基于Irai的加工生產線設備虛實結合仿真系統設計與實現

顏昕博　王珠潔　鄒曜暉

摘??要：現如今，虛擬現實技術正漸漸融入到了我們生活;而傳統意義的自動化生產線由于體積過大，成本過于昂貴，不適用于實際教學。故本文針對工科實訓教學中所出現的訓練設備較少且訓練項目單一，學生不能將學到的技能與企業實際生產對接等問題，將現實操作技術與虛擬機構相互結合，提出了一種以Irai軟件為載體，用外部真實的電氣線路（如單片機等）來控制虛擬的復雜的機械結構;將所繪三維模型作為虛擬被控對象，構建出了高度仿真的自動化生產線（GF）三維模型。

關鍵詞：虛實結合仿真系統;自動化加工生產線;單片機;Irai

1研究背景

目前，自動化加工生產線在機械制造行業中占有極其重要的地位;但由于學校本身資金、技術、空間和企業合作等一系列的外界環境因素的限制，學校無法為學生提供所開設專業和各類企業的不同設備，所以阻礙了實訓教學的發展;同時，為貫徹落實國家教育部在《關于全面提高高等職業教育教學質量的若干意見》中提出的：要充分利用現代信息技術，開發虛擬工廠、虛擬車間、虛擬工藝、虛擬實驗[1];故結合虛擬現實技術在實驗教學中的應用，借助在PC機上所構建的真實設備的三維模型，通過虛擬控制平臺與外部電氣線路的通信，實現PLC對于所創建的虛擬對象的控制，快速的建立起自動化系統的三維交互式仿真模型[2]。

2?三維建模建立

2.1?建立三維模型

由于被控制的主體是我們所設計的機械模型，所以仿真的第一步就是使用合適的三維建模軟件來設計和繪制機械機構的三維模型。本文GF生產線為例，闡述使用Irai軟件進行機構的運動與仿真的設計全過程。

首先，給定工業自動生產線模型。觀察實際工業自動生產線的整個運輸加工過程。根據觀察得知，整個生產線主要動作是通過機械臂來實現的。工業機械臂在工作過程中是由一個初始位置開始，沿機械運動軌道到達刀架，料架位置，使機械臂在料架位置完成抓取動作，然后沿軌道向前移動來到機械加工單元位置，送料加工。隨后機械臂回到刀架位置，抓取電極，沿軌道移動至電加工單元，進行電極裝夾。待機械加工單元完畢，通過機械臂將工件取出移動至電加工單元，進行工件精加工，待加工完畢。通過機械臂取出工件沿軌道移動至三坐標工作臺進行工件精度檢測，檢測完畢抓取工件返回料架區域，完成整個加工作業。

第二步，了解工業自動化生產線的整體結構。根據結構找到真實的自動化生產線，對其進行測繪。

第三步，計算分析軌道在承載機械臂的受力情況和機械臂在抓取時的受力情況;根據其所受力的情況確定主軸尺寸與電機規格。

第四步，計算傳動裝置的動力參數。對絲杠傳動進行校核計算。

第五步，設計其他各個零部件，如聯軸器，電機座的設計與校核。

第六步，工業自動化生產線模型運動學仿真驗證，通過分析驗證模型的能動性，及時發現運動中是否有干涉，并進行修正。優化設計結構，避免部分連接產生應力集中等現象。

2.2?VU?Pro中的三維模型

VU?Pro是Irai的主體平臺。在其所提供的環境和平臺下，對三維模型的具體運動情況進行仿真，驗證三維模型設計的準確性[2]。有了Irai軟件，工業裝備及自動化系統的設計開發人員就能在逼真并且交互式的三維虛擬環境下對其產品進行檢驗，并實時監控模擬設備的運動[3];達到外部真實的電氣線路控制虛擬的三維仿真模型，實現在完全虛擬的情況下，模擬真實的加工，做到無成本調試;一方面排除了生產加工過程中的安全隱患，一方面又提高了操作的可靠性與真實性，讓學生們體驗到更為真實的生產環境，熟練真實加工時的步驟。

2.3?繪制三維模型

由于VU?Pro中，被控主體是自動化生產線模型，故進行仿真的第一步：使用合適的三維建模軟件，來對本生產線的機械結構進行設計與繪制?[3]。在此，我們選擇使用SolidWorks軟件對其進行三維模型的繪制，按照一定的比例建模。通過繪制、裝配得到本自動化生產線的三維實體造型。

3.設計智能3D資源和系統

Irai軟件中的三維模型其相對位置是通過相對坐標而定義的。這里的相對是相對于軟件基體元件而言的。所以每一個新的三維模型導入Irai軟件時，每個元件都有一組默認的局部坐標系（相對于基體元件的位置）下的空坐標位置。

為調整三維模型在Irai軟件中的位置，可以通過調整導入軟件中的模型各元件上所附加的XYZ箭頭來改變。如若需要調整三維元件的大小，則可改變該元件設置中的尺寸數值。

在軟件中設置三維模型的動作，賦予每個三維元件智能化，這樣一來，Irai軟件中的三維模型就具有智能性，并且可以與其他的3D資源進行通訊，或者可以與外部器件進行通訊，實現仿真運動過程。

在這里我們使用PLC作為腳本編輯器[4]，常用來作為模擬資源的主控制器。在利用PLC編輯指令時，首先要做的事情就是確定各個元件之間的運動關系，確定其中一個主要作為基體（父級），其余元件（子級）的運動都是圍繞這個中心元件的動作來動作，實現整個三維模型的仿真運動，即父子級別關系的設置。

4.Irai與PLC的通訊

Irai軟件是利用內部的A8軟件與外部的PLC實現通訊的，在GF仿真當中，使用的是西門子S7-200PLC。首先我們需要將A8軟件中的通訊地址與PLC保持相同，然后將PLC中設定的各個元件的運動程序與三維模型中所設定的運動端口結合起來，給三維模型的屬性中添加一個外部連接，在外部連接中選擇一種連接器（驅動），來實現與外部軟件/控制器（PLC）的連接配置[4]。通訊成功后，就可以在Irai軟件中進行對生產線的動作測試。

5總結

本實例目前的特點有：

（1）利用仿真軟件對機械結構進行教學演示使教學生動形象;

（2）通過真實的PLC控制系統，控制虛擬的機械結構運動，實現機電一體化過程;

（3）虛擬機械結構降低了制造實體教具的成本;

（4）通過低電壓按鈕控制和電腦操作實現機械結構的演示，保證教學過程的安全性。

參考文獻

[1]??劉繼光，袁浩，汪澤，王玥.基于Irai的啤酒生產線虛擬控制平臺設計與實現[J].實驗技術與管理，2015，32（6）：123-127.

[2]??徐進.2013年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作小結及2014年申報建議[J].實驗室研究與探索，2014，33（8）：1-5.

[3]??Virtual?Universe?Pro?V2用戶手冊[M].北京.2013

[4]??羅俊，朱洪杰.PLC可編程控制技術課程的教學改革與探索[J].西部素質教育，2016（10）：37-39.

資助項目編號：國家級創新訓練項目201810066014