液壓原理圖數(shù)據(jù)可視化在液壓教學實驗中的應用

李磊 仇立波 高偉 陳立娟 伍儒康

摘要：針對《液壓傳動與控制》課程在教學工作中的不足，本文自主研發(fā)了一套液壓油路圖數(shù)據(jù)可視化平臺，該平臺能夠建立液壓符號與實體之間的數(shù)字化映射，根據(jù)實驗原理，實現(xiàn)了讓液壓油路圖中元件按照邏輯順序“動起來”的直觀效果，激發(fā)了學生的學習興趣，讓學生更加透徹地理解液壓實驗臺的測試的步驟和原理。

關鍵詞：教學;數(shù)據(jù)可視化;液壓實驗;組態(tài)

中圖分類號：G642 ????文獻標識碼：A

0引言

液壓與氣壓傳動相關課程是機械設計制造及其自動化專業(yè)流體傳動與控制方向的一門主要專業(yè)課，是一門理論和實際結合非常緊密的一門課程。其目的是使學生了解液壓控制系統(tǒng)的基本結構，掌握液壓元件的測試理論和原理、基本分析方法和基本實驗技能。但是該課程由于油液的不確定性和液壓元件內部的不可觀察性，決定了該課程演示內容具有抽象和不易掌握的特點?；诖?，目前該課程配套的實驗課程存在以下幾點不足：（1）重點不夠突出，以“液壓控制閥綜合性能參數(shù)測試”為例，該實驗重點是讓學生掌握液壓元件測試步驟和控制回路原理，目前教學模式主要是教師參考實驗教材，對照試驗臺硬件進行講解，學生對軟件界面進行點擊操作，最后等待軟件自動出具實驗數(shù)據(jù)，此流程走下來，學生很難直接將操作動作和實驗原理聯(lián)系起來;（2）直觀性差，教學中的油路圖以文字和靜態(tài)圖片在教材中給出，液壓部分元件處于試驗臺內部，學生感知不到液壓元件的切換動作和油液的流動狀態(tài)，因此教師和學生在回路講解和元件動作的理解上存在困難;（3）數(shù)據(jù)展現(xiàn)形式單一，目前軟件界面展示傳感器的數(shù)據(jù)主要是以曲線和文本框為主，液壓元件動作順序和油液流動方向無法在測試中直接體現(xiàn)出來。

目前，針對以上不足，有一些高校和研究所開始對液壓CAT設備進行探索和改進。第一種是組態(tài)軟件法，即有部分實驗教師采用組態(tài)軟件（例如MCGS，KingView等）作為上位機，與作為下位機的PLC進行通信，如圖 1所示，MCGS上位機軟件界面可以雖然生動地展示液壓元件的變化過程，能夠克服傳統(tǒng)教學直觀性差的缺陷，但是由于元件庫的缺失，出現(xiàn)展示風格不夠統(tǒng)一、元件較為混亂、原理圖原貌無法還原、元件模擬動作也不到位等問題。第二種是印刷面板法，如圖 2所示，某航天院的試驗人員嘗試將液壓油路圖印刷在金屬面板上，然后再把物理指示燈嵌入在面板中，指示燈能夠實時關聯(lián)油路中的閥門開閉和油濾堵塞狀態(tài)，這樣加快了操作人員對系統(tǒng)整體的判斷，雖然油路圖原理簡約清晰、整體性好，但是由于硬件上的制約，還是存在著實現(xiàn)成本高，靈活性差的問題。

從以上兩點可以看到，目前所做解決問題的方向均集中在油路和液壓元件數(shù)據(jù)可視化方向上。但是由于展示方法和軟件的制約，在數(shù)據(jù)展示效果、靈活性還是存在上述的不足。

1液壓原理圖數(shù)據(jù)可視化平臺概述

雖然國內外的CAD繪圖軟件如CAXA、visio等能夠繪制出豐富的液壓原理圖，但是由于驅動液壓圖形元件的接口并沒有開放，用戶無法用數(shù)據(jù)直接驅動和操作繪制的原理圖中的液壓元件。因此，作者研發(fā)了一種專門的液壓可視化平臺的軟件，在原理圖繪制上的操作方法類似以上介紹的CAD繪圖軟件，使用者能夠通過簡單的鼠標拖拽方式實現(xiàn)標準液壓元件的放置和油路連接，并能將繪制的原理圖存儲到硬盤。更重要地是，作為一款獨立的可視化平臺，該平臺并不參與系統(tǒng)邏輯控制，僅通過開放各個標準元件的數(shù)據(jù)接口，其他測控軟件能夠輕松地通過數(shù)據(jù)驅動液壓原理圖中的元件，抑或液壓原理圖中的元件將用戶交互事件反饋給其他測控軟件。

如圖 3所示，該液壓可視化平臺采用python開發(fā)，具有很好的跨平臺特性。作為獨立的界面平臺，其與和傳統(tǒng)的控件開發(fā)流程不同，該平臺的實現(xiàn)策略具有以下優(yōu)點：（1）符合“強內聚， 弱耦合”核心思想，實現(xiàn)了油路圖的界面“前端”和業(yè)務邏輯“后端”的完全分離，平臺界面在以太網(wǎng)上使用JSON數(shù)據(jù)與業(yè)務邏輯之間通過約定好的接口進行交互，設計的界面具有良好的靈活性、可重用性和獨立可測試性。業(yè)務邏輯實現(xiàn)部分可以是工控機或者PLC，僅需要做好數(shù)據(jù)接口即可。（2）可拓展性，由于本平臺采用python Qt開發(fā)，元件庫中的標準元件可以很方便地得到豐富擴展，不僅僅能用于液壓測控系統(tǒng)界面，也可用其他仿真軟件的開發(fā)。

2液壓教學實驗系統(tǒng)范例

目前，我校機械工程學院的液壓實驗設備主要是《液壓伺服閥性能測試試驗臺YYSFT》和《液壓伺服系統(tǒng)綜合性能試驗臺YYSFX》，前者重點是讓學生掌握伺服閥靜態(tài)特性的測試方法，后者是重點讓學生理解閥控缸的原理和控制參數(shù)的影響。兩者從實驗操作上都很適合液壓原理圖數(shù)據(jù)可視化教學試點。在本案例中以較為簡單的項目《液壓伺服系統(tǒng)綜合性能試驗臺YYSFX》為例，該試驗臺的實物裝置圖 4所示。

3液壓可視化測控界面數(shù)據(jù)接口

液壓可視化平臺軟件界面由元件庫區(qū)、繪圖區(qū)和菜單區(qū)組成。元件區(qū)中的液壓基本元件可以分為顯示組件和控制類組件：顯示組件僅用來顯示物理量的變化，如液壓缸、液位指示油箱、指示儀表盤等組件;控制類組件需要鼠標點擊等事件或者屬性賦值操作來驅動硬件的輸出，如截止閥、伺服閥等組件。和傳統(tǒng)的靜態(tài)組件不同，液壓組件不僅能展示出元器件本身，而且還能實現(xiàn)元件的動態(tài)顯示，例如油箱元件的液位像素高度能夠關聯(lián)液位傳感器，完成實時位置更新的動畫效果。

可視化平臺中的每個液壓元件都具有自己的屬性，用戶可以自己在屬性區(qū)進行手動修改，同時繪圖區(qū)元件會自動更新元件的UI。例如，手動修改油箱的屬性中的最大值、最小值或者當前值均會觸發(fā)油路中的油箱動態(tài)顯示效果，圖5展示不同液位下的油箱界面。

4結束語

本文主要重點介紹一種液壓原理圖可視化CAT在液壓教學實驗中應用方法，結論可歸納如下：

采用“前后端”分離模式的液壓油路圖數(shù)據(jù)可視化平臺后，動態(tài)油路圖既能展現(xiàn)液壓元件測試原理，又能實時監(jiān)控液壓元件的實時運行狀態(tài)。該平臺將抽象的油液和液壓元件內部展示出來，能夠加深學生的對測試原理和液壓回路的理解，提高學生的學習興趣，目前已經(jīng)初步應用到我校機械工程學院的液壓伺服控制實驗課中，取得良好的教學效果。

基金項目：南京工程學院引進人才科研啟動基金項目（項目編號：YKJ201945）。

參考文獻

[1]毛漢穎，范健文.虛擬現(xiàn)實技術在液壓實驗教學中的應用[J].中國科教創(chuàng)新導刊，2009（13）：57.

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