機電專業(yè)虛擬仿真實驗教學應用

彭鶴 劉永 宋強

摘要：簡述虛擬仿真系統(tǒng)在機電專業(yè)課程實驗教學中的應用，以液壓傳動與控制、可編程邏輯控制器原理與應用、數(shù)控技術等課程為例，介紹了虛擬仿真實驗在機電專業(yè)實驗教學中如何被設計和實現(xiàn)的，虛擬仿真實驗在實踐教學環(huán)節(jié)中的作用日益顯著，并取得了良好的教學效果。

關鍵詞：虛擬仿真 機電課程 實驗教學

一、引言

實驗教學是高等教育培養(yǎng)學生獲取專業(yè)知識和技能的必要環(huán)節(jié)，隨著計算機虛擬技術和仿真技術在教育中的發(fā)展和應用，虛擬仿真實驗的地位日益凸顯。尤其在機電類專業(yè)中，虛擬仿真實驗突破傳統(tǒng)實驗的限制，在液壓、數(shù)控等專業(yè)課程的實驗教學中發(fā)揮了重要的作用。

二、虛擬仿真系統(tǒng)在實驗教學中的優(yōu)勢

機電專業(yè)課程集機械、電子、控制、計算機、信息等多學科的交叉綜合。在實際實驗時，傳統(tǒng)實驗教學中用到的實驗設備種類繁多、占地面積較大，由于實驗室空間限制，單種設備往往數(shù)量比較少，學生想要動手實驗需要分組輪流使用，實驗設備因使用頻繁元件極易損壞，更新?lián)Q代緩慢，操作也比較復雜。為了彌補這些不足，我們通過虛擬仿真技術輔助完成實驗。虛擬仿真實驗是通過軟件操作來模擬實驗過程，得出仿真結果。與傳統(tǒng)實驗相比，虛擬仿真實驗具有以下優(yōu)勢：

1.節(jié)省實驗資源，降低實驗成本。虛擬仿真實驗通常只需要計算機就能進行，同一計算機可以完成不同課程多個實驗項目的虛擬仿真。因此，能夠替代或者減少實驗設備，節(jié)省場地資源。此外，虛擬仿真實驗不需要耗材，相對于專用的實驗儀器設備，硬件設備出現(xiàn)故障和損壞的幾率更小，極大地降低了實驗的成本。

2.實驗內(nèi)容更加靈活。實際應用中的實物實驗設備一般都具有體積大、易損壞、種類少等問題。將虛擬仿真軟件應用于機電專業(yè)教學實驗中，給學生的學習帶來了極大的方便。使用虛擬仿真軟件，學生可以根據(jù)自己的想法，設計自己所需要的實驗壞境、實驗目的，并以此為基礎，完成整個實驗，驗證自己想法的正確性。

3.安全性高。學生在沒有熟練掌握操作流程的情況下，實際操作很容易產(chǎn)生人機傷害。比如，在數(shù)控機床加工中，錯誤的操作可能會造成電機損傷、刀具折斷甚至異物飛出，這樣就給實驗室?guī)砹藰O大的安全隱患。虛擬仿真實驗可以避免上述問題，虛擬的設備不會對人機造成任何傷害。虛擬系統(tǒng)會自動提示錯誤的操作，學生在實際操作前通過虛擬過程直觀的了解了一些操作上的注意事項，在一定程度上指導了實際操作，規(guī)范了實際操作流程。

三、虛擬仿真系統(tǒng)在實驗教學中的應用

（一）液壓傳動與控制

1.液壓課程及仿真軟件概述。液壓傳動與控制是研究以有壓液體為能源介質(zhì)實現(xiàn)各種機械傳動與控制的學科。研究液壓傳動及其控制技術，就必須了解液壓系統(tǒng)的工作原理、工作特點。但是僅僅通過課程理論學習對液壓系統(tǒng)的了解具有很大的局限性，我們需要通過實驗來分析驗證液壓系統(tǒng)和元件的工作特性。因此，液壓傳動與控制是一門與實驗結合較為緊密的課程。

目前，我校有兩套FESTO公司的液壓電液壓實驗平臺，每年約有120名學生進行實驗。實驗室利用現(xiàn)有的計算機設備，將虛擬仿真技術引入課程，開設了液壓泵的性能實驗、節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)實驗等項目。實驗室以液壓分析軟件為平臺，采用FluidSIM軟件進行虛擬仿真，對仿真得到的數(shù)據(jù)進行分析處理，然后通過分組進行實驗臺操作，驗證仿真得到的結果，從而提高了實驗效率。

2.液壓仿真實驗實例。節(jié)流調(diào)速回路的基本功能是在三位四通換向閥的不同狀態(tài)下，雙作用液壓缸做往復運動，調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開口度，觀察雙作用液壓缸的運動速度，記錄數(shù)據(jù)，通過實驗數(shù)據(jù)處理來驗證理論知識的正確性。利用FLUID-H軟件和FESTO電液實驗臺模擬液壓系統(tǒng)，具體步驟如下：

（1）通過FULID-H軟件構建液壓回路圖。如圖1所示，該回路為進油路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，實驗中需要用到的液壓元件有：雙作用液壓缸、壓力表、液壓源、三位四通換向閥。采用虛擬仿真軟件操作，能夠方便的改變實驗參數(shù)，實驗效率高。

（2）運行仿真系統(tǒng)。通過調(diào)節(jié)可調(diào)單向節(jié)流閥的開口度和液壓缸的負載力，來分析在不同開口度、不同負載的情況下，液壓缸的運動速度變化，記錄仿真結果。將仿真得到的數(shù)據(jù)進行處理，生成節(jié)流調(diào)速回路特性曲線如圖2所示，仿真結果與理論結果一致。

（3）在FESTO實物平臺上搭建液壓回路。參考液壓仿真回路的設計，在實驗臺上搭建實物回路，驗證仿真結果。

（二）可編程邏輯控制器原理與應用

1.PLC課程及虛擬組態(tài)軟件概述。可編程控制器（簡稱PLC）作為工業(yè)自動化三大支柱之一，其應用幾乎覆蓋了所有工業(yè)企業(yè)，是工業(yè)現(xiàn)代化的一個重要標志。《可編程控制器原理及應用》課程面向我校機械本科生，是一門實用性、工程性和綜合性都很強的課程，課程目的在于使學生學習和掌握順序控制系統(tǒng)的設計方法，掌握設計原理與應用技術，以適應工業(yè)技術發(fā)展的狀況和社會需要。通過實驗提高學生的動手能力、分析問題解決問題的能力，加深對課程學習內(nèi)容的理解。

使用組態(tài)軟件設計PLC虛擬控制系統(tǒng)時。首先，了解需要實現(xiàn)的控制目標，然后通過變量設置，虛擬界面設計，動畫設置，命令語言編寫等來完成系統(tǒng)開發(fā)，這些工作主要由教師來開發(fā)。學生在熟悉面板和I/O分配的基礎上，進行PLC指令編寫，最終完成控制目標。虛擬系統(tǒng)可以通過動畫效果展現(xiàn)實際工程動作，學生更加直觀的了解PLC指令編寫及運行產(chǎn)生的效果。

2.PLC虛擬控制實驗實例。以水塔水位自動控制系統(tǒng)為例，水塔水位自動控制系統(tǒng)的基本功能是對水塔和水池中的水位進行檢測，通過檢測到的水位數(shù)據(jù)，做出相應的反應。要求學生通過PLC編程控制閥門1、閥門2和水泵的運行，其中水位的變化和水的流動通過組態(tài)軟件編程和動畫設置實現(xiàn)。

虛擬仿真系統(tǒng)主要設計步驟如下：

（1）上位機與PLC建立通訊。我校實驗室采用松下FP∑系列PLC，通過RS232串口，選擇合適的通訊設置，即可實現(xiàn)虛擬軟件與PLC的實時通訊。

（2）設計圖形界面。水塔水位控制的實驗面板如圖所示，面板元素及變量包括水塔、水塔水位、水罐、水罐水位、水塔出水口、水罐進水口、從水罐向水塔抽水的電機及水管、開關按鈕等。

（3）變量定義及IO地址分配；

（4）畫面屬性命令語言的編寫；

（5）編寫PLC程序指令并下載到PLC中；

（6）運行調(diào)試。

系統(tǒng)運行以后，畫面中能夠清楚的顯示水塔水位、水池水位的變化，管道內(nèi)水的流動，指示燈隨著水位的變化顯示不同的顏色等效果，逼近實際工程效果。

（三）數(shù)控技術

1.數(shù)控技術與YHCNC軟件概述。近幾年來，數(shù)控機床在工業(yè)生產(chǎn)中的使用越來越普遍，數(shù)控技術也成為機械類專業(yè)學生必須要學習的課程之一，但是直接用昂貴的數(shù)控加工中心進行學習很難實現(xiàn)，為了滿足教學使用的需要，數(shù)控機床的虛擬仿真教學系統(tǒng)的發(fā)展，具有重要的理論意義和實際價值。

我校現(xiàn)有YHCNC數(shù)控仿真系統(tǒng)十套，每年滿足100多個學生的學習使用。YHCNC數(shù)控仿真系統(tǒng)可進行數(shù)控編程和加工仿真，具有很強的三維仿真功能，它是由三個窗口組成，每一個窗口分別執(zhí)行獨立的操作，并可以像實際機床一樣在三個窗口之間相互交換信號。學生能夠通過仿真任意設置工件尺寸、選擇刀具，機床在切削運動過程中會有故障報警功能（碰撞、超程等），學生可以通過這些功能了解機床操作中可能會遇到的故障問題。軟件采用對話框來簡化刀具和功能的設置，切削路徑和刀偏路徑可以同時顯示，通過編程輸入將命令傳給虛擬機床加工工件，并實時顯示程序路徑和三維工件圖形這里是一個圖片。

2.數(shù)控虛擬仿真實驗實例。以齒輪加工為例，數(shù)控虛擬仿真操作步驟如下：

（1）在使用虛擬仿真之前，先將需要加工的模型程序?qū)懙轿谋疚臋n中，并以NC文件格式保存，在使用虛擬仿真系統(tǒng)時，先將程序文件導入，作為加工程序待用。

（2）根據(jù)需要加工的模型的尺寸大小，設置合適的毛坯工件的尺寸，然后根據(jù)加工件的特性，選擇使用合適的刀具。

（3）對刀，選擇合適的加工原點，為下面的機床加工做準備

（4）系統(tǒng)開始運行。

（5）虛擬仿真順利完成以后，根據(jù)虛擬操作流程，進行實際機床加工實驗。

數(shù)控虛擬仿真機床的操作流程與實際機床的操作幾乎一致，這樣既達到了讓學生熟悉機床操作的效果，也讓學生了解了虛擬仿真的應用，并且能夠根據(jù)自己的愛好，設計出自己想要的模型，并實現(xiàn)加工完成。

四、機電專業(yè)虛擬仿真實驗體系的構建

隨著計算機技術、網(wǎng)絡技術和虛擬仿真技術的飛速發(fā)展，我校機電專業(yè)實踐教學環(huán)節(jié)中的虛擬仿真實驗的比重越來越大，除了應用于上述專業(yè)課程，在課程設計和部分畢業(yè)設計中都使用了的虛擬仿真系統(tǒng)。但對比于部分高校，我校機電專業(yè)虛擬仿真實驗室建設還處在落后階段。一方面，虛擬仿真系統(tǒng)在機械基礎、機械制造等專業(yè)基礎課程，以及機器人、汽車等專業(yè)特色課程中的應用還比較少，另一方面，現(xiàn)有的虛擬仿真實驗開放性程度還不夠。本著提高學生學習能力，豐富教學內(nèi)容的原則，我校在現(xiàn)有一定數(shù)量虛擬仿真系統(tǒng)的基礎上，正不斷發(fā)展，為學生提供更多優(yōu)秀的實驗資源和平臺。

五、結語

將虛擬仿真技術引入到機電專業(yè)教學中，可以促進教學方法的現(xiàn)代化和教學手段的多樣化，讓學生自主構建虛擬場景，激發(fā)學生的積極性和創(chuàng)新思維。虛擬仿真技術的應用，彌補了傳統(tǒng)實驗的不足，不但豐富了實驗教學內(nèi)容，而且使學生通過人機交互的方式獲得逼真的體驗，從中享受到學習的樂趣，變被動學習為主動學習，提高了學生分析問題的能力、設計實驗的能力和設計效率?？梢灶A見，把虛擬仿真技術應用于機電類專業(yè)課程教學，是教學發(fā)展的必然趨勢，也為實驗室的開放提供了一種行之有效的解決方案。虛擬仿真技術會不斷發(fā)展，也會不斷推進實驗室的發(fā)展和實驗教學改革。

近年來，我校在實驗實踐教學中不斷引入和增加各類虛擬仿真平臺，逐步建立機電液綜合虛擬仿真實驗室，極大的豐富了教學內(nèi)容，提高了教學效率。虛擬仿真實驗成為實踐教學和研究中的有利工具，激發(fā)了學生的興趣和學習主動性，提高了學生分析和解決實際工程問題的能力，取得了理想的教學效果。

我校正積極發(fā)展虛擬仿真實驗系統(tǒng)的建設，為學習實踐環(huán)節(jié)提供了極大的便利，相信在不斷地探索與發(fā)展中，虛擬仿真系統(tǒng)建設將日趨完善，為我校師生教學實踐活動提供更多地支持。

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