組態(tài)技術(shù)在“液壓與氣壓傳動”教改中的應(yīng)用

遲英姿 張衛(wèi)芬 李永梅

(東南大學(xué)成賢學(xué)院 山東 煙臺 210088)

“液壓與氣壓傳動”是東南大學(xué)成賢學(xué)院機(jī)械工程系開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，這門課程的實踐性很強，是一門融合了機(jī)械、電子、控制等多學(xué)科的課程。 東南大學(xué)成賢學(xué)院的辦學(xué)定位是“培養(yǎng)應(yīng)用型人才”?！耙簤号c氣壓傳動”課程的教學(xué)內(nèi)容必須能滿足學(xué)校的培養(yǎng)目標(biāo)，為此需要對該課程進(jìn)行教學(xué)改革方面的研究與探索。

1.“液壓與氣壓傳動”課程教學(xué)中面臨的挑戰(zhàn)

（1）東南大學(xué)成賢學(xué)院開設(shè)“液壓與氣壓傳動”課程的專業(yè)有機(jī)電一體化技術(shù)、汽車、機(jī)械工程，總學(xué)時僅為48 課時，實驗學(xué)時只有4 學(xué)時。理論教學(xué)中主要有三部分內(nèi)容：流體力學(xué)、液壓元件、液壓回路。學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課時會產(chǎn)生一種“內(nèi)容繁雜、知識散亂”的迷茫感覺，怎樣充分利用現(xiàn)有的教學(xué)學(xué)時達(dá)到我們所需要的教學(xué)目標(biāo)，是課程改革中面臨的首要挑戰(zhàn)。

（2）液壓實驗教學(xué)中，由于學(xué)時的限制，學(xué)生親自動手拆裝的元器件數(shù)量較少，類型也很少。 只能拆幾種經(jīng)典傳統(tǒng)的液壓元器件，比如：齒輪泵、雙作用葉片泵、手動換向閥；對于一些新型的液壓元器件學(xué)生接觸很少。 在搭建液壓和氣動回路時，學(xué)生大都在教學(xué)用實驗臺上進(jìn)行操作，這些實驗臺與企業(yè)實際工作環(huán)境有很大差距，學(xué)生找不到真實液壓設(shè)備的感覺，學(xué)習(xí)效果較差，最終造成實際應(yīng)用能力欠缺。這是課程改革中面臨的第二個挑戰(zhàn)。

（3）在“液壓與氣壓傳動”課程教學(xué)中有大量液壓元件的二維裝配圖，如何讀懂這些裝配圖是我們在教學(xué)中無法回避的問題。 在加強學(xué)生讀圖能力的同時，我們需要對教學(xué)手段進(jìn)行改革。 利用多媒體技術(shù)，增加動畫和視頻。 如：液壓元器件的工作原理、液壓回路的油液流動方向，這些都可以通過大量動畫演示來進(jìn)行講解。 因此，如何讓同學(xué)們熟練掌握液壓元器件的結(jié)構(gòu)和工作原理是課程改革中面臨的第三個挑戰(zhàn)。

面對課時少、實驗設(shè)備欠缺、學(xué)生理論學(xué)習(xí)較困難這些挑戰(zhàn)，在課程教學(xué)改革中必須要提高教學(xué)質(zhì)量， 充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。要求學(xué)生不僅要“課內(nèi)學(xué)”，還要“課外學(xué)”；不僅要“看”，還要動手去“做”；不僅要會“驗證”，還要會“創(chuàng)新”。

結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新和實際教學(xué)經(jīng)驗， 組態(tài)技術(shù)可以實現(xiàn)互動教學(xué)，對教學(xué)改革有重要的意義。

2.組態(tài)軟件簡介

組態(tài)技術(shù)的目的是使得人們可以在非工業(yè)現(xiàn)場通過計算機(jī)監(jiān)控到設(shè)備的運行情況，并實現(xiàn)對設(shè)備的實時操作和運行監(jiān)控。 目前主流的組態(tài)軟件有InTouchHMI、MCGS、GEFanuc、WinCC、EcHmi、 力控和組態(tài)王等。 我們以亞控公司開發(fā)的組態(tài)王軟件為例，介紹組態(tài)技術(shù)在液壓教學(xué)改革中的應(yīng)用。

壓力調(diào)節(jié)回路是液壓系統(tǒng)中應(yīng)用較多的一個基本回路，組態(tài)王對壓力調(diào)節(jié)回路的模擬仿真主要有以下幾個步驟：

2.1 壓力調(diào)節(jié)回路液壓系統(tǒng)的設(shè)計

壓力調(diào)壓回路在液壓系統(tǒng)中的作用是調(diào)整或限定系統(tǒng)壓力。主要是在液壓系統(tǒng)中加入溢流閥和安全閥來調(diào)節(jié)控制的，溢流閥用來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的供油壓力，安全閥限制系統(tǒng)的最高壓力，防止系統(tǒng)過載。液壓系統(tǒng)共走原理圖如圖1 所示。

圖1 壓力調(diào)壓回路液壓原理圖

2.2 根據(jù)液壓回路原理圖建立液壓回路仿真界面， 并創(chuàng)建組態(tài)數(shù)據(jù)變量

首先，根據(jù)液壓回路原理圖建立如圖3 所示的壓力調(diào)節(jié)回路的仿真界面，并按照表1 創(chuàng)建組態(tài)數(shù)據(jù)變量。

圖2 組態(tài)王工程管理器

圖3 壓力調(diào)節(jié)回路仿真界面

數(shù)據(jù)庫是組態(tài)王仿真軟件的核心部分，在工程管理器中，選擇“數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)詞典”，根據(jù)壓力調(diào)節(jié)回路的工作原理，在“變量屬性”對話框中，創(chuàng)建組態(tài)數(shù)據(jù)變量，部分?jǐn)?shù)據(jù)變量如表1 所示。

表1 壓力調(diào)壓回路組態(tài)數(shù)據(jù)變量

2.3 定義動畫

圖3 所示的壓力調(diào)節(jié)回路仿真界面只是將系統(tǒng)界面搭建起來，此時并不能實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)回路的仿真運動，因此需要對界面中的元件進(jìn)行動畫連接，真實的描述外界對象的狀態(tài)變化，達(dá)到過程實時監(jiān)控的目的。

三位四通換向閥動畫連接如圖4 所示。

圖4 三位四通換向閥動畫連接

圖5 行程開關(guān)控制的順序動作回路組態(tài)王仿真界面

2.4 編寫命令語言

根據(jù)壓力調(diào)壓回路過程，將仿真界面進(jìn)化動畫連接，來真實的表現(xiàn)外界狀態(tài)變化。 最后在編寫仿真程序是，主要是針對表1 的數(shù)據(jù)變量來進(jìn)行編程，部分的編程程序如下：

3.組態(tài)技術(shù)在教學(xué)改革中的作用

3.1 畢業(yè)設(shè)計中設(shè)計回路并與PLC 進(jìn)行仿真

圖5 所示的順序動作回路是學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計所設(shè)計的，可實現(xiàn)系統(tǒng)的實時仿真。依據(jù)液壓系統(tǒng)的工作原理模擬其整個工作過程并仔細(xì)觀察在整個仿真過程中液壓缸的運行情況、 行程閥以及電磁鐵的動作、進(jìn)回油路油液的流動情況等。通過上述過程的訓(xùn)練，學(xué)生可進(jìn)行多學(xué)科知識的學(xué)習(xí)和融合，提高了學(xué)生的綜合能力，為學(xué)生進(jìn)入實際工作崗位打下了堅實的基礎(chǔ)。

3.2 在大學(xué)生創(chuàng)新中與PLC 進(jìn)行聯(lián)合仿真

“自動抓取和實時監(jiān)控機(jī)械手的設(shè)計與研究”是我校機(jī)械工程系學(xué)生參加“大學(xué)生實踐創(chuàng)新”中的一個省級項目。 該項目中包含氣動系統(tǒng)回路的設(shè)計，PLC 系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計以及組態(tài)系統(tǒng)模擬仿真的實現(xiàn)。 該項目是模擬工業(yè)生產(chǎn)中能實現(xiàn)實時監(jiān)控、檢測、抓取、運輸功能的機(jī)械手。 項目中運用傳感器對需要抓取的毛坯件進(jìn)行識別檢測，再運用PLC控制技術(shù)、氣壓傳動技術(shù)控制機(jī)械手的動作。 毛坯經(jīng)檢測合格后，通過機(jī)械手夾取放到指定位置實現(xiàn)運輸,最后運用組態(tài)實現(xiàn)實時監(jiān)控。

通過實踐創(chuàng)新訓(xùn)練活動，將理論同實踐結(jié)合起來，以拓展學(xué)生的視野，可以加深學(xué)生對專業(yè)的理解，加強學(xué)生的動手能力。

圖6 機(jī)械手組態(tài)監(jiān)控畫面

4.結(jié)束語

用組態(tài)軟件對液壓系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，不僅拓寬了工業(yè)組態(tài)軟件的使用，也豐富了“液壓與氣壓傳動”的教學(xué)內(nèi)容，增加了學(xué)生動手的機(jī)會，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，創(chuàng)新意識得到了提高，達(dá)到了教改項目的預(yù)期效果。

［1］王積偉，張宏甲，黃誼.液壓與氣壓傳動(第二版)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2005:01-07，14-15.

［2］陳虹均，呂君.基于PLC 和組態(tài)軟件的液壓回路實時仿真系統(tǒng)設(shè)計[J].25(4):427－429.

［3］徐晶晶，胡捷，浦恩帥.基于組態(tài)控制的液壓實驗系統(tǒng)[J].實驗室研究與探索，2006.

［4］胡開明，葛遠(yuǎn)香.傅志堅.基于PLC 與組態(tài)技術(shù)的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].

［5］劉高君，鄭舸.基于組態(tài)王液壓回路控制實驗系統(tǒng)研究[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，22(3):100－102.

［6］隋文臣，等.淺談FluidSIM 液壓(氣動)仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用[J].液壓與氣動,2007,(6):73-76.

［7］郭津津，王曉蘭，袁旭.FluidSIM 軟件在《液壓傳動》教學(xué)中的應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓,2011,(2).