基于LabVIEW的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)教學(xué)仿真平臺(tái)

孟昭亮 ，邢子楚 ，張春宇 ，袁曉明 ，姚靜

(1. 燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004 ；2. 燕山大學(xué) 河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004)

0 引言

液壓傳動(dòng)具有功率密度比大、布置方便、控制靈活、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械、行走機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域[1～2]?！兑簤簜鲃?dòng)系統(tǒng)》課程是機(jī)械工程學(xué)科非常重要的技術(shù)基礎(chǔ)核心課程，是液壓裝備設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)所必須掌握的專有技術(shù)和專業(yè)知識(shí)[3]?！兑簤簜鲃?dòng)系統(tǒng)》作為一門工程應(yīng)用類課程，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)尤其重要，傳統(tǒng)“老師講解、學(xué)生操作” 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式效率低、故障率高、安全性差，有部分學(xué)生很難在有限的課上時(shí)間內(nèi)完成“操作任務(wù)”，探索新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式成為亟待解決的問(wèn)題。

本文提出一種“老師講解、線上仿真、線下操作”復(fù)合實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑ㄟ^(guò)引入仿真環(huán)節(jié)，使學(xué)生的設(shè)計(jì)方案提前驗(yàn)證，避免將設(shè)計(jì)錯(cuò)誤帶入“線下操作” 環(huán)節(jié)，極大提高實(shí)驗(yàn)效率和操作安全性；在此基礎(chǔ)上，提出一種基于LabVIEW 的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)教學(xué)仿真平臺(tái)開發(fā)方案并用實(shí)例驗(yàn)證。此外，“新冠疫情” 導(dǎo)致部分地區(qū)不能實(shí)現(xiàn)線下教學(xué)，所開發(fā)的仿真平臺(tái)也可為線上教學(xué)提供支撐。

1 整體方案

圖1 為仿真平臺(tái)整體方案，如圖1 所示，基于LabVIEW 的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)教學(xué)仿真平臺(tái)開發(fā)流程如下：

圖1 整體方案

（1）根據(jù)給定實(shí)驗(yàn)任務(wù)擬定液壓原理圖和電磁鐵動(dòng)作順序表。

（2）根據(jù)電磁鐵動(dòng)作順序表擬定電氣原理圖。

（3）根據(jù)液壓原理編寫LabVIEW 仿真界面。

（4）編寫LabVIEW 控制程序：仿真界面中所用“仿真元件” 的功能模擬程序、電氣原理的功能模擬程序。

（5）運(yùn)行仿真程序，觀察仿真界面的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果是否和給定實(shí)驗(yàn)任務(wù)相符；如不相符，查找并修改設(shè)計(jì)和編程中的錯(cuò)誤直至仿真結(jié)果和給定實(shí)驗(yàn)任務(wù)相符。

2 仿真平臺(tái)

以雙缸行程控制液壓回路為例，設(shè)計(jì)其液壓原理圖、電氣原理圖，搭建LabVIEW 仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)雙缸行程控制回路的仿真模擬。

2.1 實(shí)驗(yàn)任務(wù)

圖2 為雙缸行程控制回路實(shí)驗(yàn)任務(wù)，A1、A0代表A 缸伸出和縮回，B1、B0代表B 缸伸出和縮回，SQ1、SQ2代表A 缸后端和前端行程開關(guān)，SQ3、SQ4代表B缸后端和前端行程開關(guān)。

如圖2 所示，起始狀態(tài)為A 缸、B 缸處于縮回狀態(tài)、行程開關(guān)SQ1、SQ3 處于觸發(fā)狀態(tài)，給定實(shí)驗(yàn)

任務(wù)動(dòng)作順序如下：

（1）按下啟動(dòng)按鈕或轉(zhuǎn)動(dòng)啟停旋鈕，B 缸伸出，當(dāng)觸發(fā)行程開關(guān)SQ4時(shí)停止伸出。

（2）A 缸伸出，當(dāng)觸發(fā)行程開關(guān)SQ2時(shí)停止伸出。

（3）B 缸縮回，當(dāng)觸發(fā)行程開關(guān)SQ3時(shí)停止縮回。

（4）A 缸縮回，當(dāng)觸發(fā)行程開關(guān)SQ1時(shí)停止縮回。如啟停旋鈕處于開啟狀態(tài)，則重復(fù)動(dòng)作（1）→（4）；如啟停旋鈕處于關(guān)閉狀態(tài)，則停止動(dòng)作。

2.2 液壓原理

圖3 為依據(jù)給定實(shí)驗(yàn)任務(wù)設(shè)計(jì)的雙缸行程控制回路液壓原理圖，兩缸共用一個(gè)液壓油源，為避免兩條回路相互影響，選用中位機(jī)能為“O” 型的三位四通電磁換向閥控制液壓缸伸出和縮回，表1 為實(shí)現(xiàn)B1A1B0A0 順序循環(huán)動(dòng)作的電磁鐵動(dòng)作順序表。

圖3 液壓原理圖

表1 電磁鐵動(dòng)作順序表

2.3 電氣原理

圖4 為依據(jù)表1 設(shè)計(jì)的電氣原理圖（未畫出急停和復(fù)位控制部分），按鈕SB、旋鈕SA 分別控制順序動(dòng)作單次循環(huán)和連續(xù)循環(huán)，行程開關(guān)SQ1、SQ4、SQ2、SQ3分別為中間繼電器KA1～KA4的自鎖控制信號(hào)，KA2、KA3、KA4、KA1的常閉觸點(diǎn)分別為中間繼電器KA1～KA4的解鎖控制信號(hào)，中間繼電器KA1～KA4的常開觸點(diǎn)為電磁鐵4YA、2YA、3YA、1YA 的控制信號(hào)，此電氣原理可實(shí)現(xiàn)4 個(gè)電磁鐵按表1 所示順序通電和斷電。

圖4 電氣原理圖

2.4 LabVIEW 仿真界面

LabVIEW 由前面板和后面板組成，前面板為顯示界面、后面板為程序界面[4]?！耙簤簜鲃?dòng)系統(tǒng)仿真平臺(tái)” 的仿真界面為“LabVIEW 前面板”，由液壓系統(tǒng)、行程開關(guān)、中間繼電器、按鈕/ 旋鈕等組成，圖5為雙缸行程控制回路LabVIEW 仿真界面截圖。

如圖5 所示，液壓缸由“滑動(dòng)桿” 模擬，行程開關(guān)由“圓形指示燈” 模擬，電磁鐵由“方形指示燈”模擬，編程實(shí)現(xiàn)：當(dāng)電測(cè)閥右側(cè)“方形指示燈” 值為“真” 時(shí)，相應(yīng)“滑動(dòng)桿” 數(shù)值增大；當(dāng)電測(cè)閥左側(cè)“方形指示燈” 值為“真” 時(shí)，相應(yīng)“滑動(dòng)桿” 數(shù)值減??；當(dāng)電磁閥兩側(cè)“方形指示燈”值都為“假”時(shí)，相應(yīng)“滑動(dòng)桿” 數(shù)值保持不變；當(dāng)“滑動(dòng)桿” 數(shù)值達(dá)到上限或下限時(shí)，數(shù)值不再增加或減小且相應(yīng)行程開關(guān)“圓形顯示燈” 值為“真”，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的功能模擬。中間繼電器的電磁線圈、常開觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)由“圓形指示燈” 模擬，每個(gè)繼電器有4 個(gè)常開觸點(diǎn)和4個(gè)常閉觸點(diǎn)，編程實(shí)現(xiàn)：當(dāng)線圈“指示燈” 值為真（假）時(shí)，常開觸點(diǎn)“指示燈” 值為真（假）、常閉觸點(diǎn)“指示燈” 值為假（真），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)中間繼電器的功能模擬。

圖5 LabVIEW 仿真界面截圖

2.5 LabVIEW 控制程序

控制程序?yàn)椤癓abVIEW 后面板”， 圖6 為L(zhǎng)abVIEW 控制程序截圖，整個(gè)程序采用順序結(jié)構(gòu)：

圖6 LabVIEW 控制程序截圖

（1）行程開關(guān)功能模擬：根據(jù)液壓缸位置判定行程開關(guān)的狀態(tài)。

（2）電氣原理功能模擬：根據(jù)圖4 所示電氣原理圖，編寫電氣原理功能模擬程序，并聯(lián)（串聯(lián)）電路在程序中用布爾函數(shù)“或”（“與”）來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（3）中間繼電器功能模擬：根據(jù)繼電器電磁線圈狀態(tài)判定繼電器常開觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)的狀態(tài)。

（4）液壓缸功能模擬：根據(jù)電磁鐵狀態(tài)判定液壓缸是處于伸出還是縮回狀態(tài)。

2.6 仿真調(diào)試

運(yùn)行仿真平臺(tái)，點(diǎn)擊仿真界面按鈕“SB” 或旋鈕“SA”，觀察液壓缸A 和液壓缸B 的動(dòng)作順序是否和給定實(shí)驗(yàn)任務(wù)相符。如不符合，查找并修改設(shè)計(jì)和編程過(guò)程中的錯(cuò)誤，直至仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)任務(wù)相符，圖7 為仿真調(diào)試過(guò)程截圖。

圖7 仿真調(diào)試過(guò)程截圖

續(xù)圖

3 結(jié)論

（1）提出了一種“老師講解、線上仿真、線下操作”復(fù)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，仿真環(huán)節(jié)的引入可在“線下操作”環(huán)節(jié)之前驗(yàn)證學(xué)生的設(shè)計(jì)方案，極大提高實(shí)驗(yàn)效率和操作安全性。

（2）提出了一種基于LabVIEW 的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)教學(xué)仿真平臺(tái)開發(fā)方案，明確了仿真平臺(tái)開發(fā)流程。

（3）成功開發(fā)了一套“雙缸行程控制回路仿真平臺(tái)”，驗(yàn)證了基于LabVIEW 的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)教學(xué)仿真平臺(tái)開發(fā)方案的可行性。