试析三维虚拟现实机电设备控制仿真系统

高淑娟

摘 要：通过应用三维虚拟现实机电设备控制仿真系统，现实环境中的机电设备被植入虚拟环境中，这突破了人力、时间和资源等条件的限制，从而改善了学生的实训环境。

关键词：三维虚拟现实;机电设备;控制仿真系统

前言

在三维虚拟现实机电设备控制仿真系统中，上位机经RS232接入下位机嵌入式系统，通信采用了MODBUS协议。经论证，三维虚拟现实技术实现了将现实环境中的机电设备植入虚拟环境中，并支持对机电设备进行动态展示，这方便了学生从任一角度了解机电设备的结构，并突破了人力、时间和资源等条件的限制。总之，通过构建三维虚拟现实机电设备控制仿真系统，创建了一个主体为学生的教学实践环境，从而起到了实训成本低、实训条件好、教学过程优和教学效果好的效果。下面，笔者以XY数控工作台为例，浅析三维虚拟现实机电设备控制仿真系统。

一、三维虚拟现实机电设备控制仿真系统

（一）三维虚拟现实界面

XY数控工作台是刻字机、数控机床、包装制袋设备、机床加工设备、表明贴装设备等的基本部件。在XY数控工作台上，学生可以设计完成上位机可视化组态软件、单片机控制步进电机（伺服电机）、PLC程序、数控插补算法软件和进行预定轨迹实验，从而为学生综合实践训练创造极佳的环境。为了说明XY数控工作台虚拟现实仿真系统界面的制作过程，Z向使用画笔（一种模拟加工刀具）绘制预定的加工轨迹。研究表明，虚拟现实XY数控工作台具备XY数控工作台的实际功能，支持拆装XY数控工作台及对零部件进行三维展示，从而帮助了学生学习机电设备原理和完成设计。表1所示为XY数控工作台的参数设置与显示。

（二）三维虚拟设计

XY数控工作台三维虚拟设计的主要内容包括：

第一、制作零部件。首先，应用Solid-Works软件（三维机械设计CAD软件）制作设备的零部件，其后按照设备的装配关系，在Unity3D中导入制作成果。其中，Unity3D是一种新兴的虚拟现实技术，其支持在手机端、PC端展示设备的工作原理和开展实训，并实现了感官（触觉、听觉和视觉等）模拟，因此在跨平台开发中起到了重要的作用。

第二、编写软件。在三维虚拟现实机电设备控制仿真平台上，为了使其工作原理与实际设备相同，要求高度重视脚本程序设计。脚本程序设计采用了C#语言，其子程序主要包括：DeviceController.cs（工作台面上X、Y向变量控制）、ModBusProtocol.cs（校验编写CRC程序和功能码函数）、SericalPortListener.cs（设置串行口硬件参数、读取串行口数据及发送其子程序）、NetworkController.cs（设置服务器的端口、IP地址和编写子程序）、UdpListener.cs（启/闭UDP接收信息的线程和子程序）、ReGisters.cs（计算变量）和UIEvents.cs（设计仿真平台界面）。

（三）下位机I/O映射模块

为了有效控制机电虚拟现实设备，可以设计基于PLC或单片机的控制系统，同时可通过I/O口映射模块引出三维虚拟现实画面的测控信号，从而获得虚实相结合的效果。下位机的I/O口映射模块由光电隔离输入和输出I/O口、通信单元、微处理器单元组成。其中，CPU的芯片采用了STM32F103RCT6，其核心技术是ARMCortexTM处理器;RS232主要利用上位机的虚拟现实软件、MODBUS协议实现通信和传输测控信号;RS485实现了I/O口映射模块级联，以适应机电设备的复杂情况;光电隔离输出口可以输出传感器信号，同时光电隔离口可以实现驱动信号输入传输。在下位机I/O口映射模块中，STM32F103RCT6芯片应用了Keil ARM C进行语言编程。模块先从输入端口进行X、Y向脉冲输入信号读取，再用串行口中断函数进行上位机信息命令接收。但是，如果出现传感器信号，先在输出端口Q0.0–0.3进行信号输出，再应用串行口中断函数向上位机发送端口的脉冲输入信号，以实现上位机电机旋转、工作台移动和绘出加工轨迹。

二、结语

综上，通过应用三维虚拟现实机电设备控制仿真系统，解决了机电专业学生在实训中的诸多问题，如机电设备投资大、占用空间大等，并大大满足了实践教学的实际需要，从而提高了机电专业的教学效果。

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