（机械电子工程专业论文）基于labview的机电一体化虚拟教学实验系统的设计与实现.pdf

摘要 本文分析了当前机电一体化教学实验的现状和发展趋势，提出了以计算机软件虚拟机电一体 化教学实验的方案。该虚拟分拣工作站教学实验分为两部分：实际可编程控制器( p 【c ) 工作状 态虚拟和实际p l c 控制对象工作状态虚拟。 该虚拟教学实验系统基于3 d sm a x 7 0 和【曲v w 7 1 开发。通过分析分拣工作站的工艺流 程，了解其机构构成，在3 d sm a x 7 0 中建模并制作动画，以a v i 格式输出。在l a b v i e w 环境 中制作实验面板，以虚拟指示灯的形式对实际p l c 工作状态进行虚拟，并将a v i 格式的动画嵌 入面板进行虚拟现实的演示。实验面板上有参数修改的功能，针对输入的不同参数，调用不同的 程序虚拟p l c 的不同工作状态和不同的虚拟现实动画演示。 通过对p l c 输入、输出端口分配，编写控制程序在实际设备上运行，将虚拟结果与实际运行 结果对比，得到了一致的结果，验证了虚拟效果的真实性。 用虚拟技术建立机电一体化实验，可以降低此类学科教学实验的建设成本和管理成本，也可 以激发学生的学习兴趣，具有较大实用价值和推广价值。 关键词：虚拟实验，l a b v i e w ，3 d sm a x ，机电一体化 a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec u r r e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n to i lm e c h a t r o n i c st e a c h i n ge x p e r i m e n t a c c o r d i n gt ot h i s 。as c h e m eo fc a r r y i n go u tav i r t u a lm e c h a t r o n i c st e a c h i n ge x p e r i m e n tb a s e do n s o f t w a r ei s p r e s e n t e d t h i sv i r t u a lr e n t i n gw o r k s t a t i o n i s b u i l d u pw i t i it w op a r t s ：v i r t u a l r e a l p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e rw o r k i n gc o n d i t i o n 、v i r t u a lr e a lp l cc o n t r o l l i n go b j e c to p e r a t i o n a l c o n d i t i o n s t h i sv i r t u a lp r a c t i c et e a c h i n gs y s t e mb a s e do n3 d sm a x 7 0a n dl a b v i e w 7 1 b ya n a l y z i n gt h e t e c h n i c sp r o c e s s i n go fr e n t i n gw o r k s t a t i o n , r e a l i z i n gt h em e c h a n i s mc o m p o n e n t s ，a n dm o d e l i n ga n d m a k i n ga n i m a t i o nb a s e do n3 d sm a x 7 0 ，t h ea v if o r m a tf i l e s m a k i n ge x p e r i m e n t a lp a n e li nt h e e n v i r o n m e n to f l a b v i e w , d e m m y i n gr e a lp l cw o r k i n gc o n d i t i o nw i t ht h ef o r m a to f v i r t o a li n d i c a t o 塔 t h ea n i m a t i o no fa v if o r m a te m b e d d e di np a n e li sd e m o n s t r a t ew i t hv i r t u a lr e a l i t y t h ee x p e r i m e n t a l p a n e lh a st h ef i m c t i o no f p a r a m e t e rm o d i f i c a t i o n ；i tc 锄d u m m yd i f f e r e n to p e r a t i o n a lc o n d i t i o n so f p l c a n dv i r t u a lr e a l i t ya n i m a t i o nd e m ob yd i f f e r e n tp r o c e d u r ec a l l ，a i ma tt h ed i f f e r e n tp a r a m e t e r i n p u t w i t ht h eo p e r a t i o no fa s s i g n i n gp l ci n p u t 、o u t p u tp o r t ，c o m p i l i n gc o n t r o lp r o c e d u r ei np h y s i c a l d e v i c e ，ac o n s i s t e n tr e s u l to fc o m p a r i s o nb e t w e e nv i r t u a lr e s u l ta n dp r a c t i c a lo p e r a t i o ni sg a m e d , v e r i f y i n gt h er e l i a b i l i t yo f v i r t u a lr e s u l t m e c h a t r o n i c se x p e r i m e n tb a s e do nv i r t u a lt e c h n o l o g y , c r e d u c et h ec o s to ff o u n d a t i o na n d m a n a g e m e n tf o rs u c ha c a d e m i c st e a c h i n ge x p e r i m e n t , i 唧i i cs t u d e n t s l e a r n i n gi n t e r e s t s ，i ta l s oh a s p r e f e r a b l ep r a c t i c a lv a l u ea n dp r o p a g a b l ev a l u e k e y w o r d e ：v m u a le x p e r i m e n t , l a b v i e w , 3 d sm a x , m e c h a t r o n i c s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：偌鼓时间：d 1 年月g 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：陈蔹 导师签名：面l 哥趸 时间： 时间： 0 1 年月g 日 。7 年6 月扩日 中国农业大学硕f 。学位论文第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 机电一体化( m e c h a t r o r d c s ) 这个词起源于上世纪7 0 年代，它取英文m e c h a n i c s ( 机械学) 的前半部和e l e c t r o n i c s ( 电子学) 的后半部拼成一个新词，即机械电子学或机电一体化。但 机电一体化并非是机械技术与电子技术的简单相加，随着信息技术和通信技术的臼益发展， 机电一体化技术已经是集成了机械技术，电力电子技术、传感器技术、信息交换技术、软件 编程技术等群体技术的综合性边缘学科，应用也越来越广泛 1 1 1 2 ” 市场上对机电一体化技术人才需求旺盛，各大专院校均开设有机电一体化专业。对这一 专业来说，实践是教学中的一个重要环节，不论是在课堂上听老师讲解，还是在实验课上的 亲自动手操作，都是培养人才必不可少的过程 1 1 i 目前教学实验中面临的问题 目前，在高校的机电一体化专业课程的教学中存在着一些不容忽视的问题： 1 教学方式单一 工程教育要使学生达到掌握工程研究与实施的思考方法和实践过程，能将所学知识应用 于工程实践与实施中 这类课程的实践性较强，但是由于受到教学实验条件的限制，如实验设备场地限制，一 些需要现场实际演示的内容，只能用几张图片或简单的多媒体课件来代替，即使有条件看到 实际设备，也是老师边讲边操作，只有站在前面的少数学生才有机会看得清楚。课堂上应有 的高效率的教学活动变为老师只管讲学生只管听，授课内容枯燥且难以理解。这样的教学方 式让学生感到上课内容空洞，缺乏实物对象，影响了应有的教学效果。 2 教学实验设备落后 有的学校的配套教学较为落后，没有控制对象，仅仅以p i c 实验箱来进行教学实验。 因此在这样的教学和实验中，学生通过观察输出口的状态来确定程序的运行情况，通常只能 进行一些验证性的实验，大大降低了教学效率。 即使配备有传统的实验设备，也是在实验箱上以指示灯模拟实验中的被控对象，用按 钮或拨动开关代替工业现场的输入、输出设备。学生无法切实地理解其真正的控制对象和过 程。因此，大大影响了学生在接收和理解问题的过程中对p l c 性能的理解，也使学生对这 门课程的学习失去应有的兴趣【4 j 3 实验设备价格昂贵，维护费用偏高，更新慢 一套完整的机电一体化教学实验设备包括机械部分、电气部分和控制部分。比如：电 梯、自动售货机、自动生产线等这些都是典型的机电一体化设备。这些设备的价格通常较为 昂贵，对于资金有限的高校而言，购买一两套设备用于教学实验尚可，但要装备一个实验室 却需要多台设备，前期就需要巨大的资金投入，后期维护起来还需要有专门的人员和资金。 并且，通常这样的实验设备只能针对单一型号的p l c 进行，局限性很强，且不能及时更新 中国农业大学硕 学位论文 第一章绪论 实验设备。因此，利用传统的机电一体化设备进行教学实验很难普及。 对于机电一体化这一专业来说，实验是教学中的一个重要环节，是培养新型人才的重要 手段1 5 。学生们只有通过足够的验证实验和一定数量的综合实验，才能真正理解和掌握课本 上的理论知识，具备一定的综合技能，并初步具有处理实际工作的能力嘲。 1 i 2 课题研究的意义 如何合理地配置教育资源，解决好资金投入与人才培养之间的矛盾，是开展教学实验过 程中经常需要考虑而又很伤脑筋的问题。如果将虚拟技术引入教学实验过程，则无需购置大 量实验设备，只要有一套设备再借助计算机便能收到良好的教学实验效果。此类实验内容更 新很快，既能使学生了解当前专业相关的先进设备、进一步了解其技术构成，又能很好地解 决资金不足的问题。 为此，利用计算机开发一个合适的机电一体化虚拟教学实验系统，为本科生教学设计开 发一个综合的机电一体化教学实验平台是很有现实意义的，也是未来高校实验室发展的方 向。 现代工业是计算机技术、信息技术、现代管理技术、先进工艺技术的综合与集成。涵盖 了产品设计、生产准备、制造管理多方面内容，是国家建设和社会发展的重要支柱之一。为 了加强学生面向社会的挑战能力，提高机电一体化的理论水平与实践能力刻不容缓，重点建 设机电类工程柔性加工系统的实验平台，更具有迫切性和现实意义 7 1 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 虚拟教学实验的发展 从科学实验中使用的方法和涉及的对象来看，可以把科学实验划分为实际实验( r e a l e x p e r i m e n t ) 与虚拟实验( v i r t u a le x p e r i m e n t ) ，前者在实验中所采用的实际工具、实验对象 都是以实物形式出现的，比如碰撞实验中的碰撞球体，以及测试实验中用到的应变片等；而 在虚拟实验中，没有一个有形的实验室，也没有以实物形态存在的实验工具与对象，实验过 程主要是对虚拟物的操作1 8 j 虚拟实验的最初形式是模拟实验，在西方从1 9 世纪开始，模拟实验在工程领域得到了 广泛的应用，到了2 0 世纪，模拟实验成为了一种用途广泛的新型实验方法。1 9 6 6 年，美国 m r r ( 麻省理工学院) 的林肯实验室开始了头盔显示器的研制，揭开了虚拟实验研究与应用 的序幕州。从上实际年代开始，虚拟实验在教学方面的应用逐步得到推广。始建于1 9 8 9 年的v s l ( v i s u a ls y s t e ml a b o r a t o r y ) 虚拟系统实验室是由c e n t r a lf l o r i d a 大学教育训练研 究院建立，旨在提高计算机图形的艺术表现力以及改进仿真过程中的人机接口设计。目前该 实验室正在开展多项与虚拟实验相关的支撑技术研究。 2 中国农业大学硕卜学位论文 第一章绪论 1 2 2 国内机电一体化虚拟教学实验的研究现状 国内现有的模拟实验型计算机辅助教学的应用主要有：操作模拟、过程模拟以及模拟训 练”u j 。国内开展虚拟教学实验起步较晚，目前虚拟教学实验的开展主要有以下几种： 1 完全模拟p l c 的编程到运行过程 即在个人电脑上编写仿真软件对p l c 进行编程、调试、控制与运行的模拟。极大地方 便了p l c 教学实验和p l c 的离线调试。其中，武汉理工大学材料学院在c + + b u i l d e r 环境 下开发了以松下f p i 小型机系列p l c 为对象的模拟仿真软件，能模拟p l c 编程、实际运行 和外部信号的输入，并动态监视运行情况【1 1 1 。石油大学信息与控制工程学院也在c + + b u i l d e r 环境下开发了以松下f p i 可编程控制器的虚拟实验平台，用户可以输入自己的助记 符语言程序，进行p l c 控制的虚拟实验并在软件的主界面给出相应的运行结果【l “。辽宁工 程技术大学在v i s u a lc h 环境下开发了p l c 梯形图编辑功能的仿真软件，模拟p l c 编辑器 的功能，能够实现梯形图符号的编辑、语法检测，逻辑错误检查等功能【1 ”。但是，使用者 只能从界面显示的各种信号状态来动态监视程序的运行情况，即程序为离线调试，仍然不能 看到实际的控制对象的工作状态，这种模拟方法存在一定的缺陷。 2 虚一实结合 采用真实的p l c 设备，应用计算机强大的计算能力和图形处理能力，在p c 机上模拟 各种被控对象模型及监控画面，通过设计p l c 与p c 机的硬件接口，将计算机上虚拟的工 业对象模型与p l c 连接，以达到在教学实验中运用虚一实交互技术的目的，实现p l c 的强 大而优异的控制功能。学生在教学实验中能够接触到真实的p l c 设备，不仅能实现对各种 控制对象的控制，而且可以模拟各种实际可能出现的故障，研究其现象，寻找解决方案。此 类虚一实结合的实验又分两种： ( 1 ) 、在组态软件基础上开发，如长沙理工大学电气与信息工程学院设计串口电路实现计 算机与p l c 通讯，采用l a b v i e w 仿真实际系统模型设计，并在s t e p7m i c r o 编程环境中 设计编写自动控制实验程序，实现了p l c 对虚拟模型的控制【1 4 】；南通大学在计算机上利用 w i n c c 软件编写虚拟实验界面，针对控制对象在计算机上编写p l c 梯形图，通过串口r s - 2 3 2 把梯形图语言下载到p l c ，当p l c 按要求动作时，再通过串口把相应的动作命令发送到计 算机，驱动用w i n c c 开发完成的软系统，完成虚拟对象的动作过程【1 5 】。 ( 2 ) 、在v c h 、d e l p h i 等环境下自行开发，如四川大学电气信息学院运用实际的p l c 器件，在d e l p h i 7 0 的集成开发环境下，开发了虚拟电梯控制系统，为学生提供了一个综合 实验平台，降低了实验室建设成本”；湖南铁道职业技术学院以操作控制箱模拟控制和显 示p l c 的输入、输出控制信号，以v c + + 为开发环境，建立了p l c 虚拟数字实验室，编写 了实验主控模块、源程序编辑编译模块、p l c 仿真模块、运行状态监控模块，模型仿真模 块和多媒体教学帮助模块，提高了实验效率和技术技能培训的效果【1 7 l 。 目前使用这两种方法开发的实例较多，但由于仍连接有硬件设备，因此，不可避免地会 出现因操作失误而造成的设备损坏，在教学实验中仍具有一定的风险。 3 建设网络化的虚拟实验 西华大学电气信息学院基于m c g s ( m o n i t o ra n dc o n t r o lg e n e r a t e ds y s t e m 通用监控系 3 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 统) 构造和建立了远程仿真控制系统，构成具有完成控制层、监控管理层和远程监控层的远 程控制系统。整个系统的信息收集和发布，以及数据信息的处理都在服务器上统一管理、保 存和分配，通过w e b 浏览的方式向各个采集站点发布，实现远程监控与远程管理，其中， 交通灯控制系统和机械手控制系统使用效果好i l w ；中国农业大学机械电子工程系，采用虚 拟仪器技术构建了基于i n t e r n e t 的集实时数据采集、分析和现场视频监控功能与一体的多功 能转子实试验台远程测控系统，初步建立了一个网络测控系统，为不同地域人员的资源共享 提供了新的途径【l q 。 4 引入虚拟现实技术 将虚拟现实技术引入计算机系统成为虚拟实验室，来虚拟地实现各种实验环境和实验操 作，它是在计算机仿真基础上发展起来的一项应用技术。利用计算机强大的图形和数据处理 功能可以虚拟仿真实验室的物理系统及其控制系统，将计算机辅助技术与虚拟仪器技术通过 数据交换共享建成的虚拟仿真实验，能够代替部分实际实验项目供学生学习。这样的实验同 样能给人创造一种近乎进行真实实验的感觉。实验者可以像在真实环境中一样完成实验项 目，对学生创新能力的培养起到重要的促进作用。虚拟实验室的概念虽然提出只有十多年的 时间，但由于各国都很重视虚拟实验室的研究与开发，其发展较快。北京大学利用多媒体人 机接口，在计算机的虚拟空闻虚拟实际三维空间环境，并再现了机械臂的一系列简单动作。 互联网上的任何用户都可以监控机器人的动作、与技术人员交流，并控制这台处在实验室的 机器人手臂进行具有1 5 个自由度的动作( 比如倒水，装配销钉等) 。另外还开发了具有1 6 个自由度的机械臂和五指1 1 个自由度的三维数据手套目前，该系统已经成功应用于试验 和远程机器人技术教学，即虚拟实验室 2 0 l 。 可见，将虚拟现实技术引入到教学实验中，不仅丰富了教学方式，也使实验室建设的 成本大大降低，随着各高校对此的逐步重视，虚拟实验将成为今后教学和实验的主力军。 国内很多大学都开发了实验仿真软件，如华北航天工业学院研制的数控教学实验仿真软 件，中国科技大学研制的大学物理计算机仿真实验等 北京邮电大学建立了虚拟实验系统，通过该系统，用户只要拥有一台计算机和通畅的网 络，就可以登录实验进行单机版或网络版的计算机网络、电路分析和数字电路虚拟实验 2 1 1 。 清华大学汽车工程系在l a b v i e w 环境下开发的智能车仿真平台i 2 2 华中理工大学机械学院信息所完成了基于虚拟现实的工程测试网上虚拟实验室，获得了 较好评价。同时完成了宝钢热轧主轧设备状态检测系统研究及软件开发嘲。 1 2 3 国外机电一体化虚拟教学实验的研究现状 国外的一些大学目前已经建设了较完善的( 远程) 虚拟实验室。德国r u h r 大学网络虚 拟实验室，该实验室是一个有关控制工程的学习系统，它通过直观的三维实验场景视觉效果， 依赖各虚拟实验设备的仿真特性，实现对虚拟实验的交互式操作 2 4 1 。j o h n sh o p k i n s 大学建 立了基于w w w ( w o r l d w i d e w e b ) 面向教育的工程科学实验环境的虚拟工程库 学实验室， 可完成逻辑电路、两节机器手控制、热传递过程、声波传播过程、桥梁设计等多种实验p j 意大利d e ls a f l n i o 大学基于j a v a 和c + + 建立了远程电子测量教学实验室，电子测量相关专 业的学生通过网页浏览器就能够在任何地方获得虚拟仪器形式的测量仪器 2 0 3 ；此外英国 4 中国农业大学硕十学位论文第一章绪论 o p e n 大学利用信息和控制技术建立了远程实验室【2 1 ；美国t e n n e s s e e 科技大学研究了建设 基于l a bv i e w 的远程测量系统的虚拟实验室例等。 1 3 课题研究的任务和主要内容 1 3 i 课题研究的任务 1 分析当前机电一体化教学实验系统 目前的教学实验方式为，教师对课本内容作讲解，配合使用多媒体课件展示一些图片， 在实验中使用传统的实验设备，即以指示灯和部分开关模拟整个工业生产现场的设备，学生 在实验中既体会不到p l c 的控制对象的概念，也无法领会机电一体化中机械运动部分和电 子控制部分的有机结合。不利于培养学习兴趣，教学效率也较低。 而机电实验室的一套自动生产线模型，共有八个工作站，集机械、p l c 控制、驱动( 包 括电机、气动) 及传感器等技术为一体，是典型的机电一体化产品和理想的教学实验设备。 但是这样的庞大设备不能搬进课堂里，并且仅一套设备也无法满足所有学生的实验要求。 2 课题研究任务 利用计算机技术在机电一体化教学实验中建立虚拟演示教学实验系统，设计并实现对真 实机电一体化工作站的控制系统和被控对象的虚拟。 1 3 2 课题研究的主要内容 基于虚拟仪器技术开发的机电一体化虚拟教学实验平台，该平台分为两部分： 1 基于l a b v i e w 开发环境，搭建实验平台，并开发虚拟分拣工作站的p l c 控制部分； 2 基于3 d sm a x 开发环境，制作分拣工作站的动画虚拟演示模块。 该教学实验平台不需要将真实的机电一体化设备搬进课堂就可以进行生动的教学。为整 个虚拟教学实验为使用者提供了高效、直观的教学和实验环境。 主要工作内容： 1 分析目前机电一体化专业学科的教学实验，制定实现方案：将计算机技术引入教学实验 中，建立分拣工作站虚拟演示系统； 2 了解机电系统的基本功能，熟悉分拣工作站的工作流程，采用动画的形式对控制对象即 分拣工作站的动作进行虚拟：制作基于3 d sm a x 的动画虚拟演示模块，并渲染生成a v i 动画格式； 3 基于l a b v i e w 环境下对p l c 的工作状态进行模拟：采用指示灯形式虚拟输入输出端口 的工作状态； 4 完成a v i 播放格式与l a b v i e w 的接口，在实验面板上实现动画的嵌入； 5 分析p l c 的输入输出端口，并编写程序，上机调试，进行虚实的实验验证工作并进行总 结，给出进一步研究的建议。 5 中国农业大学硕卜学位论文第二章虚拟教学实验系统的方案及总体设计 第二章虚拟教学实验系统的方案及总体设计 2 1 虚拟教学实验系统的组成 2 1 1 机电一体化系统的组成 机电一体化学科是集机械技术和电子技术于一体的交叉学科，包含机械技术、检测传感 技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、接口技术和系统总体技术1 2 9 1 。 机电一体化系统是由若干个具有特定功能的机械与微电子技术构成的有机整体，具有满 足人们使用要求的功能。根据不同的使用目的，要求机电系统能够对输入的物质、能量和信 息进行某一或某一系列处理后。输出满足需要的物质、能量和信息，如图2 - 1 所示。 ( 原有的 物质 能量 信息 ( 新的) 物质 能量 信息 图厶1 机电一体化系统的构成 每个机电一体化系统都具备五大要素，即机械本体、能源部分、测试传感部分、驱动与 执行机构、控制和信息处理单元。分别用于本体结构构造、提供动力、信息收集与变换、驱 动以及控制信息的存储、处理和传送，其系统组成和基本构成要素如图2 - 2 ，表2 1 所示。 图2 - 2 机电一体化系统的组成 6 中囝农业大学硕士学位论文第二章虚拟教学实验系统的方案及总体设计 表2 1 机电一体化系统基本构成要素及其组成 机电实验室现有的自动生产线模型集机械、p l c 控制、驱动( 电机、气动) 和传感器 技术为一体，是典型的机电一体化设备。一个典型的机电一体化设备的组成如图2 - 3 所示。 图2 - 3 典型机电一体化设备的组成 典型的机电一体化系统由以下五部分组成： 1 机械本体：承担工作站的整体构架，支撑和连接其它的功能部分； 2 检测与传感：检测工件的到位情况，将工件或其它被测对象的状态转化为电信号，并输 送到信息处理部分进行处理，其输出作为后续一系列动作的触发信号； 3 伺服驱动与执行：为机械部分的动作提供动力，是控制器和机械执行机构的接口，有电 动、气动和液动三种，将电能、气压能、液压能转化为执行机构作直线或旋转运动的机 械能，执行机构按照控制部分的指令，执行系统的动作，将电信号转换为机械能； 4 自动控制和信息处理：整个系统的核心部分，要对收到的信息进行正确的处理，包括信 息的输入、交换、存储、运算、判断和决策等。然后输出运算处理得出的控制指令，控 制执行机构的动作： 5 能源：为整个系统提供能源。 2 1 2 虚拟机电一体化系统的组成 一个机电一体化系统是一个复杂的系统，所涉及的方方面面很多，利用现代计算机技术 将传统的机电一体化系统中的机械本体，及检测传感、伺服驱动与执行等在计算机上虚拟再 现，只需要一台电脑，就可以轻松地实现虚拟机电一体化系统，一个虚拟机电一体化系统的 组成如图2 - 4 所示。 7 中国农业大学硕1 ：学位论文 第二章虚拟教学实验系统的方案及总体设计 图2 4 虚拟机电一体化系统的组成 2 2 虚拟教学实验系统的方案设计 2 2 1 虚拟教学实验系统的设计目标 “基于l a b v i e w 的机电一体化虚拟教学实验系统的设计与实现”课题是在l a b v l e w 及3 d sm a x 环境下，利用计算机虚拟控制对象，设计并实现对机电一体化分拣工作站实验 的虚拟。 通过本课题的研究，拟达到以下目标： 1 编写程序对p l c 系统的工作状态进行仿真，达到无需占用硬件资源，在虚拟环境下就能 进行教学实验的目的； 2 三维动画的虚拟现实技术，以虚拟实现技术再现真实实验过程； 3 通过本课题的研究，为今后在此基础上开发出更多、更好的虚拟教学实验平台打下基础。 2 2 2 虚拟教学实验系统的方案选择与确定 随着信息技术的飞速发展，虚拟的机电一体化实验也出现了很多种方式，目前使用较为 广泛的虚拟教学实验设备以组态软件编写上位机监控系统，利用组态软件中的硬件接口与硬 件设备连接，组成虚一实结合的教学实验系统。但是，这种虚拟教学实验仍然需要实际的设 备及硬件连接，考虑到实际的硬件设备数量有限，可采用虚拟现实的方法代替实验者对实际 设备的需要，在计算机上再现实验的真实过程。 本课题选择自动生产线模型上的分拣工作站作为虚拟对象，在p c 机上虚拟实际p l c 工作状态及工作站的分拣动作，将真实实验设备的状态和动作再现在屏幕上，达到与真实教 学实验一致的效果。虚拟教学实验开发成本较低，能随技术的发展随时更新，能够从一定程 度上弥补目前教学实验不易更新的现状。 本教学实验系统主要由虚拟p l c 工作状态和虚拟动画演示被控对象工作状态两个模块 构成，具体组成方案如图2 - 5 所示。 8 中国农业大学硕十学位论文第二章虚拟教学实验系统的方案及总体设计 图2 - 5 虚拟教学实验系统的方案 1 虚拟控制系统 虚拟p l c ，即对实际p l c 的工作状态进行虚拟，以l a b v i e w 环境为平台，对p l c 的 工作状态进行虚拟再现。通过对面板上的参数输入模块的输入值进行判断，调用不同的工作 过程程序模块，并在面板上显示其工作状态和p l c 程序语句。p l c 有多种形式的编程语言： 梯形图语言、助记符语言、逻辑功能图语言、布尔代数语言和某些高级语言( 如b a s i c 、c 、 c + + 语言等) 。从可读性考虑，选择助记符语言( s t l 语句) 作为实验面板上p l c 程序的显 示语言。 2 虚拟被控对象 采用虚拟现实的手段，对实际工作站上被控对象的工作状态进行再现。对于分拣工作 站来说，其动作的主要部分就是机械手对工件的抓取、移动和工件的移动等一系列动作，应 选择易于建模，可以根据不同需要制作并输出动画的平台进行制作。 整个系统的总体结构及模块如图2 - 6 所示。 _ - 实验日期及时问显示模块 i 一p l c 程序s t l 语句显示模块 时问等参数在线输入、修改模块 l p l c 工作状态虚拟模块 控制对象工作状态虚拟模块 _ - 操作出错提示模块 2 3 系统软硬件配置 2 3 1 系统硬件介绍 图2 - 6 虚拟实验系统的总体构成 根据l a b v i e w 和3 d sm a x 软件对计算机硬件配置的要求，实现本教学实验系统的硬 件配置：a c p l 个人计算机，处理器：i n t e lp e n t i u m ( r ) 4c p u2 0 0 g h z ，内存：1 2 8 m b ，显 示卡：n v i d i ar i v at n t 2m o d e l6 4 m o d e l6 4p r o ( m i c r o s o f tc o r p o r a t i o n ) ，操作系统： m i c r o s o t = iw i n d o w sx pp r o f e s s i o n a l 。版本2 0 0 2s e r v i c ep a c k2 9 中国农业大学硕仁学位论文第二章虚拟教学实验系统的方案及总体设计 2 3 2 系统软件配置 实现本教学实验系统的软件配置：基于3 d sm a x7 环境，制作动画并渲染输出成可播 放的格式；基于l a b v i e w 7 0 环境，虚拟p l c 控制系统工作状态，并将动画嵌入实验面板， 配合虚拟p l c 进行实验的演示。 从教学实验系统的要求出发，利用l a b v i e w 开发p l c 控制系统的虚拟部分，开发实验 的可视化界面等，运用3 d sm a x 来构建虚拟现实的三维模型，并通过动画控制器，制作 逼真的三维动画，系统结构框图如图2 - 7 所示。 图2 z 虚拟教学实验系统结构框图 2 4 开发环境l a b v i e w 和3 d sm a x 概述 2 4 1l a b v i e w 简介 目前流行的可视化编程语言大致有两类：美国微软公司的可视化开发工具v c + + 、v b ； 工业组态软件m c g s 、f i x 、n i 公司的l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v l 以及惠普公司的v e e 等。前一类通用性较好，开发的自由度大，但是开发的周期长，后一类则具有专业人员熟悉 的图形化语言，虽然开发的自由度相对低些，但是周期相对短得多，是当前晟为流行的图形 化开发环境。 虚拟仪器( x r m u a li n s t r u m e n t ) 的概念最早是由美国国家仪器公司( n i ) 于1 9 8 6 年提出 的，并推出了基于g 语言的图形化编程语言的软件产品l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a l i n s t r u m e n te n g i n e x * i n gw o r k b e n c h ) 。它是一个实验室虚拟仪器集成环境，既是虚拟仪器软件， 也是很好的仿真平台。 l a b v i e w 的主要特点：g 语言是l a b v i e w 的核心，是一种适合应用于任何编程任务、 具有扩展函数库的编程语言。它与一般高级语言的主要差别是编程方式的不同，传统的高级 语言采用文本语言编写程序代码，而g 语言采用图形化的编程方式。l a b v l e w 具有以下特 点： 1 编程采用的是与流程图极为类似的程序框图，使得编程人员只要按照流程图的思路就可 以进行程序代码的编写，避免了一般程序设计从框图构思到程序表示的繁琐，这一点是 传统的文本语句编程方式无法达到的； 2 图形化的编程语言，用图标表示功能模块，用图标问的连线表示各个功能模块问的数据 1 0 中国农业大学硕十学位论文第二章虚拟教学实验系统的方案及总体设计 传递，降低了对使用者编程经验的要求，易学易用； 3 软件的界面设计与功能设计相互独立，修改人机交互界面无需对整个程序进行重新调 试： 4 采用面对对象的编程方法，便于软件的开发和重复利用等。 l a b v i e w 程序的构成：在l a b v i e w 环境下开发的应用程序都以v i 为后缀，以表示虚 拟仪器的含义。一个完整的l a b v i e w 程序由前面板、数据流程序框图和图标连接端口三部 分组成： 前面板：l a b v i e w 的前面板程序是图形化的用户界面，是的交互式用户接口。可以 包含旋钮、刻度盘、开关、图表和其它界面工具，允许用户通过键盘或鼠标获取数据显示结 果。用于用户设置输入数据“c o n t r o l s ( 控制量) ”和程序向用户输出运行结果“i n d i c a t o r s ( 指 示量) ”，是与用户进行信息交流的窗口。前面板程序可以包括c o n t r o l ( 控件) 、i n d i c a t i o n ( 指 示) 、d e c o r a t i o n ( 装饰) 等，可以制作精美的人机接口。 面板程序设计原则：设置好的控件在前面板上要保持整齐排列，均匀分布，并且，控件 的摆放要符合人们操作的习惯，这样才有利于用户的操作与观察。 使用颜色时注意，背景最好使用灰、白或其它柔和的颜色，并避免在控件中使用过多的 颜色，以免艳丽的颜色从重要信息中分散用户的注意力 3 0 i 数据流框图程序：每个前面板都有一个框图程序与之对应。框图程序可以理解为传统文 本编程语言中的程序源代码。不同的仅仅是框图程序使用图形而不是文本语言。框图程序由 n o d e ( 节点) 、t e r m i n a l ( 端口) 和w i r e ( 数据连线) 组成。 指令在数据流框图中传递，从数据流框图程序中接收指令，框图程序实际上就是 的程序代码。框图是l a b w 编程的基本单元，在代码中利用图形对面板上的控制量和指 示量进行控制，用户可以通过f u n c t i o n s ( 功能) 选择不同的图形化程序模块完成编程。 b b v 】卫w 编程语与c 、b a s i c 等传统编程语言有很多相似之处，如相似的数据类型、数 据流控制结构、程序调试工具，以及模块化的编程特点等。最大的区别在于，l a b v i e w 采 用了不同于文本编程方式的图形化编程语言，在形式上与p l c 的梯形图较为接近，而且其 数据流的运行方式不仅与梯形图的运行方式类似，并且可以在底层根据要求适当地把前后两 个模块的执行过程重叠，从而提高效率和吞吐量。例如，当出现如图2 - 8 所示，模块c 以模 块a 和b 的运行结果为输入，在传统的文本编程语言中，b 模块就要等a 模块对c 模块传 递完成后才能开始对c 传递数据，而在l a b v i e w 的数据流语言中，没有a 或b 模块绝对 的先后顺序。只要前面的数据到达端口，l a b v i e w 就会开始执行，这样的程序执行方式从 一定程度上节省了时间使程序运行速度加快。 中国农业大学硕十学位论文第二章虚拟教学实验系统的方案及总体设计 回 围2 - 8 传统编程语言与l s b v i 朗编程语言的区别 框图程序设计原则j ： ( 1 ) 使用从左到右，从上到下的顺序排列程序的节点； ( 2 ) 当程序中的某些部分能在其它程序中使用，或是可以划分为一个逻辑上的单元，尽量 创建并使用子，以简化复杂的程序； ( 3 ) 整齐清晰地排列连线，避免在节点图标下连线，以免造成阅读程序困难或误读程序； ( 4 ) 为了节省程序框图空问，不必为函数和子显示标签，但常数有必要显示标签； ( 5 ) 使用自由标签为程序框图增加必要的注释，增加程序的可读性。 图标连接端口：图标连接端口就像一个图形化参数列表，可在和s u b v i 之间传递数 据。一个既可以作为上层独立程序，也可以作为其他程序的子程序。这样，可以实现复 杂程序的层次化和模块化编程。 l 丑b 、，w 用户可以将一个应用程序分解为一系列任务，再将每个任务细分，将一个复 杂的应用程序分解为一系列简单的子任务。从底层开始，以一个模块完成一个子任务，最后 把这些模块组合在一起完成整个应用程序。通过这样的方法，可以将一个复杂的虚拟系统功 能划分为多个功能模块，各模块分别完成较为独立的功能，然后分别为各个功能模块编写程 序，再在主程序中将各功能模块整合，最终实现预期的功能。有必要的话，可以将各功能模 块再细分为更小的功能模块来编写程序，划分的标准就是使编程过程变得简洁明了，如图 2 9 所示。 e 圃 围2 - 9 虚拟系统实现方式 由于l a b v i e w 具有以上的优点和特征，并考虑到机电一体化教学实验更新快的需要， 选用开发周期相对短的，且编程方式更接近于思维过程的l a b v i e w 作为本虚拟教学实验系 统的开发环境。 1 2 中国农业大学硕卜学位论文第二章虚拟教学实验系统的方案及总体设计 2 4 23 d s m a x 简介 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，简称v r ) 技术自诞生以来只有短短5 0 多年，1 9 6 5 年，美 国计算机科学家i v a ns u t h e r l a n d 在他发表的一篇名为 的文章中说，计 算机生成的图像应该非常逼真，以至于计算机生成的场景与真实生活的场景毫无二致。由于 虚拟现实技术能给人“真实”的体验，在许多领域里都具有广泛的应用潜力。例如，科技教 育和科学研究领域里，飞行训练模拟器，医学虚拟人体器官甚至完整的个体，农业研究中虚 拟植物，工业设计c a d 及虚拟仪器等，电影制作领域里的科幻影片的三维技术，以及电视 广告、电脑游戏的制作等等都越来越广泛地应用3 d 技术。 开发v r 常用的语言有v r m l 、o p e n g l 、c u l t3 d 、d i r e c t x 、j a v a 3 d 、v e g ap r i m e 、 m p e g - 4 、3 d sm a x 等p 2 h 4 0 ，如表2 - 2 所示。 表2 _ 2 多种开发v r 的常见语言比较 语言特点 v r m l o p e n g l c u l t 3 d d i r e c t x j a v a 3 d v c 髀p r i m e 御b g 4 3 d s h a x 1 s o 国际标准网上v r 建模和渲染语言，优势在场景制造 创建三维场景，但细小组件需单独处理，程序设计工作烦琐 应用于网络虚拟现实方面 m i c r o s o f t 公司开发的，提供一整套多媒体接口方案 以兰维网络为对象，优势在程序设计 m u l t i g e n - p a s a d i g m 公司专门应用于实时视景仿真和虚拟现实等领域的渲染软件环境 面向基于内容的交互式视讯应用，如因特网多媒体应用、交互式视频游戏、演播室技 术及电视后期制作等 a u t o d e s k 公司开发的专门的三维制作软件，对配置要求较低，适合在个人计算机上 进行虚拟现实建模及动画制作 本课题选用3 d sm a x 作为制作三维虚拟实验场景3 ds t u d i om a x 是美国a u t o d e s k 公司开发的，用于p c 机上最成功的三维动画设计软件川】是目前国内最流行的且适合于个 人计算机系统使用的三维动画制作软件。在展示设计、产品造型设计、多媒体设计，网页动 画设计等领域广泛应用。它具有如下特点： l 、高度的创作自由感，具有高超的原始创建能力和令人眼花缭乱的大量修改功能，无论是 建模，贴图及动画，都直接在视图中点出，可以做到心到、手到、图到： 2 、功能的无限铷，虽然其界面上统计功能有限，但将众多功能结合并交叉使用，由此创造 的效果却是无止境的 4 2 1 。 正因为具有这些特点，使3 d sm a x 成为目前国内外应用最广泛、最有市场前景、最为 流行的三维动画制作软件之一，具有丰富的建模和动画能力以及出色的材质编辑系统，另外 还可以与很多的插件实现无缝结合，无形中更增添了其强大的功能。 它具有所见即所得和即时修改的特点，模型函数丰富，贴图纹理多，模型表面处理方式 多样，用它可以在p c 机上得到真正的工作站级的动画性能和图像质量删。它将那些难以用 语言文字表达的内容，通过动画形象化地表现出来，使学生顺利地突破难点，产生极佳的教 学效果，对教学实验的改革起到良好的促进作用 4 4 1 。 1 3 中国农业大学硕卜学位论文第二章虚拟教学实验系统的方案及总体设计 3 d sm