CN111243372A - 一种模拟加工检测仿真教学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种模拟加工检测仿真教学系统。该系统包括加工检测仿真模块、通讯模块以及可编程控制模块；加工检测仿真模块通过通讯模块和可编程控制模块相连；其中：所述加工检测仿真模块是开发好的软件客户端，主要模拟加工检测流水线，提供给用户对工件进行操作控制的实验环境；可编程控制模块是可编程控制器和装有PLC编程软件的计算机，主要用于给加工检测仿真模块端传输PLC控制信号。通过本发明，可以帮助学生理解过程控制自动化专业知识和PLC的工作原理和应用方法，不用投入真实的操作练习器材（自动化生产线），利用虚拟仿真的方式即达到教学的目的。
Description
技术领域
本发明公开了一种模拟加工检测仿真教学系统，涉及虚拟仿真教学技术领域。
背景技术
自动化生产线的加工实训主要由工件传动系统和控制系统组成；它按照一定的工艺顺序，通过自动变速器和其它辅助装置将各种自动机械连接起来，并通过气动、电动机、传感器等电气设备通过电气控制系统的作用实现电路逻辑控制，使整个系统能够满足连续稳定的工艺要求生产满足特定产品的技术要求。对于自动控制技术，机械与电气一体化技术，数字控制技术等专业相关课程来说，进行生产线教学实训是必不可少的环节。
传统的教育实训都是真正的器材实验，学习者在真正的实验环境下操作实验设备完成实验目的；用实际实验器材进行实验教育的教学模式，常常受到一些资源，环境和人身安全的限制，为此，需要新的工具或手段来满足实验教育日益激增的需求。虚拟仿真实验是在虚拟现实技术的基础上产生并发展起来的，其主要组成部分均为计算机虚拟构成的实验资源，包括实验室环境，实验室仪器，实验设备等。在虚拟仿真实验中，学生可以仅仅通过键盘和鼠标，数据手套等设备与仿真实验系统中的虚拟设备进行数据交换，从而进行各种各样的实验操作。学生可以在比较充分的条件下设计和验证自己的实验要求，积极主动地进行创造性动手学习。
发明内容
为了解决现有实验教学中存在的缺点,本发明的目的在于提供一种模拟加工检测仿真教学系统。利用本发明的系统，可以模拟在真实条件下的一条加工检测生产线，通过真实的可编程控制器来控制虚拟场景中的生产线，达到人机交互；其能用于帮助学生理解过程控制自动化专业知识和可编程控制器(Programmable Logical Controller以下简称PLC)的工作原理和应用方法，协助教师以更好地完成教学任务。
本发明的目的是这样来实现的。
一种模拟加工检测仿真教学系统，其包括加工检测仿真模块、通讯模块和可编程控制模快；所述加工检测仿真模块是使用Unity引擎开发好的软件客户端，提供给用户对工件进行操作控制的实验环境；所述编程控制模块主要包括PLC和装有PLC编程软件的计算机，提供用户编程环境；所述通信模块包括信号转换网关，将真实PLC控制信号传输到虚拟的加工检测；加工检测仿真模块通过通讯模块和可编程控制模块相连，使得模拟加工检测仿真教学系统如下运行：可编程控制模块将真实PLC控制信号通过通讯模块传输到加工检测仿真模块，加工检测仿真模块的反馈信号通过通讯模块传输到PLC。
上述加工检测仿真模块的开发方法如下：使用3Dmax建立模拟加工检测流水线的模型和动画，导入到Unity引擎搭建整个软件人机交互界面、对模型动画处理以及完成通讯型号进行处理。
上述加工检测仿真模块的实验单元选自供料单元、加工单元、检测单元或分类单元中的一种或几种。
上述的加工检测仿真模块的软件端中主要包括、用户验证界面、PLC类型选择界面、实验单元选择界面以及模型控制界面。其中用户验证界面包括本机运行许可，通过对机器码的加密码来对软件加密；PLC类型选择界面其主要用来是匹配选择用户所选用的PLC类型，实验单元选择界面可选择预览所有实验单元的协同工作状态；也可选择进入单个实验单元；模型控制界面主要包括自动模式、手动模式、动画预览和复位按钮以及信号输入输出状态指示灯。
上述的加工检测仿真模块包含手动控制(模拟PLC信号控制)和自动控制(真实PLC信号控制)；可通过手动模式来对各个实验单元进行学习，通过自动模式来调试用户编写的PLC程序。
上述的可编程控制模快需要将装有编程软件的计算机配置好其组态并与PLC连接，PLC类型可以是西门子、三菱或台达各种类型；所述的通讯模块主要包括一个通讯网关和一个串口服务器，通讯网关可以是为泗博TS-180网关，串口服务器可以是卓岚串口服务器5184或5184L等。
和现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明所述的一种模拟加工检测仿真教学系统中适配的PLC的类型可以是西门子、三菱或台达各种类型；
本发明所述的一种模拟加工检测仿真教学系统中包含手动控制(模拟PLC信号控制)和自动控制(真实PLC信号控制)；可通过手动模式来对各个实验单元进行学习，通过自动模式来调试用户编写的PLC程序。
本发明所述的一种模拟加工检测仿真教学系统中加工检测模块使用Unity引擎开发，并完成了Unity与PLC的通信协议转换。
本发明所述的一种模拟加工检测仿真教学系统中信号可以是从PLC传输到加工检测仿真模块，也可以是从加工检测仿真模块反馈到PLC，即系统为双向传输。
附图说明
图1为用户验证界面。
图2为PLC类型选择界面。
图3为实验单元选择界面。
图4为模型控制界面(模型部分以提取单元为例)。
图5为供料单元的图示。
图6为加工单元的图示。
图7为检测单元的图示。
图8为分类单元的图示。
图9为设备连接方式的图示。
图10为信号转换形式的图示。
图11为系统结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
图11为本发明提出的一种虚拟仿真教学系统的系统结构框图。图9为设备连接方式的图示。如图11和图9所示，其包括可编程控制模块(包括PLC和对PLC编程的上位机)，其中PLC可以是西门子S7-300、通讯模块以及加工检测仿真模块。可编程控制模块通过通讯模块与加工检测仿真模块相连。其中可编程控制模块主要提供用户一个PLC编程环境以及在安装中和PLC通讯功能的调试；通讯模块主要包括信号转换网关；而加工检测仿真模块需要安装在一台计算机(下位机)上，提供用户一个虚拟的的实验设备，其主要模拟加工检测流水线上对工件的一些操作控制。系统的整体功能由上位机中编写程序通过通讯模块来控制下位机中的虚拟实验设备，通过手动模式来对各个实验单元进行学习，通过自动模式来调试用户编写的PLC程序。
所述的可编程控制模块中的计算机(上位机)，需要在计算机上安装与PLC类型对应的编程软件，在系统的完整运行中，上位机首先需要和PLC连接并配置两者通讯；在使用时，用户使用上位机的编程软件中来编写对应模块的PLC程序。当PLC为西门子或三菱时，编程软件是博途(西门子PLC)、GX Develop(三菱PLC)等。
通讯模块主要包括通讯网关、串口服务器等，两者主要实现的功能是将PLC所发出的信号(PROFINT)转为下位机加工检测仿真模块所能读取的信号类型(TCP/IP)；在某些实施例中，当PLC类型为西门子时，所述的通讯网关可以是上海泗博通讯网关TS-180，其可以将西门子PLC的PROFINT形式的信号转换成RS232形式的信号。编程计算机将编译好的PLC程序下载到西门子S7-300PLC中去，西门子S7-300通过以太网与TS180网关进行通讯连接，TS180的目的是将S7-300的PROFINT形式的信号转换成RS232信号。TS180的另一端口通过RS232通讯线与串口服务器的RS232接口连接，所述的串口服务器可以是卓岚串口服务器5184；串口服务器将RS232信号转换成TCP/IP信号，再通过网线将串口服务器与虚拟软件端计算机的网口连接；通讯模块能够实现上位机和下位机的信号双向传输。
加工检测仿真模块是开发好的软件客户端；涵盖计算机图形学人机接口技术多媒体技术传感技术网络技术等多种技术。具体来说，所述的加工检测仿真模块的软件端中主要包括用户验证界面、PLC类型选择界面、实验单元选择界面以及模型控制界面。其中用户验证界面包括本机运行许可证，通过对机器码的加密码来对软件加密；PLC类型选择界面其主要用来是匹配选择用户所选用的PLC类型，实验单元选择界面可选择预览所有实验单元的协同工作状态；也可选择进入单个实验单元；模型控制界面主要包括自动模式、手动模式、动画预览和复位按钮以及信号输入输出状态指示灯。
用户验证界面如图1所示，包括验证本机运行许可证，通过对机器码的加密码来对软件加密，一方面保证软件安全，另一方面还能保证用户的个人信息安全。
PLC类型选择界面如图2所示，其主要用来是匹配选择用户所选用的PLC类型，选择正确的PLC类型是用户在实验过程中正确实验的保证。在实施例中PLC类型主要为三菱和西门子。
实验单元选择界面如图3所示，其主要用来是提供用户确定自己要进行那一部分的实验，实施例中主要为供料单元、加工单元、检测单元和分类单元这四个单元。
模型控制界面如图4所示，各个实验单元(除主模型外)可以是一致的，在模型控制界面中可以包含以下几个功能：自动模式、手动模式、动画预览、复位按钮；而在在模型控制界面的两边分别有对应模型的输入输出状态指示灯，其中PLC输出端(对应的是软件的输入端)的信号状态在交互界面的左边，而PLC的输入端(对应的是软件的输出端)的信号状态在交互界面的右边。
自动模式在不连接通讯模块以及PLC时，由于没有信号的传入，设备模型将不会有动作；在连接通讯模块以及PLC后，点击自动模式，设备模型应该按照PLC中指定的程序进行相应的动作；所述的手动模式可以不连接通讯模块和PLC使用，在某些实施例中，使用手动模式可以模拟PLC输出点信号，进行模型测试以及对模型中传感器I点的查找，加深对虚拟实验器材的了解。
可编程控制模块主要用于给加工检测仿真模块端PLC控制信号，实验者可以在在可编程控制模块编写程序，观察虚拟加工检测仿真模块端的控制方式，来验证自己的程序可行性和正确性。
本发明中，加工检测仿真模块是使用3Dmax建模软件建立模型，其中模型主要包括供料单元、检测单元、提取单元和分类单元；Photoshop图片剪辑软件处理贴图；Unity3D引擎和面向对象的开发工具C#完成软件的一些功能，如加密、通讯以及信号处理等。
供料单元如图5所示，所需要实现的功能主要包括三个工艺流程：1、通过送料气缸将工件送至料仓指定位置；2、摆动气缸摆动到料仓位置并吸取工件；3、摆动气缸将吸取的工件送至下一站检测单元。在整个工序流程中主要有几个工步：1、送料气缸送料；2、送料气缸复位；3、摆动气缸摆到仓料位置；4、气阀吸气将工件吸紧在摆动气缸上；5、摆动气缸带工件到下一站检测单元；6、气阀停止吸气松开工件。
供料单元如图5所示，在PLC传到模块中Q点的信号为1时，其对应在模块界面中输入指示灯(Q)变为绿色，并进行表1中对应各个Q点的动作；当模块中的检测点检测到动作到达表1中的状态时，对应输出指示灯(I点)变为绿色，其中每个状态与表1中状态一一对应。在某些实施例中，其IO点对应说明如表1所示：
表1：供料模块I/O说明
| PLC输出点Q | Q＝1对应动作 | PLC输入点I | 对应状态I＝1 |
| Q0.0 | 送料气缸送料 | I0.1 | 退回到位 |
| Q0.1 | 吸气阀吸气 | I0.2 | 推出到位 |
| Q0.2 | 放气阀吹气 | I0.3 | 气阀吸紧 |
| Q0.3 | 摆动气缸左行 | I0.4 | 摆动到左 |
| Q0.4 | 摆动气缸右行 | I0.5 | 摆动到右 |
加工单元如图6所示，所需要实现的功能主要包括几个工艺流程：1、工作台带动工件至检测电磁阀下；2、电磁阀检测工件槽深；3、检测结束后工作台转动至钻孔工位；4、夹紧气缸夹紧工件后进行钻孔；5、钻孔结束，夹紧气缸缩回，钻孔机上升，钻孔工艺完成；6、钻孔结束，工作台转动至分拣手处，将工件到下一单元。
加工单元如图6所示，在PLC传到模块中Q点的信号为1时，其对应在模块界面中输入指示灯(Q)变为绿色，并进行表2中对应各个Q点的动作；当模块中的检测点检测到动作到达表2中的状态时，对应输出指示灯(I点)变为绿色，其中每个状态与表2中状态一一对应。在某些实施例中，其IO点对应说明如表2所示：
表2：加工模块I/O说明
| PLC输出点Q | 值为1时 | PLC输入点I | 值为1时 |
| Q0.0 | 钻孔电机工作 | I0.0 | 工件到达此工位 |
| Q0.1 | 工作台转动 | I0.1 | 工件到达钻孔位 |
| Q0.2 | 钻孔气缸上升 | I0.2 | 工件到达检测位 |
| Q0.3 | 钻孔气缸下降 | I0.3 | 工件到分拣位 |
| Q0.4 | 夹紧气缸伸出 | I0.4 | 钻孔缸到初始位 |
| Q0.5 | 检测电磁阀下降 | I0.5 | 钻孔缸到钻孔位 |
| Q0.6 | 分拣手伸出 | I0.6 | 槽深符合标准 |
检测单元如图7所示，所需要实现的功能主要包括几个工艺流程：1、无杆气缸将工件送至检测位；2.1、检测工件合格则伸缩气缸推出工件；2.2、检测到工件高度不合格则无杆气缸下降，下降到位后伸缩气缸推出工件并缩回3、打开气垫，加速工件下滑。
检测单元如图7所示，在PLC传到模块中Q点的信号为1时，其对应在模块界面中输入指示灯(Q)变为绿色，并进行表3中对应各个Q点的动作；当模块中的检测点检测到动作到达表3中的状态时，对应输出指示灯(I点)变为绿色，其中每个状态与表3中状态一一对应。在某些实施例中，其IO点对应说明如表3所示：
表3：检测模块I/O说明
| PLC输出点Q | 值为1时 | PLC输入点I | 值为1时 |
| Q0.0 | 升降气缸下降 | I0.0 | 工件到达此工位 |
| Q0.1 | 升降气缸上升 | I0.1 | 工件不是黑色 |
| Q0.2 | 伸缩气缸推出 | I0.2 | 安全传感器开 |
| Q0.3 | 气垫打开 | I0.3 | 工件高度足够 |
| I0.4 | 上限位 | ||
| I0.5 | 下限位 | ||
| I0.6 | 推手到位 |
分类单元如图8所示，所需要实现的功能主要包括几个工艺流程：1、工件到位，传动带工作，挡板伸出；2、传感器检测工件材质和颜色，挡板缩回。3.1如果工件是黑色，分拣手1伸出，工件到达第一个滑槽；3.2如果工件是银色，分拣手2伸出，工件到达第二个滑槽；3.3如果工件是红色，直接进入最后一个滑槽。
分类单元如图8所示，在PLC传到模块中Q点的信号为1时，其对应在模块界面中输入指示灯(Q)变为绿色，并进行表4中对应各个Q点的动作；当模块中的检测点检测到动作到达表4中的状态时，对应输出指示灯(I点)变为绿色，其中每个状态与表4中状态一一对应。在某些实施例中，其IO点对应说明如表4所示：
表4：分类模块I/O说明
| PLC输出点Q | 值为1时 | PLC输入点I | 值为1时 |
| Q0.0 | 挡板伸出 | I0.0 | 工件到达此工位 |
| Q0.1 | 传送带运动 | I0.1 | 工件是金属的 |
| Q0.2 | 分拣手1伸出 | I0.2 | 工件是红色的 |
| Q0.3 | 分拣手2伸出 | I0.3 | 滑槽工件储满 |
| I0.4 | 分拣手1在初始位置 | ||
| I0.5 | 分拣手1在工作位置 | ||
| I0.6 | 分拣手2在初始位置 | ||
| I0.7 | 分拣手2在工作位置 |
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种模拟加工检测仿真教学系统，其特征在于，其包括加工检测仿真模块、通讯模块和可编程控制模快；所述加工检测仿真模块是使用Unity引擎开发好的软件客户端，提供给用户对工件进行操作控制的实验环境；所述编程控制模块主要包括PLC和装有PLC编程软件的计算机，提供用户编程环境；所述通信模块包括信号转换网关，将真实PLC控制信号传输到虚拟的加工检测；加工检测仿真模块通过通讯模块和可编程控制模块相连，使得模拟加工检测仿真教学系统如下运行：可编程控制模块将真实PLC控制信号通过通讯模块传输到加工检测仿真模块，加工检测仿真模块的反馈信号通过通讯模块传输到PLC。
2.根据权利要求1所述的模拟加工检测仿真教学系统，其特征在于，所述的加工检测仿真模块的开发方法如下：使用3Dmax建立模拟加工检测流水线的模型和动画，导入到Unity引擎搭建整个软件人机交互界面、对模型动画处理以及完成通讯型号进行处理。
3.根据权利要求1所述的模拟加工检测仿真教学系统，其特征在于，所述加工检测仿真模块的实验单元选自供料单元、加工单元、检测单元或分类单元中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的模拟加工检测仿真教学系统，其特征在于，所述加工检测仿真模块的软件端中包括用户验证界面、PLC类型选择界面、实验单元选择界面以及模型控制界面。
5.根据权利要求4所述的一种模拟加工检测仿真教学系统，其特征在于，所述用户验证界面包括本机运行许可，通过对机器码的加密码来对软件加密；PLC类型选择界面其主要用来是匹配选择用户所选用的PLC类型，实验单元选择界面可选择预览所有实验单元的协同工作状态，也可选择进入单个实验单元；模型控制界面主要包括自动模式、手动模式、动画预览和复位按钮以及信号输入输出状态指示灯；用户通过手动模式控制客户端内三维模型的动作方式，使用自动模式测试编写的PLC程序。
6.根据权利要求1所述的模拟加工检测仿真教学系统，其特征在于，所述加工检测仿真模块包含手动控制和自动控制；手动控制用于模拟PLC信号控制，来对各个实验单元进行学习；自动控制用于控制真实PLC信号控制，来调试用户编写的PLC程序。
7.根据权利要求1所述的模拟加工检测仿真教学系统，其特征在于，所述通讯模块主要包括一个通讯网关和一个串口服务器，通讯网关是TS-180网关，串口服务器是卓岚串口服务器5184或5184L。
8.根据权利要求1所述的模拟加工检测仿真教学系统，其特征在于，可编程控制模快中，装有编程软件的计算机与PLC连接，并且配置好其组态。
9.根据权利要求1所述的一种模拟加工检测仿真教学系统，其特征在于，可编程控制模快中的PLC的类型是西门子、三菱或台达PLC。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200605 |