虛擬現實技術在液壓傳動實驗教學中的應用研究

陳敏捷, 羊榮金, 沈孟鋒

(杭州科技職業技術學院 機電工程學院, 浙江 杭州 311402)

“液壓傳動”課程是機電類專業一門非常重要的專業基礎課,包括理論教學與實驗教學兩部分。通過該課程的學習,學生應掌握液壓元件的工作原理、能夠合理選用液壓元件,能夠讀懂常見的液壓回路圖并進行簡單的液壓系統設計、調試與故障診斷。液壓傳動知識的理論性和實踐性都很強[1]。

在實際的實驗教學環節,由于液壓元件和實驗設備價格較高,學校實驗設備臺套數少,難以滿足每個學生都動手實踐的需求。此外,由于液壓技術和設備的發展,已有的液壓實驗設備往往不能向學生展示最新的液壓技術,無法適應新時代學生對知識與能力的創新性學習需求。

我校將虛擬現實技術引入液壓實驗教學,以虛實結合的方式開展實驗,在提高學生學習興趣、培養學生實踐動手能力與創新意識方面取得了較好的效果[2]。

1 液壓虛擬教學技術的應用現狀

虛擬教學技術源于美國,在國外已經得到廣泛應用并發展到較高的水平。在政策引導下,我國國內高校正在大力發展虛擬教學,近年已經取得較大進展,虛擬技術應用于實驗教學的成功案例越來越多,如化工、醫學、電子、機械等虛擬實驗系統的開發與應用。

液壓虛擬實驗教學以液壓元件和液壓回路為對象,結合計算機信息技術、虛擬現實技術等進行虛擬化教學,形象地展示液壓元件的結構、工作原理,可虛擬拆裝液壓元件、設計液壓回路,動態模擬液壓回路的工作過程,并實時獲取壓力、流量等數據[3]。虛擬技術應用于液壓教學,主要集中在液壓元件虛擬拆裝與虛擬實驗兩方面。目前,液壓元件虛擬拆裝訓練系統的應用研究成果很多,例如褚識廣針對齒輪泵虛擬裝配系統進行的研究[4]、劉杰宇針對多路閥虛擬裝配系統進行的研究[5]等。

為滿足液壓傳動課程實驗教學的需要,我校開發了一套能夠真實反映實驗效果、滿足學生自由交互實驗、涵蓋液壓理論學習和虛擬實驗、教學思路貫通的液壓傳動虛擬實驗系統[6-7],將液壓傳動系統的虛擬拆裝應用于實驗教學中。利用該系統,學生可以不受時空限制、不限次數地進行液壓實驗。該系統的使用,極大地解決了學校液壓實驗設備不足、實驗場地局限等問題,提高了實驗設備使用率,在幫助學生學習液壓元件結構與工作原理知識方面發揮了很好的作用。

2 系統的總體設計

2.1 系統的設計思路

為切實發揮液壓傳動虛擬實驗系統的作用,確定系統的總體設計思路為:

(1) 真實模擬液壓實驗環境,讓學生有如身臨其境的體驗感；

(2) 根據本校“液壓傳動”課程教學大綱的要求,要能夠進行5大類實驗,每大類下開設若干實驗項目,實驗項目豐富,涵蓋“液壓傳動”課程教學全程；

(3) 每個實驗設計有完整的實驗流程,能生動說明實驗目的、實驗原理與實驗內容,能操作實驗設備、顯示和記錄實驗數據和并提交實驗報告[8]；

(4) 有較強的交互性,用戶可以全方位、多角度地進行實驗回路搭建、數據記錄、實驗報告撰寫等操作,如同真實實驗一般；

(5) 具有開放性,能緊跟液壓新技術發展,具備擴充實驗項目的功能；

(6) 具備單機與網絡發布功能,可以通過校園網、精品課程、云課程平臺、個人計算機等途徑共享,方便學生隨時隨地使用。

2.2 系統的總體結構

液壓傳動虛擬實驗系統由4級界面構成,分別是系統登錄界面、實驗類別選擇界面、實驗選擇界面與實驗操作界面。

系統目前涵蓋了5大類共計13個實驗項目。

(1) 工作介質類實驗:薄壁小孔液阻特性實驗、細長孔液阻特性實驗、環形縫隙液阻特性實驗；

(2) 液壓泵類實驗:液壓泵性能測試實驗；

(3) 液壓缸或液壓馬達類實驗:液壓缸性能實驗、液壓馬達性能測試實驗；

(4) 液壓閥類實驗:溢流閥動態性能實驗、溢流閥靜態性能實驗、減壓閥動態性能實驗、減壓閥靜態性能實驗；

(5) 調速回路類實驗:進口節流調速回路性能實驗、出口節流調速回路性能實驗、旁路節流調速回路性能實驗。

3 系統的技術實現

為了實現如圖1所示的實驗系統,采用的開發軟件主要有三維建模軟件UG NX、3ds Max、圖片處理軟件Photoshop和虛擬軟件Unity。

圖1 虛擬仿真實驗系統效果圖

根據該系統的功能需求,開發流程如圖2所示。

圖2 系統開發流程圖

(1) 建模:在UG中建立液壓元件、液壓實驗臺等裝配體模型,導出可以在3ds Max中打開的文件。

(2) 模型優化:在3ds Max中給模型賦予燈光和材質,模型的貼圖和材質的相關圖片通過Photoshop處理,縮放到合適比例,完成模型優化后以.fbx文件格式導入Unity中[9]。

(3) 交互制作:Unity軟件是一款用于創建游戲(二維及三維)、建筑可視化等類型互動內容的綜合性創作工具[10-11]。Unity軟件支持跨平臺,Unity5.0已經支持包括IOS、Android、PC及Web Play等21種平臺,從而一次開發就可在單機、網頁、移動終端及其他平臺上同時使用。在Unity軟件中打開導入的優化模型,進行模型大小及網格設置、動畫狀態機的切換等操作,并編寫相關代碼以實現交互功能。

(4) 系統發布:制作完成后,借助第三方插件Unity Web Player實現網頁發布,導出到網頁上播放并進行調試。Unity5.0已經實現WebGL支持,不需要安裝任何插件就可以實現網頁瀏覽,且不影響運行速度。系統也可以進行單機發布[12]。

4 液壓泵性能測試實驗的設計

以液壓泵性能測試實驗為例說明實驗設計。

4.1 實驗目的和實驗內容

該實驗的目的是了解液壓泵的主要性能指標,學會小功率液壓泵的測試方法,并繪制液壓泵特性曲線。該實驗的內容是:

(1) 測試液壓泵的流量-壓力(q-p)特性曲線。測定液壓泵在不同工作壓力下的實際流量,繪制液壓泵的q-p特性曲線。壓力越高、溫度越高,油液黏度越低、內泄漏就越大、輸出流量就越小。

4.2 實驗步驟

在進行該實驗前,應明確實驗目的、實驗原理和實驗步驟。在選擇進入該虛擬實驗界面后,單擊桌面上的“實驗目的”“實驗原理”和“實驗流程”按鈕,可以了解實驗并做好實驗前的準備。

聯動的PLC、2套步進電機、1塊觸摸屏、1套鎖付機及相關的外圍機械組件構成。PLC1為主控制器， 實現自動裝料、自動安裝螺絲等功能；PLC2為從站控制器，實現工作臺前后、左右移動到預訂安裝位置的功能。通過人機界面(觸摸屏)來實時查看系統工作狀態，修改螺絲安裝位置等相關參數。

4.2.1 實驗臺搭建

(1) 元件搭建。如圖3所示,用鼠標左鍵點擊左邊元件庫中的元件,拖動到原理圖相應的位置,出現一個紅色識別區后,釋放鼠標,如果選擇元件正確,則完成元件安裝。

圖3 液壓實驗臺的搭建

(2) 管路連接:所有元件安裝到位后,點擊連管按鈕,完成管路連接。管路的透明程度可以通過管路透明調節滑塊調節,方便觀察液壓油的流動情況。

4.2.2 元件操作

(1) 系統電源:點擊電源按鈕,開啟系統電源。

(2) 液壓泵:點擊液壓泵按鈕,可以開啟相對應的液壓泵。

(3) 電磁閥:點擊電磁閥線圈按鈕,可以打開相應的電磁閥。

4.2.3 信息提示和數據采集

提示和報警:在實驗過程中,會出現實驗操作步驟的提示,如果操作錯誤,會出現報警。

提示信息重現:實驗提示消失之后,可以點擊實驗臺中可以操作的按鈕,提示會再次出現。

實驗儀表:點擊“實驗儀表”按鈕,可以調出如圖4所示的實驗儀表,點擊實驗儀表隱藏按鈕,可以隱藏實驗儀表。

圖4 實驗儀表圖

數據采集:通過單擊一次采集數據按鈕,可以采集一次實驗數據。

數據記錄表:單擊實驗結果按鈕,可以打開實驗數據,如圖5(a)所示。

實驗曲線:點擊實驗曲線,可以打開實驗曲線,如圖5(b)所示。

實驗報告:點擊界面上的“實驗報告”按鈕,可以打開.doc格式的實驗報告進行填寫與提交。

圖5 實驗數據與實驗曲線

5 結語

將智能型液壓傳動虛擬實驗系統用于液壓課程教學中,將原來“理論+實驗”的教學模式改為“理論+虛擬實驗+實物實驗”的教學方式,讓學生在虛擬實驗系統中自主完成實驗,待熟悉實驗流程后進入實驗室進行實物實驗,大大提高了實驗室利用率,并使實驗管理維護成本降低50%以上,學生的自學能力、實踐能力、創新能力也有不同程度的提高。由于該虛擬實驗系統的使用,每年均有近200名學生受益；任課教師在實驗指導時花費的課時也有減少,減輕了教師的執教壓力。這對于提高液壓課程教學質量、提升學生實踐能力、培養機電創新型人才具有重要意義。

參考文獻(References)

[1] 王積偉,章宏甲,黃誼.液壓與氣壓傳動[M].2版.北京:機械工業出版社,2005.

[2] 韓寶菊,趙軍,劉長生.虛擬現實技術及其在液壓教學中的應用[J].液壓氣動與密封,2010(11):1-4.

[3] 周賢德.探討液壓虛擬仿真實驗教學模式[J].制造業自動化,2016,38(7):34-36.

[4] 褚識廣,張志利,李向陽,等.基于Virtools的齒輪泵虛擬裝配訓練系統[J].機床與液壓,2011,39(6):74-76.

[5] 劉杰宇,單奇.基于VR技術的液壓多路閥虛擬裝配系統研究[J].中國測試,2014,40(增刊1):121-125.

[6] 陳敏捷.液壓元件模型庫的開發及虛擬拆裝的設計與實現[J].裝備制造技術,2015(10):226-228.

[7] 郭聯金,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.

[8] 呂明珠.虛擬仿真技術在液壓與氣動實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理,2015,32(4):144-146.

[9] 梁峙.中文版3ds Max2014實用教程[M].北京:人民郵電出版社,2016.

[10] 吳雁濤.Unity3D平臺AR與VR開發快速上手[M].北京:清華大學出版社,2017.

[11] 吳亞峰,劉亞志,于復興.VR與AR開發高級教程：基于Unity[M].北京:人民郵電出版社,2017.

[12] 孟凡賀,張萌,張軍花,等.液壓回路虛擬實驗演示系統設計[J].機床與液壓,2011,39(5):98-100.