液壓傳動虛擬計算機輔助教學系統的研究

摘 要 本文首先闡述了液壓傳動實驗的重要性以及激發學生學習理論概念熱情的方法——虛擬計算機輔助教學法。為此，作者利用Authorware開發一個液壓傳動的虛擬計算機輔助教學系統。文中給出了該系統的總體結構，所包含的基本液壓回路以及實驗操作步驟。根據實踐得出結論：在課堂講授環節中采用該虛擬計算機輔助教學系統，不僅可以取得良好的教學效果，而且有助于學生快速掌握所學內容。

關鍵詞 液壓回路 虛擬實驗 計算機輔助教學

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

Abstract This study first addresses the importance of hydraulic transmission experiments and the approaches- virtual CAI to enthuse students over the study of concepts. With this object in view， the authors attempt to establish a virtual CAI system for hydraulic transmission by means of Authorware. The general construction of the system， basic hydraulic circuits to be selected and experimental steps are proposed. We conclude by practice that better effect of teaching and fast understanding of contents are accomplished by putting this virtual CAI system into the teaching course of hydraulic transmission.

Key words Hydraulic Circuit； virtual experiment； computer aided instruction （CAI）

0 引言

液壓傳動是一門實踐性很強的機械類與機電類專業必修課程，實驗教學環節非常重要。由于液壓系統的成本和運行費用較高，許多高校實驗條件因此受到了限制，學生不能馬上實驗課堂上所學的內容，或者有的課堂內容根本就沒有與其相對應的實驗。導致許多學生不能正確地掌握液壓元件的工作原理及液壓基本回路的功能等重要知識，而且學習該課程的積極性也不高。①

隨著計算機與多媒體技術的發展，出現了許多虛擬實驗。利用仿真技術與多媒體技術可生成一個逼真的三維視覺、觸覺、聽覺及嗅覺的感官世界，使用戶根據自己的要求，借助某些設備和自然技能對虛擬世界的客體進行瀏覽與交互考察。②鑒于此，為了克服目前液壓傳動實驗的不足，提高學生學習的積極性和學習的效果，本文以多媒體制作軟件Authorware為主要開發工具，③借助于Photoshop及Flash圖形圖像軟件，設計了液壓傳動虛擬計算機輔助教學系統，幫助學生在教學過程中迅速掌握液壓元件的工作原理及相關概念。

1 液壓傳動虛擬計算機輔助教學系統的總體構造

該系統主要由液壓系統組裝實驗和液壓基本回路性能實驗兩部分組成，如圖1所示。

2 液壓系統實驗設計與應用

2.1 液壓系統組裝實驗

本文通過組裝一個典型的機床液壓系統，④加深對所學液壓元件的功能及結構的認識。液壓系統如圖2所示，主要由液壓泵、液壓缸、溢流閥、開停閥、節流閥、換向閥、濾油器和油箱組成。

在Authorware中模擬現實的回路組裝類似于一個拼圖游戲。⑤如果將零件拖動到正確的位置，則零件停留并固定在正確的位置上；如果將零件拖動到錯誤的位置時，則零件回到原來的位置，等待下一次的正確拖動。其組裝流程如圖3所示。

2.2 節流調速回路性能實驗

節流調速回路性能實驗目的主要是讓學生了解節流調速回路的類型、構成及其特點。通過該實驗，掌握它們各自的速度—負載特性。從實驗原理來講，進行節流調速回路的速度—負載特性試驗要解決如下兩個問題：一是如何構成各種實驗回路，并解決工作液壓缸的速度測量問題；二是解決如何實現加載及如何調節加載力的問題。圖4為節流調速回路性能實驗臺原理圖，其中左側為實驗回路部分，右側為載部分。

2.3 進口節流調速回路的速度—負載特性實驗

實驗步驟：（1）如上所述，構成實驗回路和加載系統，并啟動它們；（2）調定進油路上的節流閥6的開度；（3）在FL=0（即空載）的情況下，測量主油缸9活塞運動速度v=s/t 。其中s（行程）通過鋼直尺由實驗者自己選定，時間t用秒表測定；（4）調節溢流閥15，從小到大，分級改變加載壓力p5，測量v=s/t，觀察并記錄p2，p3，p4等壓力值。（5）改變進油路上的節流閥6的開度。重復上述步驟。測定節流閥在另一開度（AT）值下的v=f（FL）特性。（6）要求完成節流閥閥口開度為大、中、小三種情況下的速度—負載特性實驗；（7）實驗完畢后，松開溢流閥3和溢流閥15，停泵。

在Authorware中實現調速回路性能實驗要按照設計步驟進行。首先，讓用戶閱讀實驗目的，點擊“進入實驗室”交互按鈕后，用戶看到實驗的系統原理圖，系統等待用戶的輸入，因為實驗前需要對系統的工作回路和加載回路進行調整工作。用戶根據實驗步驟進行操作，調整完畢后，程序跳轉到回路的選擇交互中。當用戶選擇進口節流調速回路實驗時，有三個操作需要選擇：（1）選擇節流閥的開口大小，（2）確定某一次實驗的加載壓力，（3）是接通三位四通換向閥。于是油液開始按照油路的性質在回路中流動。點擊“觀看速度—負載曲線”，用戶可以觀看回路的速度—負載曲線，如圖5（下轉第112頁）（上接第95頁）所示。

3 結論

由于篇幅所限，本文只介紹了液壓系統組裝實驗和進口節流調速回路的速度—負載特性實驗，其余的壓力控制回路實驗都設計成獨立的模塊形式，模塊之間的切換利用幾個響應范圍為“永久”的下拉菜單交互（）實現。每個模塊在各個響應結果分支中是一個群組圖標（）。模擬實驗是利用計算機多媒體技術模擬真實的實驗環境， 在交互控制下將實驗的每個過程進行展示。任何一個液壓系統，無論多么復雜，總是由一些基本液壓回路組成。為此，虛擬實驗教學軟件采用模塊式結構，便于以后擴充。實踐表明，隨著計算機技術以及多媒體技術的不斷發展， 虛擬計算機輔助教學軟件具有廣闊的應用前景。

注釋

①⑤鄧向明，崔平正，張力等.機械類實驗的數字化虛擬.新疆石油學院學報，2004，Vol.16 No.2：70-80.

② 鄭鈞宜，常建娥，孫杰.項目教學法及其在基于網絡的工科教學平臺中的應用.全國計算機技術應用與高等學校計算機教育論文集（第1卷）下冊.西南交通大學出版社，2009.11：456-459.

③ 黃小宇，張鳳群，陳陽.中文Authorware多媒體制作.北京：清華大學出版社，2005.

④ 明仁雄，萬會雄.液壓與氣壓傳動.北京：國防工業出版社，2003.