《机电传动控制》虚实实验教学研究与实践

周海燕 刘英 缑斌丽 杨雨图

摘要：介绍虚拟实验和传统真实实验的优缺点，提出了将机电传动控制实验课程采用虚实结合实验方式。利用Irai仿真软件，构建虚实实验平台。最后通过举例铣床电气控制实验，得出虚实结合实验的优点。

关键词：虚实结合；课程实验；虚拟软件

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）15-0269-02

一、引言

《机电传动控制》是机械电子工程的一门专业特色课，本课程讲述机械设备电气控制系统原理及典型控制电路、电气控制线路设计方法，调速系统原理和控制线路，可编程控制器的工作原理和编程方法，以及在机械控制上的应用。机电传动控制实验是该课程教学中的重要实践环节，其目的是培养学生们在机械电子、电气控制等方面的实际应用能力和动手能力，也有利于学生们对技术理论知识有更深刻理解。然而，陈旧的实验内容，更新缓慢的实验设备，有限的实验资源，以及难度较大的实验项目或者有一定危险性的实验项目无法开展，制约了我们实验教学的开展，使得我们出现实验教学效果比较差，甚至实验教学质量不达标的现象。实验拥有的经济性、灵活性优势和传统真实实验拥有的实践性和真实性结合起来，构成虚实实验系统，不仅提高了实验教学的先进性，而且增强了实验教学的灵活性。

二、虚实结合实验

老师给学生不断创造克服困难的机会，来提高学生解决实际困难的能力，这是在虚拟实验中提供不了的。利用虚拟仿真系统构建虚拟实验平台，实现虚拟实验对象的构造，模拟工控对象，如《机电传动控制》实验教学需要配置各种典型的工业控制对象，如车床、铣床、某产品制造流水线等设备，虚拟仿真系统可以很好地避免实验室面积要求及后期设备的维护等等缺点。真实提供外部控制板和必要的电器元器件，学生实际操作进行实物线路连接，再通过虚实连接装置，实现控制虚拟模型的运动，仿照工程设备的工作过程。将虚拟实验和真实实验结合起来，让他们优势互补，实验结果虚拟化，实验过程真实化，提升《机电传动控制》课程的教学效果，提高学生的工程实践能力。

三、虚实实验系统设计

Irai公司研发的一款功能强大的机电一体化仿真软件，集合气动液压、电工电子、数字电路、机械设计、机械自动化等多学科领域知识，实现功能多元化的仿真系统。Irai包含Automgen与Vitural Universe Pro两平台，Automgen可以使用标准编程语言来编写程序，支持同各种类型的PLC进行通讯，将程序代码下载到PLC中，利用实际PLC控制Automgen中的虚拟对象，除PLC以外，Arduino，PIC单片机等控制端也能与Automgen进行通讯。VIRTUAL UNIVERSE PRO 能够在3D环境下进行带有物理属性的仿真，支持3D软件直接导入，在这平台上，我们可以对仿真的对象自由定义动作，配置I/O端口，支持外部PLC、单片机进行通讯控制。

《机电传动控制》实验系统中的虚拟模型开发借助于Irai仿真软件里的Vitural Universe Pro平台，设计逼真且交互式的三维虚拟环境。首先根据实验项目需求设计虚拟控制对象，可以通过Solidworks，Catia等三维软件对控制对象进行建模，将虚拟控制模型导入到Vitural Universe Pro平台，对3D模型元件的位置和尺寸进行修改，或者添加，并进行3D渲染和元件上物理现象（如重力、摩擦力、碰撞、受力）的设置。然后为元件添加相应的动作构建智能资源，使元件可以在3Dworld中移动，与其他3D资源交互，相互或者外部软件通讯，如动作可以被用来模拟自动化系统下运转部件的执行器和传感器。最后设置3D模型与外部的连接，在Universe下的“连接”标签页中，可以选择一种连接器（驱动）来实现与外部软件/控制器（PLC，PLC仿真器，OPC服务器）的連接配置，本设计的实验系统选择的是研华I/O板卡。与Vitural Universe Pro平台实现高性能的过程耦合、快速的画面更新，提供了形象逼真的虚拟演示画面。

本实验系统的主要工作原理，外部实物装置上的线路电气元器件启停信号，传递到虚实连接通讯装置（本实验系统采用的是研华板卡），板卡收集到信号，传递给Vitural Universe Pro平台上的虚拟软件，软件进行参数化运算，模型实现相应运动；模型中的运动状态改变（如达到限位开关），通过信号传递给研华板卡，再传达给外部实物控制电路，从而实现交互。通过虚拟软件和实物元器件构建的虚实实验平台不仅能够提供形象的被控制对象，展示直观的控制效果，而且具有良好的操作性和拓展性。

四、机电传动控制虚实实验教学案例

根据《机电传动控制》课程实验大纲要求，要开展三个综合性实验，三相异步电机制动实验，铣床电气控制实验，编程器的使用与基本逻辑指令的编程。下面以铣床电气控制为例。

实验目的用外部的控制电路来控制立式铣床模型动作，模拟实际立式铣床的加工过程。铣床实物接线电气控制原理图，要求实现的控制过程：

1.主轴电动机M1的控制。M1由交流接触器KM1控制，在机床的两个不同位置各安装了一套启动和停止按钮：SB2和SB6装在床身上，SB1和SB5装在升降台上。对M1的控制包括主轴的启动、制动、换刀制动和变速冲动。

2.进给运动控制。工作台的进给运动分为工作进给和快速进给，工作进给必须在M1启动运行后才能进行，而快速进给因属于辅助运动，可以在M1不启动的情况下进行。工作台在6个方向上的进给运动是由机械操作手柄运动带动相关的行程开关SQ3～SQ6，并通过接触器KM3、KM4动作来实现控制进给电动机M2正反转的。行程开关SQ5和SQ6分别控制工作台的向右和向左运动，而SQ3和SQ4则分别控制工作台的向前、向下和向后、向上运动。进给拖动系统使用的两个电磁离合器YC2和YC3都安装在进给传动链中的传动轴上。当YC2吸合而YC3断开时，为工作进给；当YC3吸合而YC2断开时，为快速进给。

3.圆工作台的控制。在需要加工弧形槽、弧形面和螺旋槽时，可以在工作台上加装圆工作台，圆工作台的回转运动也是由进给电动机M2来拖动的。在使用圆工作台时，将控制开关SA2扳至“接通”的位置，此时SA2-2接通而SA2-1、SA2-3断开。在主轴电动机M1启动的同时，KM3线圈经（13-15-17-19-29-27-23-25）的路径通电，使M2正转，带动圆工作台单向旋转运动。由KM3线圈的通电路径可见，只要扳动工作台进给操作的任何一个手柄，SQ3-SQ6其中一个行程开关的常闭触点就会断开，都会切断KM3线圈支路，使得工作台停止运动，从而保证了工作台的进给运动和圆工作台的旋转运动不会同时进行。

4.照明电路。照明灯EL由照明变压器YC3提供24V的工作电压，SA4为灯开关，FU5提供短路保护。实验准备工作，铣床模型三维图（根据铣床的工作特点，用Vitural Universe Pro平台建立铣床模型三维图，虚拟软件能够提供虚拟运动画面。虚实连接装置为外部控制线路提供接线平台，并连接研华控制板卡，传递信号给虚拟实验平台。根据铣床控制要求，学习设计电路，画出电路原理图。学生根据接线原理图连接实际外部控制线路，运用继电器构成控制系统。用pLc代替，铣床电气控制实验将外部控制电路和计算机仿真结合起来，构成了虚实实验平台。在平台上学生可以自主地进行实验操作，调动学生学习积极性和主动性。

五、结束语

从具体的铣床电气控制实验教学可知：虚实结合实验在硬件设施、安全系数、实验效果等方面均具有显著的优势。在硬件设施方面，虚拟的控制对象，可以节省大量的设备采购资金，只需提供需要配置的计算机；也为多组实验开展提供了足够的空间。在安全系数方面，虚拟设备在动作时可以完美避开实物設备在运行中可能出现的危险，而动作控制执行可由模型动画逼真的展现。在实验效果方面，学生通过实物实验板实际操作，掌握各个元器件的使用和操作，掌握机械设备电气控制系统原理及典型控制电路、电气控制线路设计方法，让每个学生自己动手，解决实际操作中出现的各种问题。通过实验，学生具备了一定的分析问题和解决问题的能力，具备一定的操作能力，来适应现代机电领域发展的需要。将虚拟实验具有的诸多优点，和实验较强的实践性结合起来，为实验教学开辟了新的路径。

参考文献：

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