虛擬仿真技術在《液壓與氣動技術》教學中的應用

【摘要】基于虛擬仿真（Virtual simulation）技術的應用，針對高職類院校《液壓與氣動技術》課程的特點，如何提高學生學習效果，并結合具體仿真軟件在教學中的應用實例，通過讓學生在課堂上邊學理論邊看“效果”或課后實際操作的方式，實際掌握液壓與氣壓傳動回路設計的整個過程，以此將理論知識形象化，達到提高教學效果的目的。

【關鍵詞】虛擬仿真（Virtual simulation）；液壓與氣動技術；教學

《液壓與氣動技術》是機械相關專業學生需要掌握的重要專業課，課程包含機電系統運動設計和機電一體化技術應用的基礎知識，是一門理論與實踐相結合的專業課程。課程主要內容包含液壓傳動和氣壓傳動兩個相基本的模塊。特別是液壓技術，由于課程的特殊性，其教學受設備和場所制約，不可能像他電氣類課程一樣為每個同學配備試驗裝置，以至于現有的理論加驗證的教學手段很難使學生準確掌握液壓及氣動系統的工作原理，與不斷進行的教學改革相脫離，與當前液壓（氣動）技術的快速進步相脫節。

《液壓與氣動技術》課程涉及物理、制圖、機械設計等眾多基礎課程內容，對學生其他知識掌握要求較高。在實際教學中發現學生學習存在不少困難，特別對液流的及氣流的動態工作過程很難準確理解。實際上，每個液壓（氣動）工作系統都可拆分為若干個基本回路，各個回路之間由相應的元件或管路相連接，而回路則由不同的液壓元件經油管連接組成。系統的不同工作狀態，實際是通過各個元件不同狀態下液流與氣流不同的狀態來實現的，而液流與氣流工作的不可見性為虛擬仿真技術提供了用武之地。

一、仿真教學優勢

虛擬仿真（Virtual simulation）技術的應用提供了一種新的教學內容和教學改革的方式，為解決實際課堂教學中存在的問題，實現“形象”“互動”教學提供了可行的技術解決方案。依靠快速發展的計算機軟件技術，由軟件來仿真各個元件的工作狀態與液流（氣流）的流動，解決教學上“形象”的難點。將仿真軟件用于實踐教學并進行系統設計，更能激發學生的創新精神與學習興趣。

通過虛擬仿真軟件可將各種液壓（氣動）元件的結構與工作原理形象的展示給學生，利用形象的視覺效果使同學們易于理解元件的工作原理，以動態的演示代替抽象的理論。同時，用動畫的形式展現出來的系統的多種工作狀態，也會使同學們對《液壓與氣動技術》課程更加有興趣，提高學生學習的能動性。

二、液壓仿真軟件選擇

①FluidSIM軟件由德國Festo公司和Paderborn大學聯合開發，是一款專門用于液壓與氣動技術的專用教學軟件，其中的FluidSIM-H模塊專門用于液壓傳動教學。使用該軟件可以快速繪制出具有仿真功能的液壓系統回路，另外還可利用軟件內建功能檢查回路結構的正確性。由于該軟件中的液壓元件參數來源于Festo公司，所以與實際設備基本一致，利用軟件可對繪制出的液壓回路進行準確的系統模擬。

②AMESim是一個多學科的系統建模仿真平臺，使用者可以在這個平臺上建立包含液壓、機械、動力等學科的系統模型。其流體系統包含液壓、液壓元件、氣動等單元，目前較多使用于企業用戶。

③DSHplus軟件可以搭建圖形化的液壓（氣壓）系統原理圖，可利用專用接口與其他實驗硬件連接，實現實時仿真。該軟件在圖表建模的基礎上，重點描述系統的功能單元，元件庫中包括液壓、氣動、控制和機械零件。該軟件大多用于航天、汽車等行業。

三、應用實例

由于FluidSIM適合作為教學軟件，就以其為例描述虛擬仿真技術在《液壓與氣動技術》教學中的應用。

2.1設計與仿真液壓回路

FluidSIM-H（液壓模塊）軟件操作界面非常直觀（圖1）。液壓元件庫位于界面左側，設計工作界面位于右側部分，系統搭建過程中可以直接拖動元件到設計工作界面。

圖1 軟件操作界面

《液壓與氣動技術》課程中，在講述方向控制回路時，以雙作用缸控制回路（圖2）為例，分別控制電磁閥左右兩端電磁線圈，就可以讓上方的油缸實現伸縮運動。

圖2 雙作用缸換向回路仿真油路圖

教學中，可以利用菜單界面的黑色三角（或按F9鍵）來啟動仿真模式，用鼠標點其中左邊的電磁線圈，可使換向閥切換到左位工作，這樣油缸就會伸出，其工作狀態如圖3所示；若點擊右邊的電磁線圈，科室換向閥切換到右位工作，油缸右側進油縮回。

圖3液壓系統工作過程截圖

通過對雙作用油缸“伸”“縮”兩種運動狀態的虛擬仿真，學生會很容易理解雙作用油缸換向運動的工作原理，并且在仿真的過程中，可以點擊暫停按鈕，詳細查看各個元件的運行過程中的狀態和參數。

2.2設計電氣控制回路

FluidSIM軟件還有豐富的電氣元件用于仿真實踐，能夠為設計的液壓（氣壓）傳動回路搭配相應的電氣控制系統，并能同時進行電氣控制的仿真，如圖4所示。

圖4 聯合控制電路按下啟動按鈕SB1，線圈1YA通電，油路中電磁閥工作在左位，油缸向右伸出；按下啟動按鈕SB2，線圈2YA通電，油路中電磁閥工作在右位，油缸向左邊縮回；

2.3系統中的液壓及氣壓知識

另外，該軟件自帶有和液壓（氣壓）傳動有關的元件原理描述、元件圖片和教學影像，可以在相應的菜單中選擇。這樣可以讓學生在課堂學習的基礎上，利用課余時間自學，進一步提升學習液壓（氣壓）傳動知識的廣度。

四、教學實踐效果

在《液壓與氣動技術》課程教學中應用虛擬仿真技術，改變了傳統教學方法簡單、實驗實踐受限，且實踐內容固定學生只能被動接受的教學模式。同時利用虛擬仿真技術學生可以在實驗室、教室甚至宿舍都能完成個案學習，也可針對薄弱環境反復練習，拓展了學習的時間和空間，極大的節省了教學成本，同時，可使學習過程較為形象、直觀。

自2009年開始，連續多屆的《液壓與氣動技術》課程教學實踐中，將FluidSIM等仿真軟件用于理論講述與創新設計。實踐表明，在授課和指導液壓（氣壓）回路設計時，利用仿真軟件顯示設計方案并進行實時分析，可有效啟迪學生思路，增強學習效果。

參考文獻：

[1]唐德棟 孔祥冰 韓桂華 FLuidSIM在液壓與氣動教學中的應用[J].機械設計與制造，2005（4）：41-42

[2]FestoGluidSIM-H/P仿真設計軟件 德國：德國FESTO公司

[3]隨文臣 淺談于 FluidSIM液壓（氣壓）仿真軟件在教學中的應用[J].液壓與氣動，2007

[4]畢長飛 FluidSIM 3.6 仿真軟件在《液壓與氣動技術》中的應用[J]液壓與氣動 2011（8）：111-112