微型氣動教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱

時澳麗 趙亮亮 李鎮(zhèn)

摘要：據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國有203所理工類大學(xué)，161所綜合類大學(xué)，有職業(yè)院校12300所。近年來，國家大力提倡建設(shè)應(yīng)用型高校，實(shí)踐課程大幅度增加，因此實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺的需求量不斷增多，而現(xiàn)有氣動實(shí)驗(yàn)臺因體積大，只能放置在實(shí)驗(yàn)室中，不便于攜帶，不能實(shí)時記錄等不足，都不能充分滿足教學(xué)需要。設(shè)計(jì)一款可攜帶的實(shí)驗(yàn)箱，并能夠根據(jù)需要進(jìn)行模塊化的組合，便實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的有機(jī)融合。

關(guān)鍵詞：氣動實(shí)驗(yàn)箱;便攜式;開源

1? 研究意義

隨著教育教學(xué)改革，應(yīng)用技術(shù)型高校學(xué)生數(shù)量逐年增長，理科生更是大幅度的增加，實(shí)驗(yàn)設(shè)備需求量也是愈發(fā)緊張。目前市場上以大型氣動實(shí)驗(yàn)臺為主，其體積大、占地面積大、使用不方便，由許多模塊進(jìn)行不同方式的連接，安全性能低、價格較高、不易攜帶，而且需要外接動力源——?dú)獗?。教育行業(yè)是一個推陳出新的行業(yè)，隨著教學(xué)模式、種類的不斷擴(kuò)大，普通的實(shí)驗(yàn)臺早已無法滿足教師教學(xué)的需求和學(xué)生對學(xué)習(xí)的期望，我們不得不直視教育這個龐大的市場。

2? 基本思想

基于目前的應(yīng)用現(xiàn)狀，為滿足于《液壓與氣壓傳動》課程理論與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的需要，提升理實(shí)一體化教學(xué)效果，設(shè)計(jì)了集氣動、電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)于一體的微型氣動教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱。

該實(shí)驗(yàn)箱能夠應(yīng)用于不同的教學(xué)科目，具有高度的可拓展性。通過更換氣動元件、編寫不同的控制程序和不同的控制界面即可完成多種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。將氣動、電子和計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有機(jī)的融合到了一起，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的模塊化組合。同時，還可以將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)帶入理論課堂，學(xué)生可以將理論與實(shí)踐充分的結(jié)合在一起，使書本上的實(shí)驗(yàn)回路不再是若干簡化符號和若干線條連接而成，而是讓學(xué)生動手連接各個回路，增強(qiáng)和培養(yǎng)學(xué)生置身于工作現(xiàn)場的感覺，實(shí)現(xiàn)理論知識和實(shí)際工作的無縫對接，從而提高學(xué)生的動手操作能力。

3? 實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)方案

通過對市場上的德國力士樂產(chǎn)品和我國秦川教儀產(chǎn)品對比發(fā)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)箱主要有以下幾個方面的特點(diǎn)：①實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄方面，我們可以實(shí)時觀察到每個學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程;②結(jié)構(gòu)方面布局精巧，內(nèi)置有獨(dú)立氣源裝置;③在功能方面不止局限于機(jī)械專業(yè)學(xué)生，還可同時供電子、計(jì)算機(jī)等專業(yè)同學(xué)使用;④其體積較小，方便攜帶，價格比較便宜，相對性價比高。

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要是通過壓縮空氣、電氣動控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、以及建模仿真技術(shù)等，搭建微型氣動教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱。主要包括：箱體、回路工作臺、升降平臺、氣動組件、氣缸泵、人機(jī)界面等構(gòu)成。其中箱體主要有兩層構(gòu)成，上層為回路工作臺，安裝有氣動組件;下層為抽拉式結(jié)構(gòu)，安裝有氣缸泵。

該實(shí)驗(yàn)箱可供工科類院校機(jī)械類專業(yè)、電子相關(guān)類專業(yè)、計(jì)算機(jī)類專業(yè)的學(xué)生使用，在教學(xué)方面可為教師和學(xué)生提供輔助教學(xué)?，F(xiàn)在已開發(fā)的實(shí)驗(yàn)數(shù)量有：機(jī)械類專業(yè)22種、電子相關(guān)類專業(yè)3種、計(jì)算機(jī)類專業(yè)3種。

4? 實(shí)驗(yàn)箱人機(jī)工作界面

微型氣動教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，設(shè)計(jì)了一款開源的人機(jī)工作界面。教師或?qū)W生可進(jìn)行模塊化的組合，同時還能夠進(jìn)行二次開發(fā)?？捎谩皻鈩訉?shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的‘安卓’”來形容。通過在人機(jī)工作界面上附加其它的功能，使其更具有經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

①如圖1所示，為實(shí)驗(yàn)箱計(jì)算機(jī)登錄界面，該界面系統(tǒng)同時能適應(yīng)計(jì)算機(jī)和觸摸控制屏操作，特虛擬了“屏幕鍵盤”，使計(jì)算機(jī)上的鍵盤和屏幕上的鍵盤能同時使用，學(xué)生需在姓名欄和學(xué)號欄輸入姓名和學(xué)號，點(diǎn)擊“進(jìn)入”進(jìn)行登錄。

②當(dāng)操作者輸入正確的姓名和學(xué)號后便可進(jìn)入操作系統(tǒng)，打開實(shí)驗(yàn)主界面。主界面為實(shí)驗(yàn)選擇界面，該工作界面左側(cè)為信息顯示欄，顯示有實(shí)驗(yàn)當(dāng)天的日期、具體時間和登錄用戶的信息，并提示用戶選擇實(shí)驗(yàn)類型;右側(cè)為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選擇欄，該實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)目前選取了六個回路實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，直接點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)圖標(biāo)便可進(jìn)入相關(guān)實(shí)驗(yàn)。如果需要注銷用戶可點(diǎn)擊左下角的“注銷”圖標(biāo)即可注銷，如圖2所示。

③在主界面選擇好實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目并點(diǎn)擊相關(guān)實(shí)驗(yàn)圖標(biāo)即可進(jìn)入相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。如點(diǎn)擊“自制氣缸泵測定實(shí)驗(yàn)”圖標(biāo)便可進(jìn)入該實(shí)驗(yàn)控制界面，如圖3所示。

④在該實(shí)驗(yàn)工作原理圖的下方共有“轉(zhuǎn)動”、“停止”、“加速”、“減速”四個圖標(biāo)，點(diǎn)擊可分別控制可調(diào)速直流電機(jī)轉(zhuǎn)動、停止;可調(diào)速直流電機(jī)加速轉(zhuǎn)動、減速轉(zhuǎn)動。點(diǎn)擊圖標(biāo)后將會彈出通過計(jì)算機(jī)串口輸出的十六進(jìn)制數(shù)，可通過該數(shù)編寫相關(guān)控制電子的控制程序，如圖4所示為點(diǎn)擊“轉(zhuǎn)動”圖標(biāo)后輸出的十六進(jìn)制數(shù)。

5? 實(shí)驗(yàn)箱應(yīng)用

該實(shí)驗(yàn)箱通過結(jié)合“機(jī)—電—液”三者理論課程與實(shí)踐教學(xué)的需要，使用壓縮空氣作為工作介質(zhì)，利用電氣動控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，建模仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)了該氣動實(shí)驗(yàn)臺的氣動、電子、計(jì)算機(jī)于一體的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將所必須的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通過一些特定的組件集中于一個實(shí)驗(yàn)箱中，主要能完成以下的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

①基于動力裝置的原理性實(shí)驗(yàn)：該動力裝置模擬柱塞式氣泵。傳統(tǒng)的氣動實(shí)驗(yàn)臺中都配備了壓力氣源或使用外接氣源，僅僅動力裝置就占用了實(shí)驗(yàn)臺的很大一部分體積和重量。在該實(shí)驗(yàn)臺中模擬了動力裝置，不需要使用外接氣源，而且還能使操作者對壓力氣源的原理進(jìn)行仿真研究。

②基于實(shí)驗(yàn)回路的原理性實(shí)驗(yàn)：該實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)回路暫定模擬六種實(shí)際設(shè)備上必備的工作回路，進(jìn)行分開模擬，使工作回路簡單、易懂、易學(xué)。

③該實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)了良好人機(jī)界面，可通過觸摸屏控制或計(jì)算機(jī)串口輸出直接控制，能夠讓學(xué)生直接動手操作，教師能夠?qū)W(xué)生的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)有清晰的了解。

④該實(shí)驗(yàn)箱能夠應(yīng)用于不同的教學(xué)科目，其具有高度的可拓展性，可更換氣動元件、編寫不同的控制程序和不同的控制界面即可完成不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將氣動、電子和計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有機(jī)的融合到了一起，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的模塊化組合。

參考文獻(xiàn)：

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