FluidSIM-H在“液壓傳動”課程教學(xué)中的應(yīng)用

趙 雙 漆玉軒

重慶郵電大學(xué)先進制造工程學(xué)院 重慶 400065

液壓傳動作為四大傳動方式之一,在冶金工程、建筑工程、航空航天等工程領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用,在大國重器中也發(fā)揮著重要的作用?！耙簤簜鲃印弊鳛橐婚T融合了機械、電子、控制等多學(xué)科的課程,是機械類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。液壓傳動課程內(nèi)容理論性和實踐性都很強,傳統(tǒng)課堂理論教學(xué)再加上學(xué)生缺乏工程實踐經(jīng)驗,勢必造成知識抽象、理解困難、學(xué)習(xí)枯燥乏味,教學(xué)效果難以保證。教學(xué)中引入FluidSIM-H軟件進行理實一體化教學(xué),激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高了學(xué)習(xí)的主動參與性與創(chuàng)造性,培養(yǎng)了分析和解決問題的能力[1-2]。

1 FluidSIM-H軟件簡介

FluidSIM軟件由德國Festo公司和Paderborn大學(xué)聯(lián)合開發(fā),專門用于液壓、氣動及電氣回路設(shè)計與仿真的軟件,包含液壓系統(tǒng)設(shè)計子軟件FluidSIM-H和氣動系統(tǒng)設(shè)計子軟件FluidSIM-P,兩者使用方法基本相同,下面簡要介紹一下FluidSIM-H軟件。

FluidSIM-H軟件包括三個主要模塊:繪圖功能模塊、系統(tǒng)模擬仿真功能模塊及綜合演示功能模塊,其軟件界面如圖1所示。FluidSIM-H提供電氣、液壓元件庫,可以形象地仿真液壓回路和電氣控制回路的動作,并實時顯示油液流動方向及執(zhí)行機構(gòu)運動動作,還可以觀察液壓系統(tǒng)中的各元件的物理量值,如液壓缸的運動速度、輸出力、油路壓力、流量閥的開口度等。通過FluidSIM-H設(shè)計和仿真,便于用戶進行液壓系統(tǒng)的設(shè)計、驗證、方案優(yōu)化、分析與研究等[3-4]。

圖1 FluidSIM-H軟件界面

2 FluidSIM-H軟件在教學(xué)應(yīng)用中的案例

完成一個系統(tǒng)首先需要明確設(shè)計需求和目標(biāo),分析系統(tǒng)工況,確定系統(tǒng)的主要參數(shù),選擇合適的液壓元件和回路,擬訂設(shè)計方案和系統(tǒng)原理圖,對設(shè)計方案進行驗證和優(yōu)化,繼而進行實驗驗證,分析實驗結(jié)果。在此過程中鍛煉了學(xué)生利用先進工具進行數(shù)字化設(shè)計的能力、融合多學(xué)科知識進行創(chuàng)新創(chuàng)造的能力、分析和解決復(fù)雜工程問題的能力等。同時教學(xué)案例以小組為單位完成設(shè)計任務(wù),需要組員通力合作完成,在此過程中培養(yǎng)了自主學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)能力,以及團隊合作精神和集體榮譽感。

下面通過“基于液壓傳動的傳送帶物料自動分揀系統(tǒng)”教學(xué)應(yīng)用案例,介紹一下基于FluidSIM-H的液壓傳動課程理實一體化教學(xué)模式實施。

2.1 案例任務(wù)分析

自動分揀系統(tǒng)主要實現(xiàn)驅(qū)動帶液壓馬達轉(zhuǎn)動和液壓缸推出退回,由輸送裝置、分類裝置、控制裝置和分揀道口組成。本教學(xué)案例主要完成輸送裝置和分類裝置的設(shè)計,其中輸送裝置主要組成部分是傳送帶或輸送機,其主要作用是使待分揀商品貫通過控制裝置、分類裝置,并輸送裝置的兩側(cè),一般要連接若干分揀道口,使分好類的商品滑下主輸送機(或主傳送帶)以便進行后續(xù)作業(yè)。分類作用是根據(jù)控制裝置發(fā)出的分揀指示,當(dāng)具有相同分揀信號的商品經(jīng)過該裝置時,該裝置動作,使改變在輸送裝置上的運行方向進入其他輸送機或進入分揀道口。在案例任務(wù)分析環(huán)節(jié),需要同學(xué)們進行相關(guān)文獻資料的查閱,小組分析和討論設(shè)計任務(wù)及設(shè)計方案,分配小組任務(wù)等。

傳送帶物料自動分揀系統(tǒng)工作流程為:光電傳感器先檢測物品是否出現(xiàn),當(dāng)檢測到物品出現(xiàn)后,液壓馬達驅(qū)動傳送帶運動帶動物品向前行進。達到電感傳感器時物品種類被識別出,缸筒固定的液壓缸隨即選擇是否推出相應(yīng)物品,完成物品分類,最后液壓缸推桿退回等待下一待識別物品。

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

基于液壓傳動的傳送帶物料自動分揀系統(tǒng)主要進行物料的傳輸及分類,設(shè)計中需要綜合考慮功能、結(jié)構(gòu)、成本、節(jié)能等因素,各組發(fā)揮創(chuàng)新思維和創(chuàng)造力,進行原理設(shè)計,在此過程中培養(yǎng)了學(xué)生的工程素養(yǎng)、先進工具使用的能力和創(chuàng)新思維。

比如,有的小組所設(shè)計的液壓系統(tǒng)包括調(diào)速回路、速度換接回路、方向控制回路、壓力控制回路等幾部分,在FluidSIM-H環(huán)境下設(shè)計的液壓系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

1.液壓泵;2.溢流閥;3、4.三位四通電磁換向閥;5、6、7、8.節(jié)流閥;9、10.二位二通電磁換向閥;11、12、15、16.液控單向閥;13.液壓缸;14.液壓馬達

2.3 電器控制電路設(shè)計及仿真

項目案例培養(yǎng)了學(xué)生融合控制科學(xué)、電子電路等多學(xué)科知識進行綜合設(shè)計和應(yīng)用的能力,此案例中需要進行電磁閥的控制電路設(shè)計,以便后續(xù)編寫控制程序。

根據(jù)傳送帶物料自動分揀系統(tǒng)功能設(shè)計電磁鐵工作順序表如下表所示。

電磁鐵工作順序表

物料經(jīng)過電感傳感器時系統(tǒng)進入識別階段,若經(jīng)過的物料是木塊,則液壓缸不做任何動作,傳送帶將繼續(xù)帶著木塊前進,直到被傳送到木塊收集區(qū)。若經(jīng)過的物料是金屬塊,則金屬塊被傳送帶向前傳動,到達液壓缸處被定好時間的液壓缸推出。

以液壓缸推出動作為例,當(dāng)金屬塊到達液壓缸處KT1延時閉合繼電器計時完成,KT1常開觸點閉合,系統(tǒng)進入推出階段。此時1YA、2YA、3YA、5YA失電,4YA、6YA得電,閥3、閥4右位工作,閥10、閥9左位工作,液壓缸推桿向前推出將金屬塊推出傳送帶。

液壓馬達進油路1:1→4→7→10→12→14。

液壓馬達回油路1:14→16→4→油箱。

液壓缸進油路2:1→3→5→9→11→13。

液壓缸回油路2:13→15→3→油箱。

FluidSIM-H環(huán)境下系統(tǒng)的電氣控制和液壓回路仿真如圖3(a)、(b)所示。

(a)物料自動分揀系統(tǒng)推出階段電氣控制回路

2.4 機電液一體化實物模擬實驗

在前期仿真設(shè)計的基礎(chǔ)上,繼續(xù)在實驗臺上進行項目案例的實物模擬實驗,此過程培養(yǎng)了學(xué)生動手實踐能力、規(guī)范安全的實驗操作能力、求真務(wù)實的科學(xué)素養(yǎng)以及勇于挑戰(zhàn)的工匠精神等。

根據(jù)液壓系統(tǒng)需要完成的動作循環(huán),對系統(tǒng)所需的變量進行定義以及地址的分配,根據(jù)電氣控制圖編寫PLC控制程序,最后通過液壓缸和液壓馬達動作,完成液壓系統(tǒng)的循環(huán)自動分揀功能,如圖4所示。經(jīng)實物模擬實驗,實驗結(jié)果和仿真結(jié)果一致,驗證了所設(shè)計液壓系統(tǒng)的正確性和可行性。

圖4 實物模擬實驗

結(jié)語

在“液壓傳動”課程教學(xué)中使用FluidSIM-H進行設(shè)計和仿真教學(xué),使原本枯燥抽象的液壓基本回路變得直觀生動,過程可觀察、參數(shù)可顯現(xiàn)、結(jié)果可分析、設(shè)計可優(yōu)化。經(jīng)理實一體化教學(xué)實踐表明,融入FluidSIM-H的教學(xué)模式能夠使學(xué)生綜合運用液壓傳動技術(shù)、電氣控制技術(shù)、PLC可編程控制技術(shù)、傳感器技術(shù)等多學(xué)科知識,進行機電一體化設(shè)計和工程應(yīng)用,提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度,提高了學(xué)生的專業(yè)技能和教學(xué)效果。