虛擬仿真技術(shù)在《液壓與氣動技術(shù)》教學(xué)中的應(yīng)用

【摘要】基于虛擬仿真（Virtual simulation）技術(shù)的應(yīng)用，針對高職類院校《液壓與氣動技術(shù)》課程的特點，如何提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果，并結(jié)合具體仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用實例，通過讓學(xué)生在課堂上邊學(xué)理論邊看“效果”或課后實際操作的方式，實際掌握液壓與氣壓傳動回路設(shè)計的整個過程，以此將理論知識形象化，達(dá)到提高教學(xué)效果的目的。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真（Virtual simulation）；液壓與氣動技術(shù)；教學(xué)

《液壓與氣動技術(shù)》是機(jī)械相關(guān)專業(yè)學(xué)生需要掌握的重要專業(yè)課，課程包含機(jī)電系統(tǒng)運動設(shè)計和機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)知識，是一門理論與實踐相結(jié)合的專業(yè)課程。課程主要內(nèi)容包含液壓傳動和氣壓傳動兩個相基本的模塊。特別是液壓技術(shù)，由于課程的特殊性，其教學(xué)受設(shè)備和場所制約，不可能像他電氣類課程一樣為每個同學(xué)配備試驗裝置，以至于現(xiàn)有的理論加驗證的教學(xué)手段很難使學(xué)生準(zhǔn)確掌握液壓及氣動系統(tǒng)的工作原理，與不斷進(jìn)行的教學(xué)改革相脫離，與當(dāng)前液壓（氣動）技術(shù)的快速進(jìn)步相脫節(jié)。

《液壓與氣動技術(shù)》課程涉及物理、制圖、機(jī)械設(shè)計等眾多基礎(chǔ)課程內(nèi)容，對學(xué)生其他知識掌握要求較高。在實際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)存在不少困難，特別對液流的及氣流的動態(tài)工作過程很難準(zhǔn)確理解。實際上，每個液壓（氣動）工作系統(tǒng)都可拆分為若干個基本回路，各個回路之間由相應(yīng)的元件或管路相連接，而回路則由不同的液壓元件經(jīng)油管連接組成。系統(tǒng)的不同工作狀態(tài)，實際是通過各個元件不同狀態(tài)下液流與氣流不同的狀態(tài)來實現(xiàn)的，而液流與氣流工作的不可見性為虛擬仿真技術(shù)提供了用武之地。

一、仿真教學(xué)優(yōu)勢

虛擬仿真（Virtual simulation）技術(shù)的應(yīng)用提供了一種新的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)改革的方式，為解決實際課堂教學(xué)中存在的問題，實現(xiàn)“形象”“互動”教學(xué)提供了可行的技術(shù)解決方案。依靠快速發(fā)展的計算機(jī)軟件技術(shù)，由軟件來仿真各個元件的工作狀態(tài)與液流（氣流）的流動，解決教學(xué)上“形象”的難點。將仿真軟件用于實踐教學(xué)并進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，更能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神與學(xué)習(xí)興趣。

通過虛擬仿真軟件可將各種液壓（氣動）元件的結(jié)構(gòu)與工作原理形象的展示給學(xué)生，利用形象的視覺效果使同學(xué)們易于理解元件的工作原理，以動態(tài)的演示代替抽象的理論。同時，用動畫的形式展現(xiàn)出來的系統(tǒng)的多種工作狀態(tài)，也會使同學(xué)們對《液壓與氣動技術(shù)》課程更加有興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的能動性。

二、液壓仿真軟件選擇

①FluidSIM軟件由德國Festo公司和Paderborn大學(xué)聯(lián)合開發(fā)，是一款專門用于液壓與氣動技術(shù)的專用教學(xué)軟件，其中的FluidSIM-H模塊專門用于液壓傳動教學(xué)。使用該軟件可以快速繪制出具有仿真功能的液壓系統(tǒng)回路，另外還可利用軟件內(nèi)建功能檢查回路結(jié)構(gòu)的正確性。由于該軟件中的液壓元件參數(shù)來源于Festo公司，所以與實際設(shè)備基本一致，利用軟件可對繪制出的液壓回路進(jìn)行準(zhǔn)確的系統(tǒng)模擬。

②AMESim是一個多學(xué)科的系統(tǒng)建模仿真平臺，使用者可以在這個平臺上建立包含液壓、機(jī)械、動力等學(xué)科的系統(tǒng)模型。其流體系統(tǒng)包含液壓、液壓元件、氣動等單元，目前較多使用于企業(yè)用戶。

③DSHplus軟件可以搭建圖形化的液壓（氣壓）系統(tǒng)原理圖，可利用專用接口與其他實驗硬件連接，實現(xiàn)實時仿真。該軟件在圖表建模的基礎(chǔ)上，重點描述系統(tǒng)的功能單元，元件庫中包括液壓、氣動、控制和機(jī)械零件。該軟件大多用于航天、汽車等行業(yè)。

三、應(yīng)用實例

由于FluidSIM適合作為教學(xué)軟件，就以其為例描述虛擬仿真技術(shù)在《液壓與氣動技術(shù)》教學(xué)中的應(yīng)用。

2.1設(shè)計與仿真液壓回路

FluidSIM-H（液壓模塊）軟件操作界面非常直觀（圖1）。液壓元件庫位于界面左側(cè)，設(shè)計工作界面位于右側(cè)部分，系統(tǒng)搭建過程中可以直接拖動元件到設(shè)計工作界面。

圖1 軟件操作界面

《液壓與氣動技術(shù)》課程中，在講述方向控制回路時，以雙作用缸控制回路（圖2）為例，分別控制電磁閥左右兩端電磁線圈，就可以讓上方的油缸實現(xiàn)伸縮運動。

圖2 雙作用缸換向回路仿真油路圖

教學(xué)中，可以利用菜單界面的黑色三角（或按F9鍵）來啟動仿真模式，用鼠標(biāo)點其中左邊的電磁線圈，可使換向閥切換到左位工作，這樣油缸就會伸出，其工作狀態(tài)如圖3所示；若點擊右邊的電磁線圈，科室換向閥切換到右位工作，油缸右側(cè)進(jìn)油縮回。

圖3液壓系統(tǒng)工作過程截圖

通過對雙作用油缸“伸”“縮”兩種運動狀態(tài)的虛擬仿真，學(xué)生會很容易理解雙作用油缸換向運動的工作原理，并且在仿真的過程中，可以點擊暫停按鈕，詳細(xì)查看各個元件的運行過程中的狀態(tài)和參數(shù)。

2.2設(shè)計電氣控制回路

FluidSIM軟件還有豐富的電氣元件用于仿真實踐，能夠為設(shè)計的液壓（氣壓）傳動回路搭配相應(yīng)的電氣控制系統(tǒng)，并能同時進(jìn)行電氣控制的仿真，如圖4所示。

圖4 聯(lián)合控制電路按下啟動按鈕SB1，線圈1YA通電，油路中電磁閥工作在左位，油缸向右伸出；按下啟動按鈕SB2，線圈2YA通電，油路中電磁閥工作在右位，油缸向左邊縮回；

2.3系統(tǒng)中的液壓及氣壓知識

另外，該軟件自帶有和液壓（氣壓）傳動有關(guān)的元件原理描述、元件圖片和教學(xué)影像，可以在相應(yīng)的菜單中選擇。這樣可以讓學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，利用課余時間自學(xué)，進(jìn)一步提升學(xué)習(xí)液壓（氣壓）傳動知識的廣度。

四、教學(xué)實踐效果

在《液壓與氣動技術(shù)》課程教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，改變了傳統(tǒng)教學(xué)方法簡單、實驗實踐受限，且實踐內(nèi)容固定學(xué)生只能被動接受的教學(xué)模式。同時利用虛擬仿真技術(shù)學(xué)生可以在實驗室、教室甚至宿舍都能完成個案學(xué)習(xí)，也可針對薄弱環(huán)境反復(fù)練習(xí)，拓展了學(xué)習(xí)的時間和空間，極大的節(jié)省了教學(xué)成本，同時，可使學(xué)習(xí)過程較為形象、直觀。

自2009年開始，連續(xù)多屆的《液壓與氣動技術(shù)》課程教學(xué)實踐中，將FluidSIM等仿真軟件用于理論講述與創(chuàng)新設(shè)計。實踐表明，在授課和指導(dǎo)液壓（氣壓）回路設(shè)計時，利用仿真軟件顯示設(shè)計方案并進(jìn)行實時分析，可有效啟迪學(xué)生思路，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

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