基于MakeReal3D的MPS虚拟仿真实验系统设计

DAE专栏 / 06-11

由朱金达、刘庆磊、杨光等人主笔的《基于MakeReal3D的MPS虚拟仿真实验系统设计》发表于印刷与数字媒体技术研究（原《数字印刷》）。以下为图文摘要。文章阐述了，为解决传统模块化生产系统(Modular Production System,MPS)教学实验设备投入费用高、可拆装性差、实验时间受限等问题，基于MakeReal3D平台设计并开发了MPS虚拟仿真实验系统。该系统具有设备认知、模块化系统搭建、虚拟拆装、生产工艺仿真等多种功能，激发了学生的学习兴趣，加强了学生对专业知识的理解，培养了学生的动手能力和实践能力。

系统构建

作者基于模块化生产系统（Modular Production System, MPS）的构成，结合MPS实验教学的要求，对现有的MPS实验设备和相关资料进行实际测量，通过UG NX建立其三维模型，在MakeReal3D虚拟现实辅助工程平台中进行系统的设计开发。系统主要功能包括MPS系统各单元模块认知、模块化系统搭建、单元模块的手动和自动虚拟拆装、生产工艺流程仿真等。总体框架如图1所示。

图 1 MPS虚拟实验系统框架

首先利用MakeReal3D构建MPS实验场景，包含上料检测单元、操作手单元、加工单元、搬运单元、传送带单元、安装搬运单元、安装单元和立体存储单元八个单元。

图 2 实验环境整体布局

系统功能

1. 模块化系统搭建功能

根据加工对象的种类、数量和具体工艺要求，学生可以自主选择某种实验设计任务进行工艺流程规划，在VR环境中选择移动单元模块，进行组合搭建。如图3所示为操作手单元、加工单元和上料检测单元所组成的三站组合式生产系统。

图 3 三站组合式生产系统

2.虚拟拆装功能

MPS虚拟拆装功能是整个虚拟仿真实验系统中非常重要的内容，各单元必须符合实际拆装工艺的顺序，使得整个虚拟拆装过程在具有动态性、交互性的同时符合逻辑性，该功能分为手动拆装和自动拆装两种模式。自动拆装过程主要是运用动画录像的制作功能。手动拆装功能设计如图4所示。

图 4 手动拆装功能设计流程图

3. 运动仿真

运动仿真通过设定零件的父子关系，控制运动部件带动字迹零件进行运动。在脚本编辑器中通过合理定义零件的运动路径模拟现实中MPS的运动过程，编写零件的运动速度大小和运动方向，使用变量控制加工零件的数量、运动过程及加工过程等。

学生应用情况分析

系统发布之后选择200名学生分成A、B两组进行测试，A组通过该虚拟实验系统进行培训，B组进行原有MPS实验。对实验内容、可拆装性、培训时间、学生对知识的掌握程度四个方面进行分析，主要数据见表1。经对比，该虚拟仿真实验系统内容更丰富，能够让学生可以自由对设备进行组合设计和零件拆装，具有更强的探索性；同时，将单人的实验时间大幅缩短，学生培训完成之后，对其所需掌握知识进行测试（百分制），A组平均得分为87.6分，B组平均得分为80.3分。

MPS虚拟仿真实验系统利用MakeReal3D平台真实还原了模块化生产系统的工艺生产过程及操作方法，使学生不受时空限制，身临其境地在虚拟环境中完成对MPS的认知、拆装、系统搭建、工艺仿真实验，循序渐进地引导学生学习专业知识，拓展并丰富了原有实验的内容，延伸了教学的广度和深度，充分发挥了学生的自主性和创造性，培养了学生的动手能力和实践能力。