虚实结合仿真实训平台的建设与实践

2023年1月第2期
Jan. 2023
No.2
教育教学论坛
EDUCATION AND TEACHING FORUM
虚实结合仿真实训平台的建设与实践
张乃龙
（北京工业大学 材料与制造学部，北京 100124）
［摘 要］ 为适应新工科建设的要求，加强学生综合工程能力培养，解决实践资源不足的问题，结合智能制造专业建设要求，搭建了虚实结合仿真实训平台应用于专业课程群的实践教学。

基于机械工程系统基本设计流程，构建课程群综合设计能力实训平台，把机械原理、机械设计、机械控制和创新方法实践等课程实践相贯通进行方案设计、结构设计和控制系统设计，建立虚拟设备模型、实物样机和控制系统相结合进行控制仿真验证的虚实仿真训练模式。

实践表明，虚实结合使实训内容多样化，机械系统设计的一线式实训更接近于实际，提高了学生的参与积极性，有助于提升学生的创新能力和解决复杂工程问题的能力。

［关键词］ 虚拟仿真；实践训练；虚实结合；能力培养
［基金项目］ 2019年度北京工业大学教育教学研究课题（K2019ID003）
［作者简介］ 张乃龙（1976—），男，山东临沂人，博士，北京工业大学材料与制造学部高级实验师，主要从事数字化设计研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）02-0109-04 ［收稿日期］ 2022-03-18
近年来，随着工程教育中新工科建设的快速开展和工程教育专业认证工作的不断推进，国内各高校在机械工程专业的教学中越来越强调对学生创新能力和解决复杂工程问题能力的培养［1］。

创新能力和工程能力的培养离不开科学的实践教学体系和完善的校内外实验基地建设［2］。

面对场地限制和设备安全问题，各类仿真软件的使用为解决课程实践问题提供了可选的手段。

当前虚拟仿真平台在各类课程中已得到广泛应用，虚拟样机及计算分析软件在机械原理类课程［3］、三维建模软件在机械设计类课程中都已普遍开展应用训练［4-5］，电工电子和PLC课程也通过仿真软件实现了实训多样化［6-7］。

为适应新工科建设要求，结合新教学大纲制定和智能制造专业建设对专业课程实践教学体系进行改革，搭建虚实结合的专业课程群综合实践训练平台，以提升创新能力和工程实践能力培养效果。

一、实践教学存在的问题
当前实训平台存在一些问题和缺陷：一是课程实践训练普遍各自为政，课程间缺少紧密联系，课程资源无法共享；二是三维建模软件未考虑零部件物理属性仿真结果与实际运动状态有较大差异，且无法与实际控制系统结合进行控制驱动；三是控制类课程实训对象类型少，模型单一，对学生缺少吸引力；四是虚拟模型与实物控制系统联合进行仿真较少；五是各教学环节独立训练，系统性的综合性设计训练较少。

针对以上问题，通过引入机电一体化仿真系统与常规仿真软件进行综合，对专业课课程群实践训练进行统一规划和设计，建立各课程实践训练之间的联系，搭建虚实结合的课程群实训平台，使课程实训内容具有一致性和连贯性；同时使实训目标多样化，以充分调动学生的积极性和主动性，提升实训效果。

二、实训仿真平台架构
根据学生综合实践能力培养要求，通过建立一线式综合仿真平台，使学生针对一个设计项目，在一系列课程实训中完成方案设计、结构设计和控制系统设计，经历完整工程系统设计训练，掌握基本的解决工程问题的能力。

一线式虚实结合实训仿真平台框架如图1所示。

专业课程群包括机械原理类课程、机械设计类课程、电工电子控制类课程和创新设计与实践等课程。

根据各课程培养任务和能力培养目标，以一个题目贯穿到底的方针，设置各课程训练目标，通过实际项目阶段任务的实现训练学生对所学知识的理解和应用。

在前期的实践训练课程改
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革中，我们打通了机械原理和机械设计课程实训内容，机械原理实践中布置创新性设计题目，要求完成方案设计及虚拟样机仿真，计算分析机构的力学特性和运动特性；在机械设计实践训练阶段，根据前期方案设计结果，逐步完成零部件结构设计、装配和运动仿真，检查零部件结构设计和功能设计的完整新和合理性。

对于优秀的设计作品进行加工制造，推荐参加科技活动。

针对新的教学要求和智能制造专业建设计划，对原有实训平台进行了拓展。

在原有实训平台的基础上，利用机电一体化仿真软件在机械类课程和电工电子类课程中建立桥梁，打通两类课程之间的联系，使实训目标由机械为主过渡到控制为主，控制目标变为学生自己的设计模型，增加实训目标的挑战性和实战性，增加学生主动学习的积极性和创新意识。

同时采购和制作了部分实验设备，以便学生进行虚实仿真对比训练。

三、虚拟仿真软件选择
机械行业所使用的虚拟仿真软件种类较多，在进行仿真软件的选择时，根据教学课程及实践环节性质，选用易于学习的软件。

数值建模与分
析软件选用Matlab 软件，该软件将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，是科学研究、工程设计等领域广泛使用的数值计算工具。

虚拟样机仿真分析软件采用Adams 软件，该软件是使用最为广泛的多体动力学软件，能够了解运动部件的动力学特性及在整个机械系统内部荷载和作用力的分布情况。

三维建模选用SolidWorks软件，该软件具有强大的实体建模功能且简单易学。

机电一体化仿真系统采用IRAI仿真系统VUP （Virtual Universe Pro ），可以实现与实际环境一致的物理性能、机械结构及动作功能，能够使机械设计与电气设计在仿真系统上并行进行开发工作；仿真系统还可以与实际的控制设备进行信号交互，接收控制指令及反馈传感器等信号，可以很好地实现机械系统和控制系统的联合仿真训练。

四、实训仿真平台的实施
针对机械系统设计步骤和仿真软件选择，在课程群内进行一线式工程能力综合训练，实训流程如图2所示。

图2 实训平台实施流程
仿真软件课程群
能力培养工程训练计算分析 软件
机械原理类课程
设计分析 能力原理样机 仿真
图1 实训仿真平台架构
（一）机械原理类课程实践训练仿真
机械原理类课程包括“机械原理”“机械原
理实验”和“机械原理课程设计”。

在“机械原理实验”课程初期，结合科技大赛布置训练题目，通
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过课堂知识学习、仿真软件学习及设计训练，对任务进行分解，以小作业形式完成设计任务，在课程设计环节进行总结完善，逐步完成训练项目的方案设计任务。

在训练中，对设计方案中的主要机构进行计算分析，要求学生利用MatLab软件进行数值计算分析；然后通过Adams进行物理样机建模，并进行动力学仿真分析，获取机构运动学和动力学参数，比较数值计算结果与样机仿真结果，分析差异的原因，为优化设计提供支持。

（二）机械设计类课程实践训练仿真
机械设计类课程包括“机械设计”“机械设计实验”“机械设计课程设计”和“创新设计与实践”等课程。

在这个阶段，结合前期课程完成的方案设计结果，指导学生利用三维建模软件SolidWorks 进行零部件建模。

根据设计的一般工作流程，指导学生逐步完成零部件设计。

在实际设计中遇到问题时到课堂学习中寻找答案，以促进课堂学习。

通过课堂学习指导、实验课程任务实训，在课程设计环节完成项目整体设计内容。

该阶段训练要求学生掌握三维建模软件的使用、基本零件结构设计和零部件装配并进行基本运动仿真，对学生进行针对性的结构设计训练，培养学生零部件结构设计意识。

SolidWorks建模软件的使用使学生能够直观表达设计意图，有效完成项目训练目标。

在运动仿真环节，改变过去依赖三维建模软件通过时间线控制运动进行运动仿真的方式，利用IRAI机电一体化仿真平台的VUP系统，把建立的三维模型导入VUP系统，可实现接近真实的运动仿真。

在VUP软件内设置零件物理属性，通过父子层级控制零件间运行关系。

通过建立零件间父子层级关系来完成某一动作，核心运动零件为父级零件，其他从动零件为子级零件。

为父级零件设置动作后，子级零件随父级零件一起作为一个整体共同运动。

（三）控制类课程仿真
VUP虚拟运动模型可与多种类型的控制系统连接。

主要有VUP软件内置虚拟控制系统设计平台，虚拟PLC平台、PLC实体、单片机实体和控制电路实体等控制体系。

进行基本控制编程，控制节点通过设置的I/O接口控制三维模型进行运动控制。

1.通信I/O口设置。

虚拟模型的运动可通过
虚拟控制系统进行控制，也可与实际控制设备连接进行控制。

对于由控制信号驱动的动作，设置相应I/O接口，接口名称根据PLC控制指令类型进行命名，以方便信号连接。

运动仿真模型设置完善I/O接口，为电工电子类课程、PLC等提供了虚拟的控制对象。

2.PLC虚拟仿真。

VUP软件通过NetToPLCsim 软件与外部PLCSIM仿真软件进行通信，在Net-ToPLCsim中添加仿真PLC的IP地址信息，在VUP 软件中设置IP地址为NetToPLCsim配置的网络IP 地址，实现VUP仿真模型与PLCSIM实现连接。

通信成功后，在VUP软件中进行PLCSIM控制测试。

3.PLC虚实联合仿真。

VUP软件通过IP与外部PLC进行直连通信，我们实训中采用的是西门子S7-1200 PLC，在VUP软件中设置驱动为西门子S7，IP地址与PLC保持相同，实现VUP仿真模型与外部PLC实现连接。

通信成功后，就可以在VUP 软件中进行PLC控制测试。

在完成虚拟仿真控制的基础上，实训平台既提供了虚拟仿真模型，也提供了一台与虚拟模型一致的试验台，可以建立双胞胎数据模型，使学生在进行虚拟仿真测试后可以进行实物控制测试，观察控制效果的一致性，增强学生对自己编程能力的信心。

结语
综合实训平台以一个项目贯穿学生整个专业课程学习阶段，学生经过方案设计分析、机构设计分析和控制运动测试连续的工程设计过程训练，能够初步掌握机械系统设计的一般过程，培养了基本的工程实践技能。

通过虚拟控制仿真训练，使学生进行PLC等控制系统程序编写训练，学生将自己编写的程序与平台提供的模型相连接，验证程序的正确性。

学生自主建立的三维模型使实训项目多样化，增强了学生的学习兴趣。

仿真平台的应用在一定程度上解决了机械结构复杂、成本高、占空间大等一系列问题，并能使学生将理论知识与实际运用结合起来，进一步提高了学生对机械类课程的兴趣。

控制系统的虚拟仿真有效解决了复杂装备实训安全的问题。

在实验过程中可以保证每个学生都能参与实验，起到了良好的实验效果，为今后此类仿真平台运用打下了坚实的基础。

参考文献
［1］姜宝成,刘辉,张昊春,等.面向新工科人才培养的能源张乃龙 虚实结合仿真实训平台的建设与实践
教育教学论坛2023年1月
动力大类专业实验教学体系建设［J］.高等工程教育研究,2019(S1):43-44+52.
［2］钟会影.专业认证视角下创新实验教学平台的设计与实现［J］.教育教学论坛,2019(22):269-271.
［3］崔光珍,肖艳秋,王才东,等.虚拟仿真教学在机械原理课程中的应用研究［J］.中国现代教育装备,2019(21):71-72.
［4］宁方立,王琳.虚实结合的机械设计实验教学方法［J］.
实验室研究与探索,2017,36(2):165-167.
［5］华剑,徐小兵.虚拟仿真软件在机械专业教学中的应用实践［J］.大学教育,2020(2):14-16.
［6］马学条,程知群,郑雪峰,等.电子信息技术虚拟仿真实验教学平台的建设与实践［J］.实验技术与管理,2018,35(11):130-133.
［7］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(2):196-197.
Construction and Practice of Virtual and Real Combination Simulation Training Platform
ZHANG Nai-long
(Faculty of Materials and Manufacturing, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China) Abstract: In order to meet the requirements of the construction of new engineering courses, strengthen the cultivation of students’ comprehensive engineering ability, and solve the problem of insufficient practical resources, a virtual reality simulation training platform has been built to apply to the practical teaching of professional course groups in combination with the requirements of the construction of intelligent manufacturing specialty. Based on the basic design process of mechanical engineering system, a training platform for the comprehensive design ability of the course group is built, which integrates the practice of mechanical principles, mechanical design, mechanical control and innovative methods to carry out scheme design, structural design and control system design, and establishes a virtual and real simulation training mode that combines virtual equipment model, physical prototype and control system for control simulation verification. Practice shows that the virtual and real combination can make the training content diversified, and the first-line training of mechanical system design is closer to reality, which can improve students’ enthusiasm for participation, and help to improve students’ innovation ability and ability to solve complex engineering problems.
Key words: virtual simulation; practical training; virtual and real combination; ability training。