基于VUP的物料分揀虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計

陳勇強 趙軍濤

[摘 要] 為應(yīng)對疫情期實驗室上機實驗操作無法開展以及實驗室條件受限，缺乏大型真實工業(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作和實現(xiàn)過程。虛擬仿真技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用能有效增強實驗的體驗感和趣味性，為解決學(xué)生的遠(yuǎn)程線上實驗課程學(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)

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

[作者簡介] 陳勇強（1977—），男，湖北荊門人，博士，電子科技大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院高級實驗師，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] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 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)制一個物理對象，模擬對象在現(xiàn)實環(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驗課程教學(xué)，如麻省理工學(xué)院的微電子在線實驗室、美國加州大學(xué)圣迭戈分校開發(fā)的StarCAVE虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、美國休斯頓大學(xué)的虛擬物理實驗室以及加拿大維多利亞大學(xué)建設(shè)的3D實驗室和人類學(xué)創(chuàng)客實驗室[1，2]。

疫情期間，如何有效地開展線上的實驗教學(xué)是一個值得深入探索的問題。虛擬仿真技術(shù)為解決實驗設(shè)備的缺乏提供了技術(shù)手段。本文擬針對我校工程訓(xùn)練中心的光機電一體化自動化綜合實驗臺實物設(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)場自動化生產(chǎn)線的供料、搬運、分揀的生產(chǎn)全過程[3]。

一、虛擬仿真對象簡介

物料分揀實驗臺由三個站點單元組成：第一站回轉(zhuǎn)攪拌供料單元、第二站機械手搬運單元以及第三站傳送帶分揀單元。回轉(zhuǎn)攪拌供料單元機械部分主要包括供料盤、攪拌舌和檢測開關(guān)支架，功能是將待分揀物料自動送達(dá)出料口;機械手搬運單元主要機電對象是一個四自由度的氣動機械手，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械部分主要包括儲料倉、氣動推桿以及傳送帶，負(fù)責(zé)將物料按不同的屬性進(jìn)行分倉存儲。

二、Solidworks物理模型創(chuàng)建

利用Solidworks三維機械結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，可以創(chuàng)建實際三個站點的三維機械模型。首先將各個站點的物理對象分解為若干機械零部件，建立各部件的2D草圖;然后對部件進(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)建一個交互式的3D仿真對象（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)（決定靜摩擦力和動摩擦力、彈力和靜止的柔性系數(shù)）、穿透以及與父級間的物理關(guān)節(jié)（鉸鏈、滑塊和滑輪等）。

3.元件“動作”添加。為使3D對象能夠模擬現(xiàn)實中的行為，比如虛擬仿真器下的執(zhí)行機構(gòu)和傳感器，需要為元件添加相應(yīng)的行為“動作”。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)建的個性化的動作或腳本。本設(shè)計中用到的動作主要有通用讀取和寫入、速度、相對速度、角速度、沿某坐標(biāo)軸移動、繞某坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)、執(zhí)行一個腳本、吸附接觸對象、檢測與其他對象的碰撞、讀取碰撞對象編號、檢測元件位置、獲取信息、凍結(jié)、PID調(diào)節(jié)器等。

4.仿真運行。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際控制器，比如PLC，之后可以添加人機交互界面，進(jìn)行聯(lián)合仿真。在仿真調(diào)試時，可以隨時觀測到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)動作值和連接外部控制器，虛擬物料分揀系統(tǒng)便具有較強的人機交互性和仿真真實性。

虛擬模型在機電一體化實驗教學(xué)中的應(yīng)用分為幾種場景。場景1、教學(xué)演示。實驗室不具備大型復(fù)雜機電一體化對象的實物設(shè)備條件時，實驗講解中可通過虛擬模型演示工業(yè)對象的工作原理，增強學(xué)生的感性認(rèn)識。

場景2、實驗室上機實驗時，學(xué)生在實物調(diào)試之前，可通過虛擬模型驗證電控設(shè)計程序的邏輯是否正確。可有效降低學(xué)生誤操作引起的實驗設(shè)備受損率。

場景3、疫情期無法正常上機時，將虛擬模型代替真實的實驗設(shè)備，利用虛擬模型開展遠(yuǎn)程線上學(xué)習(xí)和實驗。

五、結(jié)論

本文結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，對我機電一體化實驗設(shè)備進(jìn)行了虛擬建模和仿真運行，并探討了幾種虛擬仿真教學(xué)方式對傳統(tǒng)實物實驗教學(xué)模式不足之處的彌補場景，為疫情期的高校線上實驗教學(xué)工作開展提供參考思路。

參考文獻(xiàn)

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

[2]吳涓，孫岳民，雷威，等.東南大學(xué)機電綜合虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)規(guī)劃思路與進(jìn)展[J].實驗技術(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實驗教學(xué)研究與實踐[J].機械制造與自動化，2018，（02）：89-92.

[4]許雯娜，王春，唐龍，等.全虛擬plc實驗教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)[J].實驗室研究與探索，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