颜昕博　王珠洁　邹曜晖

摘  要：现如今，虚拟现实技术正渐渐融入到了我们生活;而传统意义的自动化生产线由于体积过大，成本过于昂贵，不适用于实际教学。故本文针对工科实训教学中所出现的训练设备较少且训练项目单一，学生不能将学到的技能与企业实际生产对接等问题，将现实操作技术与虚拟机构相互结合，提出了一种以Irai软件为载体，用外部真实的电气线路（如单片机等）来控制虚拟的复杂的机械结构;将所绘三维模型作为虚拟被控对象，构建出了高度仿真的自动化生产线（GF）三维模型。

关键词：虚实结合仿真系统;自动化加工生产线;单片机;Irai

1研究背景

目前，自动化加工生产线在机械制造行业中占有极其重要的地位;但由于学校本身资金、技术、空间和企业合作等一系列的外界环境因素的限制，学校无法为学生提供所开设专业和各类企业的不同设备，所以阻碍了实训教学的发展;同时，为贯彻落实国家教育部在《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》中提出的：要充分利用现代信息技术，开发虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验[1];故结合虚拟现实技术在实验教学中的应用，借助在PC机上所构建的真实设备的三维模型，通过虚拟控制平台与外部电气线路的通信，实现PLC对于所创建的虚拟对象的控制，快速的建立起自动化系统的三维交互式仿真模型[2]。

2 三维建模建立

2.1 建立三维模型

由于被控制的主体是我们所设计的机械模型，所以仿真的第一步就是使用合适的三维建模软件来设计和繪制机械机构的三维模型。本文GF生产线为例，阐述使用Irai软件进行机构的运动与仿真的设计全过程。

首先，给定工业自动生产线模型。观察实际工业自动生产线的整个运输加工过程。根据观察得知，整个生产线主要动作是通过机械臂来实现的。工业机械臂在工作过程中是由一个初始位置开始，沿机械运动轨道到达刀架，料架位置，使机械臂在料架位置完成抓取动作，然后沿轨道向前移动来到机械加工单元位置，送料加工。随后机械臂回到刀架位置，抓取电极，沿轨道移动至电加工单元，进行电极装夹。待机械加工单元完毕，通过机械臂将工件取出移动至电加工单元，进行工件精加工，待加工完毕。通过机械臂取出工件沿轨道移动至三坐标工作台进行工件精度检测，检测完毕抓取工件返回料架区域，完成整个加工作业。

第二步，了解工业自动化生产线的整体结构。根据结构找到真实的自动化生产线，对其进行测绘。

第三步，计算分析轨道在承载机械臂的受力情况和机械臂在抓取时的受力情况;根据其所受力的情况确定主轴尺寸与电机规格。

第四步，计算传动装置的动力参数。对丝杠传动进行校核计算。

第五步，设计其他各个零部件，如联轴器，电机座的设计与校核。

第六步，工业自动化生产线模型运动学仿真验证，通过分析验证模型的能动性，及时发现运动中是否有干涉，并进行修正。优化设计结构，避免部分连接产生应力集中等现象。

2.2 VU Pro中的三维模型

VU Pro是Irai的主体平台。在其所提供的环境和平台下，对三维模型的具体运动情况进行仿真，验证三维模型设计的准确性[2]。有了Irai软件，工业装备及自动化系统的设计开发人员就能在逼真并且交互式的三维虚拟环境下对其产品进行检验，并实时监控模拟设备的运动[3];达到外部真实的电气线路控制虚拟的三维仿真模型，实现在完全虚拟的情况下，模拟真实的加工，做到无成本调试;一方面排除了生产加工过程中的安全隐患，一方面又提高了操作的可靠性与真实性，让学生们体验到更为真实的生产环境，熟练真实加工时的步骤。

2.3 绘制三维模型

由于VU Pro中，被控主体是自动化生产线模型，故进行仿真的第一步：使用合适的三维建模软件，来对本生产线的机械结构进行设计与绘制 [3]。在此，我们选择使用SolidWorks软件对其进行三维模型的绘制，按照一定的比例建模。通过绘制、装配得到本自动化生产线的三维实体造型。

3.设计智能3D资源和系统

Irai软件中的三维模型其相对位置是通过相对坐标而定义的。这里的相对是相对于软件基体元件而言的。所以每一个新的三维模型导入Irai软件时，每个元件都有一组默认的局部坐标系（相对于基体元件的位置）下的空坐标位置。

为调整三维模型在Irai软件中的位置，可以通过调整导入软件中的模型各元件上所附加的XYZ箭头来改变。如若需要调整三维元件的大小，则可改变该元件设置中的尺寸数值。

在软件中设置三维模型的动作，赋予每个三维元件智能化，这样一来，Irai软件中的三维模型就具有智能性，并且可以与其他的3D资源进行通讯，或者可以与外部器件进行通讯，实现仿真运动过程。

在这里我们使用PLC作为脚本编辑器[4]，常用来作为模拟资源的主控制器。在利用PLC编辑指令时，首先要做的事情就是确定各个元件之间的运动关系，确定其中一个主要作为基体（父级），其余元件（子级）的运动都是围绕这个中心元件的动作来动作，实现整个三维模型的仿真运动，即父子级别关系的设置。

4.Irai与PLC的通讯

Irai软件是利用内部的A8软件与外部的PLC实现通讯的，在GF仿真当中，使用的是西门子S7-200PLC。首先我们需要将A8软件中的通讯地址与PLC保持相同，然后将PLC中设定的各个元件的运动程序与三维模型中所设定的运动端口结合起来，给三维模型的属性中添加一个外部连接，在外部连接中选择一种连接器（驱动），来实现与外部软件/控制器（PLC）的连接配置[4]。通讯成功后，就可以在Irai软件中进行对生产线的动作测试。

5总结

本实例目前的特点有：

（1）利用仿真软件对机械结构进行教学演示使教学生动形象;

（2）通过真实的PLC控制系统，控制虚拟的机械结构运动，实现机电一体化过程;

（3）虚拟机械结构降低了制造实体教具的成本;

（4）通过低电压按钮控制和电脑操作实现机械结构的演示，保证教学过程的安全性。

参考文献

[1]  刘继光，袁浩，汪泽，王玥.基于Irai的啤酒生产线虚拟控制平台设计与实现[J].实验技术与管理，2015，32（6）：123-127.

[2]  徐进.2013年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作小结及2014年申报建议[J].实验室研究与探索，2014，33（8）：1-5.

[3]  Virtual Universe Pro V2用户手册[M].北京.2013

[4]  罗俊，朱洪杰.PLC可编程控制技术课程的教学改革与探索[J].西部素质教育，2016（10）：37-39.

资助项目编号：国家级创新训练项目201810066014