基于VUP的物料分拣虚拟仿真系统设计

陈勇强 赵军涛

[摘 要] 为应对疫情期实验室上机实验操作无法开展以及实验室条件受限，缺乏大型真实工业设备的问题，采用Solidworks软件和VUP虚拟仿真工具，模拟实际物料分拣制造单元，开发相应的虚拟仿真系统。给出了系统的三维模型创建流程;描述了模型的仿真动作和实现过程。虚拟仿真技术在实验教学中的应用能有效增强实验的体验感和趣味性，为解决学生的远程线上实验课程学习提供参考思路。

[关键词] 虚拟仿真;VUP软件;三维建模;物料分拣系统

[基金项目] 2020年度电子科技大学新工科课程体系建设项目“基于项目的电气工程专业新工科实验课程体系建设”（2020NEESC013）

[作者简介] 陈勇强（1977—），男，湖北荆门人，博士，电子科技大学机械与电气工程学院高级实验师，主要从事智能电气技术及工程装备技术教学与研究。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）38-0385-02    [收稿日期] 2020-07-11

虚拟仿真以数字化方式复制一个物理对象，模拟对象在现实环境中的行为。虚拟仿真技术最早源于理工科类院校的实验课程教学，如麻省理工学院的微电子在线实验室、美国加州大学圣迭戈分校开发的StarCAVE虚拟现实系统、美国休斯顿大学的虚拟物理实验室以及加拿大维多利亚大学建设的3D实验室和人类学创客实验室[1，2]。

疫情期间，如何有效地开展线上的实验教学是一个值得深入探索的问题。虚拟仿真技术为解决实验设备的缺乏提供了技术手段。本文拟针对我校工程训练中心的光机电一体化自动化综合实验台实物设备功能，开发一套虚拟仿真模型，形象逼真地再现工业现场自动化生产线的供料、搬运、分拣的生产全过程[3]。

一、虚拟仿真对象简介

物料分拣实验台由三个站点单元组成：第一站回转搅拌供料单元、第二站机械手搬运单元以及第三站传送带分拣单元。回转搅拌供料单元机械部分主要包括供料盘、搅拌舌和检测开关支架，功能是将待分拣物料自动送达出料口;机械手搬运单元主要机电对象是一个四自由度的气动机械手，主要负责将物料从出料口处抓取至第三站的传送带上。传送带物料分拣单元机械部分主要包括储料仓、气动推杆以及传送带，负责将物料按不同的属性进行分仓存储。

二、Solidworks物理模型创建

利用Solidworks三维机械结构设计软件，可以创建实际三个站点的三维机械模型。首先将各个站点的物理对象分解为若干机械零部件，建立各部件的2D草图;然后对部件进行装配，创建装配体文件。文件中定义了构成装配体的各零部件之间的几何约束关系。最后生成模型工程图。将实体模型的尺寸和公差信息添加到工程图中，得到系统的三維机械结构模型。

三、虚拟模型搭建

VUP三维虚拟仿真软件工具主要面向工业自动化领域。借助可重复利用和二次开发的CAD模型，可以快速创建一个交互式的3D仿真对象（虚拟模型）[4]。利用VUP开发虚拟模型的一般步骤如下：

1.建立3D模型组件。一般常见的工业对象可以在VUP提供的模型库中查找和调用，例如滚轮式传送带、箱体、指示灯等。定制化的工业对象需要预先采用Solidworks等专用软件生成3D模型（见第2节所述），再将该3D模型导入到VUP，用来构成3D仿真器的3D资源组件。

2.元件属性配置。该步包括修改元件的名称、位置、尺寸、材质、材料和物理属性等，物理属性包括重力、用户施加力、形体类型、质量、系数（决定静摩擦力和动摩擦力、弹力和静止的柔性系数）、穿透以及与父级间的物理关节（铰链、滑块和滑轮等）。

3.元件“动作”添加。为使3D对象能够模拟现实中的行为，比如虚拟仿真器下的执行机构和传感器，需要为元件添加相应的行为“动作”。这些行为主要有两种定义方式，一是在VUP中已经预定义好的，二是用户可以使用脚本编辑器去创建的个性化的动作或脚本。本设计中用到的动作主要有通用读取和写入、速度、相对速度、角速度、沿某坐标轴移动、绕某坐标轴旋转、执行一个脚本、吸附接触对象、检测与其他对象的碰撞、读取碰撞对象编号、检测元件位置、获取信息、冻结、PID调节器等。

4.仿真运行。仿真器可以在内部构建虚拟控制器，也可以连接外部虚拟或者实际控制器，比如PLC，之后可以添加人机交互界面，进行联合仿真。在仿真调试时，可以随时观测到3D仿真器的性能，以便于不断去优化虚拟模型。

四、虚拟模型仿真运行

利用VUP软件开发的物料分拣制造单元虚拟仿真模型如下图所示。在对虚拟物料分拣系统进行三维虚拟视景建模之后，在VUP中绑定相关动作值和连接外部控制器，虚拟物料分拣系统便具有较强的人机交互性和仿真真实性。

虚拟模型在机电一体化实验教学中的应用分为几种场景。场景1、教学演示。实验室不具备大型复杂机电一体化对象的实物设备条件时，实验讲解中可通过虚拟模型演示工业对象的工作原理，增强学生的感性认识。

场景2、实验室上机实验时，学生在实物调试之前，可通过虚拟模型验证电控设计程序的逻辑是否正确。可有效降低学生误操作引起的实验设备受损率。

场景3、疫情期无法正常上机时，将虚拟模型代替真实的实验设备，利用虚拟模型开展远程线上学习和实验。

五、结论

本文结合虚拟仿真技术，对我机电一体化实验设备进行了虚拟建模和仿真运行，并探讨了几种虚拟仿真教学方式对传统实物实验教学模式不足之处的弥补场景，为疫情期的高校线上实验教学工作开展提供参考思路。

参考文献

[1]王卫国，胡今鸿，刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索，2015，34（5）：214-219

[2]吳涓，孙岳民，雷威，等.东南大学机电综合虚拟仿真实验教学中心建设规划思路与进展[J].实验技术与管理，2014，（10）：5-9

[3]陈毓莉，陈松茂，杨林丰，等.基于虚拟仿真技术的plc实验教学研究与实践[J].机械制造与自动化，2018，（02）：89-92.

[4]许雯娜，王春，唐龙，等.全虚拟plc实验教学系统开发[J].实验室研究与探索，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