適應(yīng)不同教學(xué)環(huán)境的液壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘" 要" 針對(duì)目前高校液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)室中存在的液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備體積質(zhì)量大、占地面積廣、不便移動(dòng)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)并研制一套可移動(dòng)的組合型液壓傳動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，該設(shè)備由液壓組合實(shí)驗(yàn)裝置和液壓機(jī)械模型兩部分組成，具有體型緊湊、空間分配靈活、便于移動(dòng)的特點(diǎn)，可適應(yīng)于實(shí)驗(yàn)室和教室等不同的教學(xué)環(huán)境。該實(shí)驗(yàn)設(shè)備的研制為高校液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供了一條重要的路徑。

關(guān)鍵詞" 液壓傳動(dòng)；液壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642.423" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）23-00-04

0" 引言

作為典型的工科課程，液壓傳動(dòng)課程中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)液壓傳動(dòng)的效果有著很大影響，因此，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)環(huán)境是保證教學(xué)質(zhì)量的必要條件之一。目前，不少高校和企業(yè)針對(duì)傳統(tǒng)的液壓教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和教學(xué)手段進(jìn)行改進(jìn)，例如：對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)面和液壓附件的存放進(jìn)行改進(jìn)[1]，將實(shí)驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng)由封閉式的工控機(jī)控制系統(tǒng)改進(jìn)為開放式的PLC控制系統(tǒng)并增加控制閥的種類[2]；開發(fā)基于虛擬儀器的液壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)[3]。然而這些改進(jìn)前或改進(jìn)后的液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)存在體積質(zhì)量大、占地面積廣、實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)（套）數(shù)易受到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地面積制約以及該類設(shè)備無(wú)法在教室環(huán)境使用等問(wèn)題。雖然虛擬液壓教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一定程度上解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備占用大量實(shí)驗(yàn)室面積的問(wèn)題，但學(xué)生缺乏操作實(shí)際液壓回路和液壓設(shè)備工作時(shí)的真實(shí)感與交互感，這也在一定程度上影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，因此，有必要研制一套可移動(dòng)的組合型液壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備。通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)，可以將實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行整合、拆分和移動(dòng)，以適應(yīng)普通教室和實(shí)驗(yàn)室等不同的教學(xué)環(huán)境，讓實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用場(chǎng)地和環(huán)境不受過(guò)多限制。

1" 液壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)對(duì)現(xiàn)有液壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備的調(diào)研，結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱要求，欲研制出一種新型的可移動(dòng)、組合型、具有一定模塊化功能的液壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備。該液壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備除了具備一般實(shí)驗(yàn)臺(tái)的回路拼接和元件測(cè)試功能外，還需增加具有網(wǎng)絡(luò)通信功能的“PLC+工業(yè)觸摸屏系統(tǒng)”，其配備的液壓實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)既可以與實(shí)物硬件連接進(jìn)行相關(guān)液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，也可脫機(jī)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。此外，該實(shí)驗(yàn)設(shè)備除了可以進(jìn)行常規(guī)的液壓回路實(shí)驗(yàn)外，還應(yīng)配備具有典型行業(yè)代表性的液壓機(jī)械實(shí)物模型，使得學(xué)生在確保安全的前提下可以利用對(duì)液壓機(jī)械模型的操控獲得較為真實(shí)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)操控感。

1.1" 液壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

液壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備由液壓組合實(shí)驗(yàn)裝置和液壓機(jī)械模型兩部分組成，如圖1所示。其中液壓組合實(shí)驗(yàn)裝置由液壓動(dòng)力單元、回路拼接單元、調(diào)節(jié)控制單元組成，可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)液壓回路動(dòng)態(tài)拼接實(shí)驗(yàn)、液壓回路智能控制與通信實(shí)驗(yàn)、液壓元件外觀展示及回路靜態(tài)拼接、液壓元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維虛擬裝配演示和液壓回路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)及設(shè)備測(cè)試等。通過(guò)液壓組合實(shí)驗(yàn)裝置與液壓機(jī)械模型的組合，該實(shí)驗(yàn)設(shè)備還可以進(jìn)行液壓機(jī)械實(shí)物模型的運(yùn)動(dòng)演示和操作控制。

1.2" 液壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)

該液壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)由以合信PLC為核心的三層體系結(jié)構(gòu)組成，如圖2所示。個(gè)人計(jì)算機(jī)通過(guò)PLC適配器與PLC建立通信，進(jìn)行PLC控制程序的編輯、編譯和下載；另外通過(guò)USB接口與工業(yè)觸摸屏（MCGS觸摸屏）建立通信，進(jìn)行人機(jī)界面的編輯、編譯和下載。PLC與工業(yè)觸摸屏之間則通過(guò)RS485進(jìn)行通信，作為控制系統(tǒng)人機(jī)界面的連接管道。PLC通過(guò)其I/O接口對(duì)底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（包括可移動(dòng)液壓泵站、液壓控制閥組、液壓機(jī)械手模型和液壓沖壓機(jī)模型）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信與控制。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的重要支撐，也是對(duì)傳統(tǒng)液壓控制手段進(jìn)行技術(shù)升級(jí)的必然選擇。在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)該功能，有助于學(xué)生了解和體會(huì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的概念與應(yīng)用場(chǎng)景?？刂葡到y(tǒng)中增加了合信的CP4653網(wǎng)關(guān)模塊，通過(guò)PPI接口與PLC連接，可以借助合信工業(yè)云MiCo平臺(tái)實(shí)現(xiàn)一定的遠(yuǎn)程控制功能。該平臺(tái)采用128 bit動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)加密模式，是合信技術(shù)推出的一款開放、穩(wěn)定、安全的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

2" 液壓機(jī)械模型設(shè)計(jì)

2.1" 液壓機(jī)械手模型設(shè)計(jì)

目前，機(jī)械手的主要驅(qū)動(dòng)形式包括電驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)，其中電驅(qū)動(dòng)形式應(yīng)用最多。相比于電驅(qū)動(dòng)，采用液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手具有穩(wěn)定性和可靠性高、負(fù)載能力強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，比較適合用在工作環(huán)境相對(duì)惡劣的軍工及煤田、礦山及水下等特殊作業(yè)場(chǎng)合[4-5]。這些液壓機(jī)械手普遍體積質(zhì)量較大，造價(jià)比較昂貴，不適合在教學(xué)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)一種既能反映液壓機(jī)械手結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，體積和質(zhì)量又比較小的液壓機(jī)械手模型。

如圖3所示，液壓機(jī)械手模型整體設(shè)計(jì)尺寸和質(zhì)量都較小，以使其具備便于移動(dòng)和攜帶的特點(diǎn)，其小臂3、中臂6及大臂8的運(yùn)動(dòng)均采用微型液壓缸驅(qū)動(dòng)（件4、件5、件7和件9），手爪旋轉(zhuǎn)和機(jī)械手臂的整體回轉(zhuǎn)采用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)（件2、件11），手爪（件1）的開合也采用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)的液壓動(dòng)力源和電控系統(tǒng)均裝入動(dòng)力及控制箱10中。該機(jī)械手模型的液壓系統(tǒng)中采用四路并聯(lián)的三位四通換向閥組，以實(shí)現(xiàn)四個(gè)微型液壓缸的運(yùn)動(dòng)控制。液壓機(jī)械手模型可實(shí)現(xiàn)六自由度運(yùn)動(dòng)，便于拾取和搬運(yùn)質(zhì)量較小的圓柱狀物料或塊狀物料。

2.2" 液壓沖壓機(jī)模型設(shè)計(jì)

沖壓工藝是通過(guò)壓機(jī)和模具，使材料塑性變形或者分離，得到與模具形狀相同零件的方法[6]。工業(yè)上實(shí)際應(yīng)用的液壓沖壓機(jī)具有壓力高、體積龐大、操作時(shí)對(duì)安全性要求高的特點(diǎn)，在高校的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中并不太適用。液壓沖壓機(jī)模型在保持工業(yè)上實(shí)際應(yīng)用的液壓沖壓機(jī)整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能的基礎(chǔ)上，適當(dāng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，使得總體尺寸和質(zhì)量滿足輕便和易于攜帶的特點(diǎn)。如圖4所示，該液壓沖壓機(jī)模型由立柱8、底座1和支撐板10搭建整體機(jī)架結(jié)構(gòu)，空間結(jié)構(gòu)緊湊；通過(guò)固定夾具7與立柱8、支撐板10的螺栓連接實(shí)現(xiàn)液壓缸9的安裝和定位；液壓缸9活塞桿末端安裝沖頭夾具11及沖壓頭5，底座1與工件夾具2通過(guò)螺栓固定，可通過(guò)調(diào)整工件夾具2的位置實(shí)現(xiàn)沖壓頭5與工件3的軸心重合；液壓缸工作時(shí)，安裝于接近開關(guān)安裝架4上的接近開關(guān)可以檢測(cè)沖頭的位移行程，從而給控制系統(tǒng)發(fā)出上下限位信號(hào)，使得液壓缸實(shí)現(xiàn)下降沖壓和上升復(fù)位的沖壓工藝動(dòng)作。

3" 液壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能描述

3.1" 設(shè)備的組合與分拆功能

目前已完成的液壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括由各獨(dú)立箱體組成的液壓組合實(shí)驗(yàn)裝置一套及液壓機(jī)械模型兩個(gè)。圖5a所示為該實(shí)驗(yàn)設(shè)備完全展開的狀態(tài)，其PLC控制系統(tǒng)與內(nèi)嵌的工業(yè)觸摸屏具有通信接口，可以完成常規(guī)液壓回路（壓力控制回路、速度控制回路、方向控制回路以及多執(zhí)行元件控制回路等）的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)功能和實(shí)際的液壓回路拼接實(shí)驗(yàn)功能等，控制方式涵蓋手動(dòng)控制和PLC自動(dòng)控制兩種模式。當(dāng)實(shí)驗(yàn)完成后，其中的便攜式多功能液壓實(shí)驗(yàn)控制箱和便攜式多功能液壓元件收納與展示箱均可以收納至體積最小狀態(tài)，便于移動(dòng)和存放。圖5b

為該裝置部分收攏的狀態(tài)。此外，整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備還配有多工位的實(shí)驗(yàn)板，可以利用多工位的特點(diǎn)執(zhí)行不同的功能，在其平放時(shí)可以安裝液壓機(jī)械模型開展實(shí)驗(yàn)，在其豎起時(shí)可以用于安裝液壓元件進(jìn)行液壓回路拼接實(shí)驗(yàn)。

該設(shè)備中每個(gè)單元（箱體）均具備一定的實(shí)驗(yàn)功能。例如：利用便攜式多功能液壓實(shí)驗(yàn)控制箱可以進(jìn)行液壓控制回路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；利用便攜式多功能液壓元件收納與展示箱可以進(jìn)行液壓元件的靜態(tài)展示；其中的移動(dòng)式液壓泵站既可以給該套實(shí)驗(yàn)設(shè)備提供液壓動(dòng)力，也可以給其他液壓設(shè)備充當(dāng)動(dòng)力源。兩臺(tái)液壓機(jī)械模型由于尺寸小、質(zhì)量輕，可以被方便地帶到教室進(jìn)行展示和操作演示，全套液壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備組合后可以實(shí)現(xiàn)較為豐富的實(shí)驗(yàn)

功能。

3.2" 設(shè)備實(shí)驗(yàn)軟件基本功能

實(shí)驗(yàn)設(shè)備的人機(jī)界面采用McgsPro嵌入組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)，軟件主要包括四個(gè)功能模塊，分別是液壓實(shí)驗(yàn)分類、液壓元件展示、液壓系統(tǒng)控制和注意事項(xiàng)。圖6所示為系統(tǒng)的主界面，其中液壓實(shí)驗(yàn)分類模塊用于進(jìn)行常規(guī)的液壓回路拼接實(shí)驗(yàn)；液壓元件展示模塊可以動(dòng)畫展示液壓回路拼接實(shí)驗(yàn)中主要液壓元件的三維結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生了解這些元件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理；液壓系統(tǒng)控制模塊可以對(duì)液壓機(jī)械手模型及液壓沖壓機(jī)模型進(jìn)行操作控制；注意事項(xiàng)模塊則是對(duì)設(shè)備的使用和實(shí)驗(yàn)操作流程進(jìn)行圖文介紹與說(shuō)明。

4" 結(jié)束語(yǔ)

該實(shí)驗(yàn)設(shè)備解決了傳統(tǒng)液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)模塊化和便攜化方面的難題，各功能單元均可獨(dú)立完成部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行選配和增配。裝置體積小巧，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)室空間，可以在實(shí)驗(yàn)室和教室等不同的環(huán)境條件下使用，既可以滿足普通的液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)課程需要，也可用于開設(shè)綜合性強(qiáng)的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)課程。實(shí)驗(yàn)設(shè)備集成了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、仿真控制技術(shù)與液壓技術(shù)，拓寬了學(xué)生視野，豐富了實(shí)驗(yàn)類型，一定程度上也減少了元件數(shù)量，降低了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的采購(gòu)和運(yùn)行成本。

5" 參考文獻(xiàn)

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