Automation Studio在液壓與氣動課程項(xiàng)目教學(xué)中的應(yīng)用

謝寶智,高 松

(1.常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系,江蘇 常州 213164;2.柏林工業(yè)大學(xué)職業(yè)教育系,柏林 10587)

基于行動導(dǎo)向的項(xiàng)目教學(xué)法是目前國內(nèi)高職課程教學(xué)改革的一個重要方向,這一方法能充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,讓學(xué)生在做中學(xué)、學(xué)中做,培養(yǎng)了學(xué)生的專業(yè)能力、社會能力與方法能力,大大提高了教學(xué)效果,而且減輕了老師的教學(xué)負(fù)擔(dān)[1]。對于液壓與氣動課程實(shí)施項(xiàng)目教學(xué)法,普遍要求建立一體化教室,讓學(xué)生行動起來。但是,由于我國高職院校大多采用大班化授課,即使經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的國家級示范性高職院校,硬件設(shè)施也不能滿足教學(xué)需求,生均資源比較低。此外,由于某些原因,學(xué)校與企業(yè)之間的合作仍處于低級階段,深度不夠,對學(xué)校教學(xué)也不能提供強(qiáng)有力的硬件支持。這些因素嚴(yán)重制約了項(xiàng)目教學(xué)法的推廣與實(shí)施。許多老師也往往以缺乏硬件為借口,停止了教改的步伐。

液壓仿真通過計算機(jī)仿真技術(shù),對所設(shè)計的液壓系統(tǒng)進(jìn)行整體的分析和評估,沒有傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備投資大、維護(hù)難的問題,為項(xiàng)目教學(xué)帶來了希望。本文闡述了利用Automation Studio仿真軟件進(jìn)行液壓與氣動課程項(xiàng)目教學(xué)的實(shí)施辦法,這使得項(xiàng)目教學(xué)能正常有效開展。并為學(xué)生在將來能進(jìn)行液壓與氣動系統(tǒng)的設(shè)計、維護(hù)、故障診斷等工作、學(xué)習(xí)使用功能更加強(qiáng)大的如AMESim液壓系統(tǒng)仿真設(shè)計軟件打下了基礎(chǔ)。

1 液壓與氣動課程項(xiàng)目教學(xué)簡介

高職院校大部分液壓與氣動課程的老師,都在積極采用德國的行動導(dǎo)向教學(xué)法,希望以此來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,較好的完成教學(xué)目標(biāo),培養(yǎng)學(xué)生知識、技能和素質(zhì)。但是在計劃或?qū)嵤┑倪^程中,發(fā)現(xiàn)有兩個最大的困難。一是硬件設(shè)施不足,由于液壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求高、投入大,一般的職業(yè)學(xué)校沒有能力建立能滿足項(xiàng)目教學(xué)的一體化教室;二是學(xué)生自學(xué)能力不夠,動手能力差,缺少獨(dú)立學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng),不能獨(dú)立完成工作任務(wù),需要老師大量的講解。這些困難讓老師又回到了習(xí)慣的傳統(tǒng)教學(xué)方法。于是常常會出現(xiàn),學(xué)生認(rèn)為教師教的不好而對課程缺乏興趣,同時教師抱怨學(xué)生不愿學(xué)習(xí)的現(xiàn)狀。

針對這些問題,我們進(jìn)行了液壓與氣動課程的教學(xué)改革。對于液壓與氣動課程,要采用項(xiàng)目教學(xué)或?qū)嶋H的工作任務(wù)為導(dǎo)向,就必須用一個完整的液壓或氣動系統(tǒng)作為載體。必要的理論知識儲備是開展項(xiàng)目教學(xué)的前提和基礎(chǔ)。在沒有任何基礎(chǔ)的前提下,學(xué)生根本沒有辦法獨(dú)立開展學(xué)習(xí)。因此結(jié)合本課程的特點(diǎn),如表1所示,在教學(xué)計劃中先安排了18課時的入門項(xiàng)目,通過 “老師講授示范學(xué)生跟練”的教學(xué)方法,幫助學(xué)生掌握液壓傳動的基本概念五個組成部分、基本回路和仿真軟件的使用;為獨(dú)立完成后續(xù)的三個項(xiàng)目打下基礎(chǔ)。在項(xiàng)目的實(shí)施階段,充分利用學(xué)生的筆記本電腦和Automation Studio仿真軟件去讓學(xué)生行動起來,使得項(xiàng)目成果可視化。

表1 液壓與氣動課程項(xiàng)目教學(xué)計劃表

2 項(xiàng)目教學(xué)的實(shí)施保障

德國的行動導(dǎo)向教學(xué)法強(qiáng)調(diào)實(shí)施的真實(shí)性與成果的可視化。我院液壓與氣動的實(shí)驗(yàn)條件是有兩個實(shí)驗(yàn)室：一個是液壓元件拆裝實(shí)驗(yàn)室,可以完成齒輪泵與先導(dǎo)式溢流閥的拆裝;另一個是液壓系統(tǒng)分析實(shí)驗(yàn)室,有三臺試驗(yàn)臺。但是年久失修,已不能開展實(shí)驗(yàn)。這一現(xiàn)狀顯然不能滿足項(xiàng)目教學(xué)中學(xué)生行動的教學(xué)要求。

項(xiàng)目教學(xué)法在于調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。關(guān)鍵是讓學(xué)生行動起來!讓他們自主學(xué)習(xí)!面對學(xué)校硬件設(shè)施薄弱這一客觀事實(shí),我們展開了調(diào)查研究。發(fā)現(xiàn)所授班級開設(shè)液壓與氣動課程的時間,一般是在第三學(xué)期。此時,學(xué)生普遍擁有自己的筆記本電腦,至少可以保證三人一臺電腦,學(xué)生可以通過電腦來完成項(xiàng)目教學(xué)。

目前液壓與氣動仿真軟件主要有：德國FESTO公司的FluidSIM軟件、加拿大貝加萊公司的Automation Studio軟件、法國IMAGINE公司的AMESim軟件以及美國 MathWorks公司的 MATLAB/SIMULINK軟件等。這些軟件從功能上講,各有特點(diǎn)。其中,FluidSIM與Automation Studio由于直觀易學(xué),在高職院校課程教學(xué)中被廣泛使用。與Fluid SIM軟件相比,Automation Studio更加面向工程實(shí)際,同時具有與電氣PLC控制聯(lián)合仿真功能[2-4]。

于是在液壓與氣動課程項(xiàng)目實(shí)施過程中,我們借助學(xué)生的個人電腦,選擇了Automation Studio仿真軟件作為液壓與氣動項(xiàng)目教學(xué)實(shí)施的平臺,代替實(shí)際液壓與氣動系統(tǒng)的組裝與分析實(shí)驗(yàn)。沒有給學(xué)校增加一點(diǎn)負(fù)擔(dān),成功解決了硬件條件阻礙項(xiàng)目實(shí)施的難題。

3 Automation Studio在項(xiàng)目實(shí)施中的具體應(yīng)用

以表1中的入門項(xiàng)目磨床工作臺液壓傳動系統(tǒng)的仿真與分析為例,講解Automation Studio仿真軟件在項(xiàng)目教學(xué)實(shí)施過程中的應(yīng)用方法。該項(xiàng)目結(jié)束后可使學(xué)生掌握液壓傳動必要的專業(yè)知識與仿真軟件的使用能力、項(xiàng)目實(shí)施的基本步驟與方法,為獨(dú)立完成后續(xù)項(xiàng)目做好準(zhǔn)備。

3.1 構(gòu)建液壓系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)磨床液壓系統(tǒng)原理圖,利用軟件自帶的豐富的液壓與氣動元件庫,可以方便地建立如圖1所示的仿真模型。在模型的建立過程中,可以讓學(xué)生掌握液壓系統(tǒng)的五個組成部分、常用元件的圖形符號、功能與重要參數(shù)、軟件的基本使用方法等。

3.2 進(jìn)行仿真分析

3.2.1 液壓元件工作過程仿真分析

圖1 磨床工作臺液壓系統(tǒng)仿真模型

仿真過程中右擊任一元件,在快捷菜單中選擇“Animation”即可動態(tài)仿真該元件的動態(tài)工作過程。如圖2所示,是油箱、手動三位四通換向閥的工作過程仿真截圖。通過形象的動態(tài)過程,可以幫助學(xué)生理解抽象的元件工作過程與工作原理,大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與課堂教學(xué)的效率。

3.2.2 系統(tǒng)各個動作仿真分析

單擊換向閥的三個工作位置,如圖3,可以直觀地觀察到液壓泵、液壓缸、溢流閥等元件的動作、液壓油的流動方向,實(shí)現(xiàn)磨床工作臺向右、停止和向左的運(yùn)動控制。

圖2 液壓元件工作過程動畫

圖3 磨床工作臺運(yùn)動仿真

3.2.3 利用壓力表、流量計觀察分析

利用壓力表可以觀察分析泵的出口壓力、缸的工作壓力在運(yùn)動過程不同階段的變化。如圖4-a所示,是缸向左運(yùn)動時,需要的工作壓力是0.1MPa(由于缸沒有設(shè)定阻力),泵的出口壓力是8.09MPa(基于等于溢流閥的調(diào)定壓力8MPa);流向液壓缸與溢流閥的流量總和約等于定量泵的流量120LPM。這可以幫助學(xué)生通過具體的數(shù)據(jù),理解不同的閥 (控制元件),在液壓系統(tǒng)中對執(zhí)行元件輸出力、速度和方向的控制。

3.2.4 修改參數(shù)觀察分析

可以修改泵、溢流閥、節(jié)流閥、液壓缸的相關(guān)參數(shù),運(yùn)行仿真,通過壓力表、流量計觀察變化,分析其中的原因。如圖5所示,雙擊液壓缸,修改外伸的阻力為1000N,仿真結(jié)果發(fā)生了變化,液壓缸的工作壓力從0.1MPa增大到0.22MPa,流量從116.86LPM減小到115.96LPM,如圖4-b所示。

圖4 工作臺阻力不同時壓力與流量的變化圖

圖5 液壓缸參數(shù)修改窗口

3.2.5 利用Plotter功能動態(tài)分析記錄測試參數(shù)的變化

打開Plotter窗口,拖動需要動態(tài)觀察的元件至Plotter窗口,松開鼠標(biāo)會出現(xiàn)該元件可以動態(tài)觀察的參數(shù)選擇窗口,選擇需要的參數(shù)。如圖6所示,選擇了液壓缸的速度、液壓缸無桿腔的流量、節(jié)流閥與換向閥之間流量計的流量、泵的流量為觀察參數(shù),運(yùn)行仿真后得到的曲線。從曲線可以看出,在缸向右運(yùn)動過程中,泵的流量是一恒定值,保持不變;其它三個參數(shù)的變化規(guī)律基本相同。這與理論分析的結(jié)果是一致的。

圖6 液壓缸速度-流量仿真曲線

4 實(shí)施效果

由于解決了硬件不足,項(xiàng)目實(shí)施的難題,使得液壓與氣動課程的項(xiàng)目教學(xué)能夠正常開展并取得了一定的成績。大部分同學(xué)都能圍繞給定的任務(wù),利用Automation Studio仿真軟件學(xué)習(xí)液壓與氣動專業(yè)知識,上網(wǎng)檢索相關(guān)資料、去圖書館借參考書、在多媒體教室展示自己的成果、進(jìn)行激烈的爭論,順利地完成了工作任務(wù)與學(xué)習(xí)任務(wù)。課程結(jié)束之后,同學(xué)都表示喜歡液壓與氣動課程的這一教學(xué)方法,不僅掌握了專業(yè)知識和專業(yè)技能,還提高了語言表達(dá)能力、組織能力、軟件操作、上網(wǎng)檢索、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等其他方面的能力。

5 結(jié) 語

采用仿真軟件代替實(shí)際液壓與氣動系統(tǒng)的組裝與調(diào)試,是目前教學(xué)硬件設(shè)置不足情況下,實(shí)施項(xiàng)目教學(xué)法,提高教學(xué)質(zhì)量的一個有效途徑。實(shí)踐證明,該軟件生動逼真的仿真效果和強(qiáng)大的分析功能,有效地吸引了學(xué)生的注意力,激發(fā)了學(xué)生對液壓傳動課程專業(yè)知識的學(xué)習(xí)興趣,保證了項(xiàng)目的有效實(shí)施,實(shí)現(xiàn)了教學(xué)目標(biāo)?；贏utomation Studio仿真軟件進(jìn)行液壓與氣動課程的項(xiàng)目教學(xué),是符合中國高職院校與學(xué)生實(shí)際情況的教學(xué)方法,供大家參考。

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