;描述了模型的仿真動(dòng)作和實(shí)現(xiàn)過程。虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用能有效增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)感和趣味性，為解決學(xué)生的遠(yuǎn)程線上實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)提供參考思路。

[關(guān)鍵詞] 虛擬仿真;VUP軟件;三維建模;物料分揀系統(tǒng)

[基金項(xiàng)目] 2020年度電子科技大學(xué)新工科課程體系建設(shè)項(xiàng)目“基于項(xiàng)目的電氣工程專業(yè)新工科實(shí)驗(yàn)課程體系建設(shè)”（2020NEESC013）

[作者簡(jiǎn)介] 陳勇強(qiáng)（1977—），男，湖北荊門人，博士，電子科技大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事智能電氣技術(shù)及工程裝備技術(shù)教學(xué)與研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）38-0385-02? ? [收稿日期] 2020-07-11

虛擬仿真以數(shù)字化方式復(fù)制一個(gè)物理對(duì)象，模擬對(duì)象在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為。虛擬仿真技術(shù)最早源于理工科類院校的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，如麻省理工學(xué)院的微電子在線實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校開發(fā)的StarCAVE虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、美國(guó)休斯頓大學(xué)的虛擬物理實(shí)驗(yàn)室以及加拿大維多利亞大學(xué)建設(shè)的3D實(shí)驗(yàn)室和人類學(xué)創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室[1，2]。

疫情期間，如何有效地開展線上的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個(gè)值得深入探索的問題。虛擬仿真技術(shù)為解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備的缺乏提供了技術(shù)手段。本文擬針對(duì)我校工程訓(xùn)練中心的光機(jī)電一體化自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物設(shè)備功能，開發(fā)一套虛擬仿真模型，形象逼真地再現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化生產(chǎn)線的供料、搬運(yùn)、分揀的生產(chǎn)全過程[3]。

一、虛擬仿真對(duì)象簡(jiǎn)介

物料分揀實(shí)驗(yàn)臺(tái)由三個(gè)站點(diǎn)單元組成：第一站回轉(zhuǎn)攪拌供料單元、第二站機(jī)械手搬運(yùn)單元以及第三站傳送帶分揀單元?；剞D(zhuǎn)攪拌供料單元機(jī)械部分主要包括供料盤、攪拌舌和檢測(cè)開關(guān)支架，功能是將待分揀物料自動(dòng)送達(dá)出料口;機(jī)械手搬運(yùn)單元主要機(jī)電對(duì)象是一個(gè)四自由度的氣動(dòng)機(jī)械手，主要負(fù)責(zé)將物料從出料口處抓取至第三站的傳送帶上。傳送帶物料分揀單元機(jī)械部分主要包括儲(chǔ)料倉、氣動(dòng)推桿以及傳送帶，負(fù)責(zé)將物料按不同的屬性進(jìn)行分倉存儲(chǔ)。

二、Solidworks物理模型創(chuàng)建

利用Solidworks三維機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，可以創(chuàng)建實(shí)際三個(gè)站點(diǎn)的三維機(jī)械模型。首先將各個(gè)站點(diǎn)的物理對(duì)象分解為若干機(jī)械零部件，建立各部件的2D草圖;然后對(duì)部件進(jìn)行裝配，創(chuàng)建裝配體文件。文件中定義了構(gòu)成裝配體的各零部件之間的幾何約束關(guān)系。最后生成模型工程圖。將實(shí)體模型的尺寸和公差信息添加到工程圖中，得到系統(tǒng)的三維機(jī)械結(jié)構(gòu)模型。

三、虛擬模型搭建

VUP三維虛擬仿真軟件工具主要面向工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。借助可重復(fù)利用和二次開發(fā)的CAD模型，可以快速創(chuàng)建一個(gè)交互式的3D仿真對(duì)象（虛擬模型）[4]。利用VUP開發(fā)虛擬模型的一般步驟如下：

1.建立3D模型組件。一般常見的工業(yè)對(duì)象可以在VUP提供的模型庫中查找和調(diào)用，例如滾輪式傳送帶、箱體、指示燈等。定制化的工業(yè)對(duì)象需要預(yù)先采用Solidworks等專用軟件生成3D模型（見第2節(jié)所述），再將該3D模型導(dǎo)入到VUP，用來構(gòu)成3D仿真器的3D資源組件。

2.元件屬性配置。該步包括修改元件的名稱、位置、尺寸、材質(zhì)、材料和物理屬性等，物理屬性包括重力、用戶施加力、形體類型、質(zhì)量、系數(shù)（決定靜摩擦力和動(dòng)摩擦力、彈力和靜止的柔性系數(shù)）、穿透以及與父級(jí)間的物理關(guān)節(jié)（鉸鏈、滑塊和滑輪等）。

3.元件“動(dòng)作”添加。為使3D對(duì)象能夠模擬現(xiàn)實(shí)中的行為，比如虛擬仿真器下的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器，需要為元件添加相應(yīng)的行為“動(dòng)作”。這些行為主要有兩種定義方式，一是在VUP中已經(jīng)預(yù)定義好的，二是用戶可以使用腳本編輯器去創(chuàng)建的個(gè)性化的動(dòng)作或腳本。本設(shè)計(jì)中用到的動(dòng)作主要有通用讀取和寫入、速度、相對(duì)速度、角速度、沿某坐標(biāo)軸移動(dòng)、繞某坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)、執(zhí)行一個(gè)腳本、吸附接觸對(duì)象、檢測(cè)與其他對(duì)象的碰撞、讀取碰撞對(duì)象編號(hào)、檢測(cè)元件位置、獲取信息、凍結(jié)、PID調(diào)節(jié)器等。

4.仿真運(yùn)行。仿真器可以在內(nèi)部構(gòu)建虛擬控制器，也可以連接外部虛擬或者實(shí)際控制器，比如PLC，之后可以添加人機(jī)交互界面，進(jìn)行聯(lián)合仿真。在仿真調(diào)試時(shí)，可以隨時(shí)觀測(cè)到3D仿真器的性能，以便于不斷去優(yōu)化虛擬模型。

四、虛擬模型仿真運(yùn)行

利用VUP軟件開發(fā)的物料分揀制造單元虛擬仿真模型如下圖所示。在對(duì)虛擬物料分揀系統(tǒng)進(jìn)行三維虛擬視景建模之后，在VUP中綁定相關(guān)動(dòng)作值和連接外部控制器，虛擬物料分揀系統(tǒng)便具有較強(qiáng)的人機(jī)交互性和仿真真實(shí)性。

虛擬模型在機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用分為幾種場(chǎng)景。場(chǎng)景1、教學(xué)演示。實(shí)驗(yàn)室不具備大型復(fù)雜機(jī)電一體化對(duì)象的實(shí)物設(shè)備條件時(shí)，實(shí)驗(yàn)講解中可通過虛擬模型演示工業(yè)對(duì)象的工作原理，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。

場(chǎng)景2、實(shí)驗(yàn)室上機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生在實(shí)物調(diào)試之前，可通過虛擬模型驗(yàn)證電控設(shè)計(jì)程序的邏輯是否正確?？捎行Ы档蛯W(xué)生誤操作引起的實(shí)驗(yàn)設(shè)備受損率。

場(chǎng)景3、疫情期無法正常上機(jī)時(shí)，將虛擬模型代替真實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，利用虛擬模型開展遠(yuǎn)程線上學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)。

五、結(jié)論

本文結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，對(duì)我機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了虛擬建模和仿真運(yùn)行，并探討了幾種虛擬仿真教學(xué)方式對(duì)傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式不足之處的彌補(bǔ)場(chǎng)景，為疫情期的高校線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作開展提供參考思路。

參考文獻(xiàn)

[1]王衛(wèi)國(guó)，胡今鴻，劉宏.國(guó)外高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34（5）：214-219

[2]吳涓，孫岳民，雷威，等.東南大學(xué)機(jī)電綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)規(guī)劃思路與進(jìn)展[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，（10）：5-9

[3]陳毓莉，陳松茂，楊林豐，等.基于虛擬仿真技術(shù)的plc實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與實(shí)踐[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2018，（02）：89-92.

[4]許雯娜，王春，唐龍，等.全虛擬plc實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35（3）：102-105

Design of Virtual Simulation System for Material Sorting Based on VUP

CHEN Yong-qiang，ZHAO Jun-tao

（School of Mechanical and Electrical Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu，Sichuan 611731，China）

Abstract：In order to deal with the problems such as the inability to carry out laboratory experiments on the computer during the epidemic period，the limited laboratory conditions and the lack of large-scale real industrial equipment，SolidWorks software and VUP virtual simulation tool are used to simulate the actual material sorting manufacturing unit，and the corresponding virtual simulation system is developed.The process of 3D model creation is given，and the simulation action and implementation process of the model are described.The application of virtual simulation technology in experiment teaching can effectively enhance the experience and interest of experiments，and provide reference ideas for students' remote online experiment course learning.

Key words：virtual simulation;VUP software;three-dimensional modeling;material sorting system