基于VUP构建虚实结合的自动化生产线实训平台设计

基于VUP构建虚实结合的自动化生产线实训平台设计

盛安

湖南三一工业职业技术学院

摘要：针对高职机电类专业《自动化生产线安装与调试》课程因课程教学设备不足，导致教学效果下降，学生职业技能训练不充分的问题，提出使用虚拟仿真技术构建实训平台。以亚龙YL335B自动生产线实训考核装备为载体，基于法国Irai公司研发的Virtual Universe Pro（VUP）机电一体化仿真软件，搭建自动化生产线实训平台。实训平台完整还原实物设备的全部功能，确保学生的实践技能得到充分训练。实训平台的开发也将为高职院校解决实训资源缺乏问题提供实践经验。

关键词： 虚拟仿真；VUP；实践教学

一、引言

职业教育作为与普通教育同等重要的两种不同教育类型。职业教育的教育属性决定了实训教学是人才培养过程中的重要教学环节。实训教学模式改革是推进我国职业教学改革发展与创新培养高技术技能人才的重要途径，也是在职业教育领域实现教育现代化2035的重要实践方式。2013年教育部颁布了《关于开展国家级虚拟仿真实验实训教学中心建设工作的通知》（教高司函〔2013〕94号）首次提出建设100个国家级虚拟仿真实验教学中心的任务[1]。2017年教育部再次颁布了《2017-2020年示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》（教高厅〔2017〕4号）[2]，计划4年内在各类高校建成1000个国家级示范性虚拟仿真实验教学项目。由此可见，使用虚拟仿真技术打造实训平台是职业教育实现信息化教学的重要手段，也是解决当前高职院校普遍存在实训资源不足、设备型号老旧、创新能力不足等问题的有效解决手段。

为此，本文提出使用法国Irai公司研发的Virtual Universe Pro（VUP）机电一体化仿真平台，以亚龙YL335B自动生产线实训考核装备为载体，开发自动化生产线实训平台，解决高职院校机电类专业《自动化生产线安装与调试》课程实践教学难以有效开展的难题，尝试一种以虚拟仿真软件为中介用真实PLC、继电器、开关等元器件对虚拟机械三维模型进行控制的实践教学模式。

二、VUP机电一体化软件简介

机电一体化仿真平台基于最新的虚拟仿真调试技术，为使用者提供了一个完全开饭的虚拟设备调试平台，三维模型基于各主流3D建模软件开发，同时使用最新的3D渲染技术以及物理引擎呈现最真实的仿真效果。该平台支持与PLC进行通信连接，以真实PLC的I/O对虚拟对象进行工艺动作控制。同时平台还包含了人机交互界面、电工电子、气压液压图标的生成。使用者能够在逼真并且交互式的三维虚拟环境下进场产品测试。通过连接三维仿真器与外部控制器，如PLC或嵌入式虚拟控制器，VUP能够实现半实物仿真。

图1 VUP平台功能框架

三、自动化生产线实训平台的构建

自动化生产线实训平台的构建首先需要在SolidWorks中完成零散独立零件的三维建模，再将这些零件导入到VUP中。在VUP中，需要将导入的零件按照父子级的关系进行设置，确保父级零件能够带到子级零件运动。此外对整个系统物理属性的设置同样重要，例如设置重力加速度、摩擦系数、转动惯量、可穿透性等。最后还需要对组合好的机构配置机械传动的功能、动作，设定速度、加速度、检测传感器等[3]。构建好的自动化生产线实训平台效果，如图2所示，包括供料站单元装调、加工站单元装调、装配站单元装调、分拣站单元装调、输送站单元装调及全线联机调试6个虚拟实训项目，涵盖了自动线所有单站、联机装调的所有工程项目。

图2 自动化生产线实训平台

四、自动化生产线实训平台应用案例

自动化生产线实训平台包括5个独立工作站，这里以供料站仿真调试为例介绍实训平台的应用。供料站由料仓、支架、各类传感器组成。当供料按钮按下，放置在仓库中待加工工件（原料）自动地被气缸推出，传感器检测到工件被推出到指定位置后，启动机械手将工件抓取到传送带上，方便传送带将其输送至其他模块。任课教师实训首先将供料站的功能在实训平台上向学生演示，并向学生讲解供料站的硬件结构、确定I/O分配表，下发任务工单，要求学生按照工单内容完成供料站控制程序设计和虚拟调试。虚拟仿真操作流程如图3所示。

图3 虚拟仿真操作流程图

图4 虚拟调试界面

最后学生再到实物设备上完成电气接线，并将提前调试好的程序下载到实体设备中。实训平台的引入很好地解决了实物设备成本高、占地大、数量少、结构复杂导致学生实训操作时间不足，技能训练不到位的问题。

五、小结

本文利用VUP机电一体化仿真软件开发了基于YL335B实训设备的虚拟仿真实训平台，可以开设机械结构设计、PLC程序设计、气动回路设计装调等项目的实践教学，大幅提升学生实操训练时长，对于学生掌握机械结构、PLC、气动回路装调等技术有很大的帮助。此外，基于VUP仿真软件还可以开发其他同类课程，极大丰富虚拟仿真实训教学的广度和深度，在职业教育的实践教学中有很强的实用性[4]。

参考文献：

[1]教育部. 关于开展国家级虚拟仿真实验实训教学中心建设工作的通知（教高司函〔2013〕94号）[Z].2013-08-13.

[2]教育部. 2017-2020年示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知（教高厅〔2017〕4号）[Z].2017-07-13.

[3]陆佳琪，高兴宇，李明枫，廖斌.VUP平台实验项目开发[J].中国教育技术装备，2021（14）：123-127.

[4]何苗.基于Irai的GF生产线的仿真平台的搭建[J].现代制造技术与装备，2019（02）：196-197.

作者简介：盛安（1990-），男，汉族，湖南长沙人，湖南三一工业职业技术学院，教研室主任，讲师。（湖南 长沙 410129）。

课题项目：本文系“2020年湖南省教育厅科学研究项目”（项目编号：20C1055）的研究成果。