開發(fā)液壓傳動實驗教學(xué)資源的探索與實踐

張宏+張璐+王大志+劉建偉

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116023）

摘要：液壓傳動是一門機(jī)電液相結(jié)合，實踐性較強(qiáng)的課程，而傳統(tǒng)的實驗教學(xué)因受學(xué)時所限，不能有效地利用先進(jìn)的教學(xué)資源和充分體現(xiàn)實踐的內(nèi)涵。在液壓傳動實驗教學(xué)中，針對較為先進(jìn)的實驗教學(xué)資源，探索虛擬型實驗?zāi)Ｊ?，開發(fā)設(shè)計型實驗項目，并在教學(xué)中加以實踐，可以取得良好的實驗教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：教學(xué)資源；虛擬型；實驗?zāi)Ｊ?/p>

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1674-9324（2017）24-0118-02

一、虛擬型實驗教學(xué)模式

液壓傳動課程是機(jī)械類以及近機(jī)類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是機(jī)械類各專業(yè)課中難度較大的課程之一。為了使學(xué)生能夠閱讀并設(shè)計一個完成的液壓傳動系統(tǒng)，應(yīng)對流體動力學(xué)的基本理論、液壓元件的結(jié)構(gòu)原理、基本回路以及系統(tǒng)進(jìn)行講解。這些內(nèi)容前后相關(guān)，缺一不可。隨著教學(xué)計劃的改革，如何利用有限的48學(xué)時使學(xué)生學(xué)好這門實踐性較強(qiáng)的課程，成為教改面臨的首要問題。該門課程在教學(xué)過程中，安排了四個實驗項目，然受教學(xué)時間、學(xué)生理解能力、實驗?zāi)芰Φ挠绊?，多?shù)設(shè)計型實驗演變?yōu)轵炞C型實驗，很多學(xué)生是“看”實驗，而不是“做”實驗，即使動手，也是動手不動腦，很少去思考為什么要這樣做。如何開展教學(xué)活動，讓學(xué)生真正實現(xiàn)去做，是全面實施素質(zhì)教育對教學(xué)改革提出的要求。探索新型的實驗教學(xué)模式成為提高學(xué)生實踐能力的有效手段[2]。復(fù)雜的液壓總是由一些基本回路所組成，基本回路則由一些液壓元件組成。在液壓傳動課程的教學(xué)中，回路實驗可以幫助同學(xué)掌握典型液壓回路的工作原理和特性曲線。但每一位同學(xué)都設(shè)計自己的回路，然后再實驗設(shè)備上調(diào)試，對于當(dāng)今的學(xué)生招生量與試驗設(shè)備的配比而言，顯然是無法實現(xiàn)的，往往是多組同學(xué)，根據(jù)不同典型回路，在老師已搭建好的框架下，實現(xiàn)簡單的連接。而虛擬實驗系統(tǒng)元件參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍與實際實驗設(shè)備完全一致，可對設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬與測試；強(qiáng)大的仿真功能為學(xué)生自主開發(fā)實驗回路、制定實驗項目和進(jìn)行探索式實踐嘗試提供可靠的虛擬平臺，使學(xué)生能夠在計算機(jī)上實現(xiàn)液壓傳動實驗液壓部分以及控制部分的設(shè)計、原理檢驗和運行控制與結(jié)果演示。最終學(xué)生根據(jù)模擬成功的原理圖在較為先進(jìn)的博世力士樂DS4實驗臺上實現(xiàn)機(jī)電液一體化的安裝調(diào)試。虛擬實驗技術(shù)通過計算機(jī)多媒體技術(shù)的豐富表現(xiàn)形式，有效地組織教學(xué)和實驗，不但能大大激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于開拓學(xué)生創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新意識，也為真實平臺上的操作實驗提供了有效引導(dǎo)，大大提高了液壓試驗設(shè)備的使用效率。虛擬實驗系統(tǒng)綜合了計算機(jī)圖形、圖像處理、智能技術(shù)等多門學(xué)科。在實驗中，設(shè)計者可以根據(jù)需要自己設(shè)計、定義和擴(kuò)充實驗內(nèi)容。其在教學(xué)上的應(yīng)用主要有：虛擬拆裝實驗和虛擬回路模擬實驗。虛擬拆裝實驗是在虛擬的環(huán)境中，通過對液壓元件的裝配和拆卸，了解液壓元件的結(jié)構(gòu)及工作原理，明確各零件的相互裝配關(guān)系。虛擬回路實驗主要是在FluidSim-H[3]液壓傳動仿真軟件基礎(chǔ)上，針對教學(xué)實驗要求進(jìn)行二次開發(fā)，構(gòu)建與硬件實驗平臺參數(shù)一致的虛擬實驗單元，使學(xué)生能夠在計算機(jī)上獨立完成模擬實驗，為硬件平臺實驗做好準(zhǔn)備。FluidSim-H是用以進(jìn)行液壓元件、液壓回路及其電氣控制系統(tǒng)、PLC接線及梯形圖的學(xué)習(xí)、設(shè)計與模擬仿真軟件。利用軟件中提供的各種液壓元件，可方便快捷地構(gòu)建復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，并對其進(jìn)行性能和動作的仿真。它還專門提供了DDE（Dynamic Data Exchange）動態(tài)數(shù)據(jù)交換元件，可對PLC程序控制下的液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗證PLC程序的合理性及準(zhǔn)確性。但僅面對西門子PLC編程仿真軟件的DDE通訊程序，對于其他PLC則需要用戶了解DDE通訊原理，自己編制相應(yīng)的通訊協(xié)議，因此，實際教學(xué)中針對液壓實驗室引進(jìn)的德國博世力士樂公司DS4試驗臺，對FluidSim-H進(jìn)行了二次開發(fā)，為互動實驗教學(xué)的實現(xiàn)提供了可靠的技術(shù)手段。

二、實驗中的應(yīng)用舉例

在液壓實驗教學(xué)中，舉快進(jìn)工進(jìn)回路為例，應(yīng)用FluidSim-H二次開發(fā)的平臺進(jìn)行液壓回路實驗教學(xué)，如圖1所示。該回路的物理原理是液壓缸在相應(yīng)的位置上受到不同阻力作用，其動作要求為只在伸出方向上實現(xiàn)快進(jìn)-工進(jìn)運動。首先，由于有桿腔的油液通過換向閥DW3E（2）直接流回油箱（低阻力），因此，液壓缸快速伸出。當(dāng)?shù)竭_(dá)一個特定的位置時，一個傳感器聯(lián)通一個繼電器一起動作，使一個換向閥換向。換向閥切斷原來導(dǎo)通的流道，使油液只能通過一個兩通調(diào)速閥DF3流過，以此來減小流量。使伸出的速度達(dá)到設(shè)定的值。液壓缸返回運動時，不要求這樣。

利用虛擬仿真平臺，學(xué)生可以迅速搭建自己設(shè)計好的液壓回路，并在此平臺下進(jìn)行仿真驅(qū)動，通過紅色液流的流向，可以判斷出液壓回路及電器控制回路的正確與否，并在該軟件平臺上進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試成功，即可在此虛擬平臺系統(tǒng)的指導(dǎo)下，在DS4工程級實物實驗臺上建立起自己設(shè)計的液壓系統(tǒng)，并且能夠有效的實現(xiàn)相關(guān)的動作。這樣可以大大減少學(xué)生在實物實驗臺上進(jìn)行錯誤管路連接的時間，提高單位時間的學(xué)習(xí)效率，同時也有效地提高學(xué)校教學(xué)資源的利用率。經(jīng)過這樣的訓(xùn)練，使學(xué)生不但了解了液壓知識，還對機(jī)電液一體化控制有了全面的認(rèn)識，使學(xué)生感覺上課的知識可以學(xué)以致用，極大地激發(fā)了學(xué)生對工程實踐的興趣與創(chuàng)新意識。結(jié)論：液壓傳動是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，它融合了機(jī)械、電氣、液壓等方面的基礎(chǔ)知識，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、過程抽象，系統(tǒng)的檢驗也難以采用直觀的方式，這給實驗課程帶來了很大的困難。在教學(xué)中引入虛擬實驗教學(xué)模式，讓抽象的理論及時得到驗證檢驗，豐富感性知識，加深學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解，實現(xiàn)了從感性認(rèn)識到理性認(rèn)識的過渡，大大地激發(fā)了學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)造性可以取得較好的教學(xué)效果。虛擬實驗教學(xué)模式具有成本低、效率高、功能優(yōu)等優(yōu)點，在實驗教學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景；但是虛擬實驗不能完全代替實物實驗，應(yīng)根據(jù)不同的實驗對象，合理安排虛擬實驗與DS4實際實驗的比例，以取得理想的實驗效果。

利用現(xiàn)代化的教學(xué)手段與試驗設(shè)備，使學(xué)生提高了學(xué)習(xí)的積極性與主動性，教師也在新設(shè)備的熟悉、消化、吸收的過程中，提高了自身的業(yè)務(wù)素質(zhì)。同時也提高了教師的科研能力以及工作效率，在教學(xué)和科研中，能獲得事半功倍的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]李云霞，李堯忠.構(gòu)建培養(yǎng)設(shè)計能力為目標(biāo)的實驗教學(xué)模式[J].實驗技術(shù)與管理，2004，21（4）：90-92.

[2]張玲.FluidSIM在液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用[J].國內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù)，2009，（9）：24-26.

[3]Festo公司.FuidSIM軟件使用手冊[M].美國：Festo公司，2003.