虛擬仿真技術(shù)在液壓與氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

呂明珠

(遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院自控學(xué)院,遼寧沈陽 110161)

虛擬仿真技術(shù)在液壓與氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

呂明珠

(遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院自控學(xué)院,遼寧沈陽 110161)

研究了虛擬仿真技術(shù)在液壓與氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的典型應(yīng)用,提出了液壓與氣動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)思路。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用推動(dòng)了職業(yè)技術(shù)院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的改革,改善了教學(xué)環(huán)境,優(yōu)化了教學(xué)過程,提高了教學(xué)質(zhì)量,不但解決了學(xué)校教學(xué)資源不足的問題,還能提供一種即時(shí)的、動(dòng)態(tài)的、交互的認(rèn)知形式,虛擬平臺(tái)可以讓教學(xué)的表現(xiàn)形式豐富多彩且具有實(shí)用性和可操作性。

虛擬仿真;液壓與氣動(dòng);實(shí)驗(yàn)教學(xué);虛擬實(shí)驗(yàn)室

職業(yè)技術(shù)院校的教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體、以能力為核心,教學(xué)內(nèi)容往往以典型工作任務(wù)為載體,著重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題的能力。因此,實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)在課程體系中占有很大的比重,這就需要有大量配套的實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)訓(xùn)場地。但由于學(xué)校經(jīng)費(fèi)有限,許多實(shí)驗(yàn)設(shè)備又價(jià)格昂貴,實(shí)驗(yàn)器材的短缺和老化問題難以解決。另外,由于大多數(shù)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備功能單一,學(xué)生只能按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書做一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),缺乏主動(dòng)性和參與性,職業(yè)技能的應(yīng)用水平不高,實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果并不理想。

近年來,將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域已有很多成功案例[1],如虛擬物理/化學(xué)/生物/機(jī)械實(shí)驗(yàn)、虛擬地理教學(xué)、虛擬故障診斷與維修等。借助虛擬平臺(tái),可以讓教學(xué)的表現(xiàn)形式豐富多彩且具有直觀性和可操作性,使原來只能閱讀的信息變成了可視、可聽、可摸的信息,抽象信息變成了生動(dòng)、形象、具體的三維信息,從而有效推進(jìn)了教學(xué)改革的進(jìn)程。

1 液壓與氣動(dòng)課程的虛擬實(shí)驗(yàn)改革

“液壓與氣動(dòng)”是高職院校機(jī)電類專業(yè)開設(shè)的一門核心課程,其特點(diǎn)是實(shí)踐性強(qiáng)、配套的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多。目前,遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院共有3個(gè)液壓與氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)室,實(shí)驗(yàn)設(shè)備20余套,專兼職教師5人,承擔(dān)著機(jī)電一體化、機(jī)電設(shè)備與維修、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、數(shù)控技術(shù)等多個(gè)專業(yè)每年約500名學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的短缺和老化,使分組實(shí)驗(yàn)的學(xué)生人數(shù)較多,每個(gè)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)較少,不能滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要,教學(xué)效果也不理想。

為此,我校利用現(xiàn)有的CAD/CAM機(jī)房,對液壓與氣動(dòng)課程的典型實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式進(jìn)行了改革,將虛擬仿真技術(shù)引入課程,開發(fā)了液壓泵虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)、液壓控制閥原理演示實(shí)驗(yàn)、液壓基本回路性能測試實(shí)驗(yàn)。這些改革不但解決了學(xué)校教學(xué)資源和實(shí)訓(xùn)基地不足、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程安全性的問題,而且還為學(xué)生提供了一種即時(shí)、動(dòng)態(tài)、交互、可想象的結(jié)構(gòu)化學(xué)習(xí)形式,使教學(xué)內(nèi)容的外在表現(xiàn)形式與內(nèi)在邏輯結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合在一起,幫助學(xué)生習(xí)得經(jīng)驗(yàn)和策略、掌握知識(shí)和技能[2-5]。

2 虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的典型應(yīng)用

2.1 液壓泵的虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)

液壓泵是液壓系統(tǒng)的動(dòng)力元件,是重要的液壓元件。液壓泵拆裝實(shí)驗(yàn)是讓學(xué)生學(xué)習(xí)各種液壓泵的組成、工作原理和安裝技術(shù)要求,能夠分析液壓泵常見故障原因及排除方法。傳統(tǒng)的液壓泵拆裝實(shí)驗(yàn)多采用實(shí)物拆裝,不但拆裝實(shí)驗(yàn)周期長,而且設(shè)備耗損嚴(yán)重[6]。

實(shí)驗(yàn)室以Solidworks軟件為平臺(tái),以eDrawings生成人機(jī)交互界面,開發(fā)了液壓泵的虛擬拆裝系統(tǒng)。

首先,應(yīng)用Solidworks對液壓泵進(jìn)行實(shí)體建模,然后應(yīng)用eDrawings對液壓泵進(jìn)行虛擬拆裝,還可以依據(jù)實(shí)際工況,在參數(shù)設(shè)置中施加負(fù)荷進(jìn)行仿真和優(yōu)化。學(xué)生以PC機(jī)為客戶端登錄該系統(tǒng)。系統(tǒng)中有各種不同類型的液壓泵如齒輪泵、葉片泵、柱塞泵可供拆裝,可通過零部件選項(xiàng)卡了解各種液壓泵的組成,認(rèn)識(shí)各種零部件,還可以通過縮放、旋轉(zhuǎn)、平移等操作,從不同角度觀察液壓泵的結(jié)構(gòu)(見圖1)。學(xué)生可以自行擬定對泵的拆裝方案,完成對液壓泵的拆裝(見圖2)。若對拆裝方案不滿意,還可以重新拆裝。

圖1 外嚙合齒輪泵的組合體圖

2.2 液壓控制閥的原理演示

液壓控制閥是用來控制液壓系統(tǒng)中液流的方向、壓力和流量的元件。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,學(xué)生雖然可以見到各類閥的實(shí)物,但對其工作過程理解得并不深刻,對于教材上的文字說明更是覺得難學(xué)難懂[7]。

實(shí)驗(yàn)室利用Flash軟件,對液壓換向閥、壓力閥、流量閥的工作過程進(jìn)行了生動(dòng)、形象的動(dòng)畫模擬。通過觀看動(dòng)畫,學(xué)生不僅能清晰地了解液壓油的流動(dòng)過程,還能逼真地看到閥芯的開啟或關(guān)閉動(dòng)作。圖3是先導(dǎo)式溢流閥的工作過程演示圖。學(xué)生還可通過調(diào)節(jié)播放按鈕放慢動(dòng)畫的播放速度,使得每一處工作細(xì)節(jié)都能淋漓盡致地展示出來,收到了很好的教學(xué)效果。

圖2 外嚙合齒輪泵的虛擬拆裝

圖3 先導(dǎo)式溢流閥的工作原理演示圖

2.3 液壓基本回路的性能測試實(shí)驗(yàn)

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)無論如何復(fù)雜,都是由一些能夠完成某種特定控制功能的基本回路組成的。掌握這些回路的原理和性能,對分析和設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)至關(guān)重要。液壓基本回路的性能測試實(shí)驗(yàn)主要是測定并繪制速度特性曲線、力或轉(zhuǎn)矩特性曲線。傳統(tǒng)的測試方法只能通過各類傳感器和儀器儀表來實(shí)現(xiàn),由于儀器儀表精度不高,加之人工測量誤差,從而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性[8]。

實(shí)驗(yàn)室基于Java、EASY5和Hopsan軟件技術(shù)設(shè)計(jì)了一些典型液壓回路的測試系統(tǒng)。圖4是“進(jìn)油路節(jié)流調(diào)速回路”性能測試實(shí)驗(yàn)原理圖。只要在人機(jī)界面輸入負(fù)載的類型、負(fù)載的大小、節(jié)流閥的開口面積,系統(tǒng)便會(huì)立即計(jì)算出泵出口壓力、液壓缸無桿腔壓力、有桿腔壓力和流量的大小。此外,系統(tǒng)還能自動(dòng)生成速度特性曲線(見圖5),既省時(shí)、省力,又真實(shí)、準(zhǔn)確。

圖4 進(jìn)油路節(jié)流調(diào)速回路原理圖

圖5 速度特性曲線的繪制

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的思路

虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用,可以促進(jìn)教學(xué)方法的現(xiàn)代化和教學(xué)手段的多樣化,讓學(xué)生自主構(gòu)建虛擬場景,因而特別適合職業(yè)技術(shù)院?！敖?學(xué)-做”合一的教學(xué)方式。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用,不但能為教學(xué)提供生動(dòng)、逼真和豐富多彩的視覺、聽覺材料,使學(xué)生通過人機(jī)交互的方式獲得逼真的體驗(yàn),而且學(xué)生也可以從中享受到學(xué)習(xí)的樂趣,提高學(xué)習(xí)的積極性,提高學(xué)習(xí)效果。

3.1 關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的關(guān)鍵是軟件平臺(tái)開發(fā)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建[9]。

軟件平臺(tái)包括建模軟件、仿真軟件、分析軟件。目前,我校液壓與氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)室安裝了Solidworks三維建模軟件,能夠完成各種液壓元件的實(shí)體建模、動(dòng)畫演示、渲染等功能;仿真分析軟件有eDrawings、Flash、Java、Easy5和Hopsan等,因此,軟件平臺(tái)可以滿足不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的需求[10]。

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)包括人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)、網(wǎng)頁制作和數(shù)據(jù)管理等,將網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合,利用校園網(wǎng)實(shí)現(xiàn)課程網(wǎng)上教學(xué)。目前,我校已建成液壓與氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)課程并投入使用。學(xué)生可在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告、完成測試題目等,并可與教師進(jìn)行在線交流。此外,該網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)還可以統(tǒng)計(jì)學(xué)生學(xué)習(xí)成績、管理實(shí)驗(yàn)成績等[11-12]。

3.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的整合

根據(jù)我校液壓與氣動(dòng)課程的技能要求,目前虛擬實(shí)驗(yàn)室開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可分為3大類,每個(gè)大類下面開設(shè)了若干個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

(1)原理演示類:主要項(xiàng)目有換向閥、壓力閥、流量閥;

(2)虛擬拆裝類:主要項(xiàng)目有液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓缸;

(3)性能測試類:主要項(xiàng)目有容積調(diào)速回路、節(jié)流調(diào)速回路、壓力控制回路。

今后,還會(huì)根據(jù)學(xué)生的反饋和實(shí)際需要,不斷增加實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的數(shù)量。

4 結(jié)束語

我校液壓與氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)室將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,不僅解決了學(xué)校實(shí)驗(yàn)資源和實(shí)訓(xùn)基地不足的問題,而且改善了教學(xué)環(huán)境,優(yōu)化了教學(xué)過程,提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果,提升了學(xué)生的職業(yè)能力,對于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才具有深遠(yuǎn)的意義。虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)緊密結(jié)合,其意義遠(yuǎn)超出實(shí)驗(yàn)本身,是職業(yè)技術(shù)院校未來發(fā)展的必然趨勢。

References)

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Applicantion of virtual simulation technology in hydraulic and pneumatic experimental teaching

LüMingzhu
(Department of Automatic Control,Institute of Liaoning Equipment Manufacturing Professional Technology,Shenyang 110161,China)

The typical application of virtual simulation technology is studied in hydraulic and pneumatic experimental teaching,and the construction of virtual laboratory is proposed.Development of virtual simulation technology promotes the innovation of experimental method,and the environment of teaching is improved,the process of teaching is optimized,the quality of teaching is strengthened.The shortage problems of teaching resources are settled,and a real-time,dynamic,interactive study methods are provided.The virtual platform can enrich the teaching process,which shows that it has the practicability and maneuverability.

virtual simulation;hydraulic and pneumatic;experimental teaching,virtual laboratory

G642;TP13

A

1002-4956(2015)4-0144-03

2014-09-27

遼寧遠(yuǎn)程教育協(xié)會(huì)“十二五”立項(xiàng)課題(2014XH02-43)

呂明珠(1980—),女,遼寧沈陽,碩士,講師,主要從事電氣工程和自動(dòng)控制領(lǐng)域的教學(xué)和研究.

E-mail:lvmzh1980＠163.com