虛擬仿真技術(shù)在“液壓傳動”課程中的應(yīng)用研究

鄧江洪 陳新元 曾良才

[摘 要] 針對液壓傳動傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在本科“液壓傳動”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足，研究采用虛擬仿真技術(shù)建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行擴(kuò)展與深化，并從仿真實(shí)驗(yàn)的總體框架、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)和表現(xiàn)形式等方面對虛擬仿真技術(shù)在“液壓傳動”實(shí)驗(yàn)課中的應(yīng)用進(jìn)行了探索，建立了液壓元件與系統(tǒng)虛擬仿真平臺，使用結(jié)果表明，虛擬實(shí)驗(yàn)有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、鞏固課本知識、培養(yǎng)安全意識和創(chuàng)新精神。

[關(guān)鍵詞] 液壓傳動;實(shí)驗(yàn)教學(xué);虛擬仿真技術(shù);虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）03-0157-04? ?[收稿日期] 2020-09-13

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上所進(jìn)行的對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的模擬與仿真[1，2]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不僅可以逼真重建實(shí)驗(yàn)設(shè)備外形，還可以對元件靈活放大與縮小，對元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)透視，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)程進(jìn)行控制，甚至模擬故障，等等。由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)效果等值于甚至優(yōu)于實(shí)體實(shí)驗(yàn)，引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注與研究[3]。“液壓傳動”是機(jī)械電子工程專業(yè)的主干課程之一[4，5]，是機(jī)、電、液、控制多學(xué)科知識綜合應(yīng)用的典型代表，液壓傳動實(shí)體實(shí)驗(yàn)具有很強(qiáng)的復(fù)雜性、不可視性和危險性，實(shí)體實(shí)驗(yàn)難以滿足教學(xué)需要[6-10 ]，為了提高教學(xué)效果，液壓傳動課程教師一直對新的教學(xué)方法進(jìn)行探索，包括對傳統(tǒng)的液壓實(shí)驗(yàn)局限性進(jìn)行分析，對虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行整體規(guī)劃[8-10 ]，對表現(xiàn)方法進(jìn)行探索[5-7，9，10]。我校在已有的液壓元件及系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺的基礎(chǔ)上，采用虛擬仿真技術(shù)，建立了《液壓元件及系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)》。在兩個學(xué)年的教學(xué)中，特別是在新型冠狀肺炎疫情期間，開展了網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)，鞏固了學(xué)生的課程基礎(chǔ)知識，增強(qiáng)了學(xué)生對涉及多學(xué)科交叉的綜合知識點(diǎn)的理解深度，提高了液壓實(shí)驗(yàn)的直觀性，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維。

一、傳統(tǒng)的液壓傳動實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題與提高教學(xué)效果的途徑

液壓傳動實(shí)體實(shí)驗(yàn)在本科教學(xué)中發(fā)揮了重要作用，增進(jìn)了學(xué)生對課本知識的理解，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力，但由于其本身的特點(diǎn)，存在一定的局限性[4]，主要包括以下幾點(diǎn)。

一是液壓傳動實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中受到各種因素的制約，如液壓傳動介質(zhì)高壓力（約0～31.5MPa）、驅(qū)動設(shè)備高電壓、實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜、環(huán)境惡劣（噪聲大、油液污染）、危險性高（出現(xiàn)泄漏易傷人）等，為了防止安全事故的發(fā)生，避免組織大量學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和禁止學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)流程多為教師準(zhǔn)備、安全檢查，學(xué)生點(diǎn)擊按鈕，觀察和記錄分析，這就導(dǎo)致學(xué)生無法參與實(shí)驗(yàn)的全部流程[5]，不利于學(xué)生實(shí)踐能力的提高和培養(yǎng)其安全意識及創(chuàng)新能力。

二是傳統(tǒng)的液壓傳動實(shí)驗(yàn)只能通過液壓缸、馬達(dá)、儀表對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行描述，關(guān)鍵的元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理及流體流動狀態(tài)無法觀測，氣穴也無法觀測。

三是由于液壓元件型號和規(guī)格繁多，元件選型與應(yīng)用是實(shí)踐的要點(diǎn)，需要通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的異同來加深知識點(diǎn)的理解與記憶，但是由于實(shí)驗(yàn)室元件種類有限，且不同規(guī)格元件安裝平臺不同，加工周期長、成本高，因此實(shí)驗(yàn)室的條件無法實(shí)現(xiàn)，制約了教學(xué)效果[ 10 ]，限制了學(xué)生開展探索性研究和對創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

因此可以利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢，打破液壓傳動實(shí)體實(shí)驗(yàn)的局限，提高教學(xué)效果。主要有以下幾點(diǎn)：（1）虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)苷鎸?shí)模擬實(shí)驗(yàn)步驟規(guī)劃、實(shí)驗(yàn)元件選型、安裝、實(shí)驗(yàn)安全檢查、實(shí)驗(yàn)操作步驟和數(shù)據(jù)分析處理的全流程。（2）虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)芾糜?jì)算機(jī)技術(shù)，采用元件閥體透視、半剖、全剖等方法，展現(xiàn)出元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作過程;采用局部放大，展現(xiàn)流體的微小運(yùn)動狀態(tài)，采用整體縮小，展現(xiàn)設(shè)備的整體狀態(tài);采用進(jìn)程控制，對瞬間發(fā)生的液壓現(xiàn)象進(jìn)行慢放或回放。（3）虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)鼙憩F(xiàn)出不同規(guī)格的元件，并且選擇不同規(guī)格后，系統(tǒng)有不同的表現(xiàn)形式。

虛擬實(shí)驗(yàn)不僅是實(shí)體實(shí)驗(yàn)的真實(shí)反映，更是對實(shí)體實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充與擴(kuò)展，符合現(xiàn)代教學(xué)發(fā)展。

二、液壓傳動虛擬實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)

（一）總體框架

液壓傳動仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中心構(gòu)建“一平臺、兩目標(biāo)、三層次、四結(jié)合、五模塊、十學(xué)科”。以液壓傳動仿真實(shí)驗(yàn)平臺為切入口，實(shí)現(xiàn)高素質(zhì)應(yīng)用型行業(yè)領(lǐng)軍人才培養(yǎng)和創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的目標(biāo);分為專業(yè)基礎(chǔ)、專業(yè)拓展和綜合創(chuàng)新三個層次;搭建元件認(rèn)知與設(shè)計(jì)模塊、回路搭建與故障處理模塊、關(guān)鍵元件性能檢測模塊、典型系統(tǒng)測試與評估模塊、互動與考核模塊，鞏固課本知識，提高創(chuàng)新能力，融入工程實(shí)踐知識，實(shí)現(xiàn)共性問題系統(tǒng)自動解答，特殊問題教師對應(yīng)解答;結(jié)合課本理論知識、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、工程案例和前沿技術(shù)，在專業(yè)拓展和創(chuàng)新實(shí)踐層次輻射“流體力學(xué)”“電工電子”“機(jī)械控制原理”“計(jì)算機(jī)測試技術(shù)”“可編程控制器原理及應(yīng)用”等上游學(xué)科與“液壓比例系統(tǒng)”“液壓伺服系統(tǒng)”“液壓故障診斷”“智能控制基礎(chǔ)”共九門核心專業(yè)課程，并將課本知識點(diǎn)連成片，融入工程實(shí)踐，培養(yǎng)高層次人才。

（二）模塊設(shè)計(jì)原則與作用

1.液壓元件認(rèn)知與設(shè)計(jì)模塊。熟悉和深入了解泵、閥、缸和輔件等液壓元器件的結(jié)構(gòu)和工作原理，通過自主構(gòu)建新型結(jié)構(gòu)的液壓元件，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.液壓回路搭建與故障處理模塊。熟悉典型液壓回路的搭建與典型液壓系統(tǒng)故障診斷，了解液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)本質(zhì)和維護(hù)要領(lǐng)，提高實(shí)踐動手能力，建立良好的工程觀念。

3.關(guān)鍵液壓元件性能測試模塊。掌握元件性能曲線的識讀和指標(biāo)的計(jì)算，強(qiáng)化依據(jù)液壓元件性能指標(biāo)選型的設(shè)計(jì)能力。

4.液壓典型液壓系統(tǒng)測試與性能評判模塊。深入理解機(jī)—電—液—控制一體化，學(xué)會控制系統(tǒng)性能分析比對和參數(shù)的調(diào)節(jié)優(yōu)化，強(qiáng)化液壓系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的控制思想與電、液聯(lián)動調(diào)試方法。

（三）各模塊實(shí)驗(yàn)原理簡介

1.液壓元件認(rèn)知與設(shè)計(jì)模塊實(shí)驗(yàn)原理。為了鞏固基礎(chǔ)知識，加深對液壓元件的理解并培養(yǎng)創(chuàng)新精神，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建立了豐富的液壓元件和基礎(chǔ)部件庫，通過文字、圖片或聲音對其進(jìn)行基本講解，學(xué)生通過調(diào)用液壓元件庫中的對應(yīng)元件，結(jié)合課堂講授或教材上的理論知識，運(yùn)用相應(yīng)工具可對其進(jìn)行任意拆裝和解剖（如圖1所示），充分觀察元件結(jié)構(gòu)和內(nèi)部流道、阻尼孔、閥口、節(jié)流邊、均壓槽、摩擦副等關(guān)鍵部位的特征，彌補(bǔ)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室因經(jīng)費(fèi)、場地等限制導(dǎo)致的元件種類和數(shù)量少、操作困難等不足之處。

學(xué)生還可以調(diào)用液壓基礎(chǔ)部件庫，運(yùn)用“功能單元法”，按照元件各部件的功能進(jìn)行簡化（如圖2所示），學(xué)生根據(jù)原理組合出不同結(jié)構(gòu)和功能的新型液壓元件，促進(jìn)學(xué)生思考，激發(fā)其創(chuàng)造力。

2.液壓回路搭建模塊實(shí)驗(yàn)原理。為了提高學(xué)生分析問題和實(shí)踐動手的能力，建立良好的工程觀念，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)了典型液壓回路虛擬搭建、診斷功能模塊。學(xué)生根據(jù)給定條件、目標(biāo)原理圖，從元件庫中自主選擇主要元件的類型（如圖3所示）、主要參數(shù)（如圖4所示）、連接和控制方式等，根據(jù)元件的連接方式，選擇合適的工具（如圖5所示）進(jìn)行液壓回路的虛擬裝配搭建。

在裝配搭建過程中，虛擬實(shí)驗(yàn)回路會檢測元件的額定參數(shù)、傳感器量程、元件安裝方式是否正確，密封件是否安裝、螺栓是否緊固，實(shí)時提示錯誤和故障，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論知識分析判斷并糾正錯誤，直到液壓系統(tǒng)正確搭建完成。為了強(qiáng)化學(xué)生的安全意識，模擬故障現(xiàn)場，如密封件未安裝，出現(xiàn)安裝面或接頭滲漏，學(xué)生應(yīng)補(bǔ)充安裝;如安裝閥件螺栓未緊固，啟動泵電機(jī)后，油液從縫隙處噴射，甚至出現(xiàn)閥體從安裝面噴出的場景;如壓力設(shè)置超過安全值，管道破裂，油液飛濺。

通過虛擬實(shí)驗(yàn)操作，讓學(xué)生親身經(jīng)歷工具使用、元件選型和配合、系統(tǒng)的集成制造、故障處理等過程，領(lǐng)悟液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)本質(zhì)和維護(hù)要領(lǐng)。同時，排除了實(shí)際實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)高壓和強(qiáng)電傷害學(xué)員的隱患，避免了在裝配過程中油液外泄導(dǎo)致的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

3.關(guān)鍵液壓元件性能測試模塊實(shí)驗(yàn)原理。為了培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和機(jī)電專業(yè)知識的融合，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)了關(guān)鍵液壓元件性能虛擬檢測模塊。學(xué)生操作系統(tǒng)，可對選定的液壓缸的啟動壓力、帶載動摩擦力等指標(biāo)進(jìn)行檢測，分別生成啟動壓力曲線、帶載動摩擦力曲線，通過試驗(yàn)結(jié)果分析比對，學(xué)會液壓缸類性能曲線的識讀和指標(biāo)的計(jì)算，強(qiáng)化依據(jù)液壓元件性能指標(biāo)選型的設(shè)計(jì)能力。

4.典型液壓系統(tǒng)測試與性能評判模塊實(shí)驗(yàn)原理。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)了典型液壓系統(tǒng)性能測試與控制參數(shù)調(diào)試測控模塊。學(xué)生可對系統(tǒng)設(shè)定的典型位置伺服控制系統(tǒng)的試運(yùn)行、階躍響應(yīng)、動態(tài)頻寬等指標(biāo)進(jìn)行測試，生成階躍響應(yīng)曲線和頻率特性曲線。通過對試驗(yàn)曲線識讀，計(jì)算伺服控制系統(tǒng)的動態(tài)特性指標(biāo)，并對主要控制參數(shù)（P、I、D等）進(jìn)行調(diào)整，改善和優(yōu)化控制系統(tǒng)的性能。

通過典型液壓系統(tǒng)虛擬性能測試與控制參數(shù)調(diào)試操作，掌握液壓位置閉環(huán)控制原理，體會機(jī)—電—液—控制一體化系統(tǒng)的復(fù)雜性，強(qiáng)化液壓系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的控制思想與電、液聯(lián)動調(diào)試方法。

（四）實(shí)驗(yàn)特色

1.對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行放大，即允許學(xué)生操作錯誤，虛擬操作不當(dāng)導(dǎo)致的危險，培養(yǎng)學(xué)生的安全意識;可對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行縮小，即看到在實(shí)體實(shí)驗(yàn)中看不到的內(nèi)部動作、流體流動狀態(tài)等。

2.對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行加速，對進(jìn)展緩慢且不關(guān)鍵的過程進(jìn)行加速，縮短實(shí)驗(yàn)時間;對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行減速，對瞬時發(fā)生的現(xiàn)象進(jìn)行減速或多次回放，便于觀察細(xì)節(jié)。

3.對實(shí)驗(yàn)過程非線性化設(shè)計(jì)，操作順序、操作方法、參數(shù)設(shè)置具有一定的隨機(jī)性和任意性，允許容錯、試錯，不同實(shí)驗(yàn)條件產(chǎn)生不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，訓(xùn)練學(xué)生的綜合能力。

（五）教學(xué)效果

自“液壓傳動”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)上線以來，對提高“液壓傳動”理論課和實(shí)驗(yàn)課教學(xué)效果起到了積極作用。學(xué)生反饋，虛擬實(shí)驗(yàn)生動有趣，提高了學(xué)生對液壓傳動課程的興趣。本科一年級和二年級的學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)，對專業(yè)知識體系和工程應(yīng)用有了一定的了解;本科三年級學(xué)生反饋，虛擬實(shí)驗(yàn)加深了對課本知識的理解，在期末考試中，元件原理說明題的得分率有了大幅提高;本科四年級學(xué)生反饋，虛擬實(shí)驗(yàn)促使學(xué)生對“液壓傳動”“液壓比例技術(shù)”等課程知識有了新的認(rèn)識，對畢業(yè)設(shè)計(jì)有了較大幫助;在實(shí)物實(shí)驗(yàn)前，通過虛擬實(shí)驗(yàn)熟悉操作流程，提高了實(shí)驗(yàn)室的利用效率。目前，本校有近500名學(xué)生受益，特別是在疫情期間，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮了重要作用。

三、結(jié)語

“液壓傳動”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是信息技術(shù)與液壓傳動實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合的產(chǎn)物，極大地拓展了專業(yè)實(shí)驗(yàn)的廣度、深度和學(xué)習(xí)資源，特別適應(yīng)現(xiàn)代化教學(xué)的發(fā)展，豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)模式。虛擬實(shí)驗(yàn)采用“線上+線下”教學(xué)相結(jié)合的個性化、智能化和泛在化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，將基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程教學(xué)和基于翻轉(zhuǎn)課堂的引導(dǎo)式、開放式教學(xué)相結(jié)合，激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和積極性，提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能。但是，如何將機(jī)電專業(yè)其他學(xué)科知識在該實(shí)驗(yàn)平臺上有機(jī)融合，在不嵌入專業(yè)軟件的前提下，實(shí)現(xiàn)梯形圖的編制、曲線的生成，在實(shí)驗(yàn)時間分散、缺乏師生面對面的情況下，及時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)并給予幫助等，還需要進(jìn)一步的研究與完善。

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