基于虛擬儀器的液壓實驗教學系統(tǒng)開發(fā)

魏志民 喻益琳

摘? 要 隨著虛擬仿真技術(shù)與教育教學的不斷融合，傳統(tǒng)的應(yīng)用實踐類課程授課方式正在發(fā)生變革。為了彌補傳統(tǒng)液壓實驗教學的不足，探索利用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)一套液壓實驗教學系統(tǒng)，學生可先通過虛擬的液壓實驗熟悉液壓元件和回路，從而保障在實際實驗中的安全性并提高液壓傳動課程的教學質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 虛擬儀器;液壓傳動;實驗教學;液壓實驗教學系統(tǒng);Photoshop;LabVIEW

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）08-0047-03

Abstract With the increasing combination of virtual simulation tech-nology and education and teaching， the traditional teaching methods of applied practice courses are changing. In order to make up for the?shortcomings of traditional hydraulic experiment teaching， this paper?explores the use of virtual simulation technology to develop a set of?hydraulic experiment teaching system. Students can first get familiar?with hydraulic components and circuits through virtual hydraulic experiment， so as to ensure the safety of students in the actual experi-ment and improve the teaching quality of hydraulic transmission course.

Key words virtual instrument; hydraulic transmission; experimental teaching; hydraulic experiment teaching system; Photoshop; LabVIEW

1 引言

在高校理工科專業(yè)教學中，實驗教學起著至關(guān)重要的作用。然而，傳統(tǒng)的實驗教學存在實驗儀器設(shè)備價格昂貴、實驗過程存在安全隱患、實驗教學模式相對滯后等問題[1]。利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建虛擬的實驗環(huán)境、儀器設(shè)備、實驗對象和實驗信息資源等，可以有效地解決上述實驗教學中的問題，使學生獲得接近現(xiàn)實的學習體驗，有力地推動實驗教學模式的改革[2]。

液壓傳動課程是機械制造類專業(yè)開設(shè)的一門實踐性較強的專業(yè)課程，課程中所涉及的液壓實驗多是讓學生在實際液壓實訓(xùn)臺上操作液壓元器件并組成液壓回路。在實際授課中存在以下缺陷：

一是安全性方面，學生僅憑教師的講解直接去連接液壓回路并進行實驗，可能會因不正確操作而導(dǎo)致安全問題;

二是教學效果方面，一般學校設(shè)備的臺套數(shù)有限，需分幾組線性進行，學生沒有經(jīng)過虛擬操作情況而直接進行實驗，會導(dǎo)致每組實驗耗時過長，無法保證每個學生的動手操作時間，實訓(xùn)教學達不到理想的效果。

因此，對液壓傳動課程的教學改革實踐，可以考慮利用現(xiàn)有的計算機機房引入虛擬仿真技術(shù)，對各種液壓實驗的基本回路功能進行模擬仿真，從而激發(fā)學生的學習興趣并提高學習效率[3]。

為滿足學校液壓傳動課程實驗教學的需要，本文嘗試利用虛擬儀器開發(fā)一套反映真實實驗效果、滿足學生交互實驗演示、涵蓋液壓理論學習的液壓實驗教學系統(tǒng)[4]，系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)液壓具體實驗項目選擇液壓元件、搭建系統(tǒng)回路、實現(xiàn)動態(tài)演示。該系統(tǒng)的使用，在解決學生因不正確操作而導(dǎo)致的安全性問題和提高教學效率方面發(fā)揮了很好的作用。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

從切實解決本校液壓實驗相關(guān)教學問題出發(fā)，確定系統(tǒng)總體設(shè)計思路如下：

1）采用真實液壓元件搭建回路，讓學生有直觀的液壓實驗感受;

2）實驗項目滿足學校液壓傳動課程教學大綱要求，包含20個實驗項目及若干子項目;

3）每個實驗設(shè)計有完整的實驗流程，能說明實驗?zāi)康摹嶒炘砼c實驗內(nèi)容;

4）有較強的交互性，學生可操作相關(guān)按鈕、按鍵實現(xiàn)液壓傳動回路的演示和控制，如通過鼠標調(diào)節(jié)節(jié)流閥旋鈕，控制液壓缸伸縮速度等;

5）具有開放性，可根據(jù)液壓傳動課程教學需要，擴充新增實驗項目。

為充分考慮系統(tǒng)應(yīng)用的易用性，液壓實驗教學系統(tǒng)由三級界面構(gòu)成，分別是用戶登錄界面、實驗選擇界面與實驗操作界面。

3 系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)

液壓實驗教學系統(tǒng)登錄后如圖1所示，系統(tǒng)采用美國國家儀器（NI）公司研制的虛擬儀器（LabVIEW）作為主要開發(fā)平臺，輔以Photoshop作為液壓元件紋理處理軟件。根據(jù)系統(tǒng)功能需要，開發(fā)流程如圖2所示。

1）液壓元件紋理處理。將專業(yè)相機拍攝的液壓元件圖導(dǎo)入Photoshop進行紋理摳圖、對比度分析及透明等技術(shù)處理，保存為LabVIEW支持的紋理圖。

2）回路搭建、程序編寫。LabVIEW是一種圖形化的編程語言開發(fā)環(huán)境，平臺本身帶有大量可直接應(yīng)用的工業(yè)控件，同時支持自定義控件的開發(fā)。系統(tǒng)回路搭建時為滿足系統(tǒng)的逼真度及交互性，需對按鈕及燈組合控件、液壓缸、節(jié)流閥、手動換向閥等液壓元件進行自定義開發(fā)，之后按照真實的液壓原理圖進行液壓系統(tǒng)回路搭建，最后通過編程實現(xiàn)液壓回路的仿真作動。

3）系統(tǒng)發(fā)布。采用二次發(fā)布的形式，將發(fā)布完成的各實驗項目集成于同一發(fā)布程序，統(tǒng)一發(fā)布成EXE客戶端形式。

4 采用順序閥的平衡回路實驗設(shè)計

以采用順序閥的平衡回路為例，說明實驗開發(fā)過程。

實驗原理? 平衡回路的功能是使執(zhí)行元件的回油路上具有一定的背壓值，以平衡重力載荷，防止運動部件因自重而自行下落。圖3所示為順序閥的平衡回路，當系統(tǒng)提供壓力，按下SB2按鈕，三位四通電磁閥YV2通電時，壓力油經(jīng)過三位四通電磁換向閥進入液壓缸上腔，下腔油液壓力經(jīng)過先導(dǎo)式順序閥，先導(dǎo)式順序閥內(nèi)的單向閥不導(dǎo)通，到達先導(dǎo)式順序閥調(diào)節(jié)的壓力時，壓力油經(jīng)過三位四通電磁換向閥流回油箱，活塞下降比較平穩(wěn);按下SB1按鈕，三位四通電磁閥YV1通電，壓力油經(jīng)過三位四通電磁換向閥進入先導(dǎo)式順序閥，先導(dǎo)式順序閥內(nèi)的單向閥導(dǎo)通，壓力油進入液壓缸下腔，上腔油液經(jīng)過三位四通電磁換向閥流回油箱，活塞上升;三位四通電磁閥YV1、YV2都失電時，電磁閥處在原位M型閥，液壓缸鎖緊，液壓泵卸荷。

實驗設(shè)計實現(xiàn)

1）液壓元件開發(fā)。首先將專業(yè)相機拍攝的液壓元件圖導(dǎo)入Photoshop進行編輯，編輯完成后導(dǎo)出為LabVIEW支持的透明png紋理格式;之后對導(dǎo)入LabVIEW的部分液壓元件進行自定義開發(fā)。LabVIEW帶有大量工業(yè)控件，在本實驗中，液壓管路和液壓缸均可以通過“滑動桿”控件進行自定義開發(fā)。通過定義滑動桿的屬性，即可改變其為液壓管路的顯示狀態(tài);通過自定義滑動桿的滑塊為活塞桿，即可實現(xiàn)液壓缸的形式。改變開發(fā)效果如圖4所示。

2）回路搭建。根據(jù)本液壓實驗原理圖，通過創(chuàng)建多個液壓管路并進行連接，可實現(xiàn)液壓泵至各個液壓閥及液壓缸的回路搭建，如圖5所示。

3）程序編寫。程序中可利用循環(huán)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)液壓管路中流體的連續(xù)及間斷運動，利用條件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)液壓閥的換向。以液壓缸伸出的程序為例，如圖6所示。

4）程序測試。點擊SB2按鈕，三位四通電磁閥YV2通電時，壓力油經(jīng)過三位四通電磁換向閥進入液壓缸上腔，下腔油液壓力經(jīng)過先導(dǎo)式順序閥，先導(dǎo)式順序閥內(nèi)的單向閥不導(dǎo)通，到達先導(dǎo)式順序閥調(diào)節(jié)的壓力時，壓力油經(jīng)過三位四通電磁換向閥流回油箱，活塞下降比較平穩(wěn)，如圖7所示。

實驗項目發(fā)布? 在平臺項目瀏覽器的程序生成規(guī)范中新建應(yīng)用程序（EXE），選中項目vi，將頂層vi添加到啟動vi欄中，其他子vi和文件可以添加到始終包括欄中，設(shè)置好生成路徑后點擊發(fā)布即可。

5 結(jié)語

將液壓實驗教學系統(tǒng)應(yīng)用于液壓傳動課程教學中，將原始的“理論授課+實際操作”教學模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤袄碚撌谡n+虛擬實驗+實際操作”教學模式，待學生真正在虛擬實驗中熟悉了液壓元件的功用及液壓回路的搭接方式后，再進入實驗室進行實際操作，可以很好地杜絕學生因不正確操作而導(dǎo)致的安全問題，同時大大提高實驗室利用率，提高液壓傳動課程的教學質(zhì)量。

參考文獻

[1]白秀娟.高校傳統(tǒng)實驗教學模式改革的必要性[J].高校實驗室工作研究，2018（2）：11-12.

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[3]林雪冬.基于虛擬仿真技術(shù)的液壓與氣動技術(shù)課程的教學改革實踐研究[J].科技資訊，2019，17（21）：97-98，101.

[4]郭聯(lián)金，王國勝.基于FluidSIM軟件的液壓與氣動教學模式研究[J].實驗室科學，2014，17（1）：4-7.