微型氣動教學實驗箱

時澳麗 趙亮亮 李鎮

摘要：據統計，全國有203所理工類大學，161所綜合類大學，有職業院校12300所。近年來，國家大力提倡建設應用型高校，實踐課程大幅度增加，因此實驗實訓平臺的需求量不斷增多，而現有氣動實驗臺因體積大，只能放置在實驗室中，不便于攜帶，不能實時記錄等不足，都不能充分滿足教學需要。設計一款可攜帶的實驗箱，并能夠根據需要進行模塊化的組合，便實現了理論與實踐的有機融合。

關鍵詞：氣動實驗箱;便攜式;開源

1? 研究意義

隨著教育教學改革，應用技術型高校學生數量逐年增長，理科生更是大幅度的增加，實驗設備需求量也是愈發緊張。目前市場上以大型氣動實驗臺為主，其體積大、占地面積大、使用不方便，由許多模塊進行不同方式的連接，安全性能低、價格較高、不易攜帶，而且需要外接動力源——氣泵。教育行業是一個推陳出新的行業，隨著教學模式、種類的不斷擴大，普通的實驗臺早已無法滿足教師教學的需求和學生對學習的期望，我們不得不直視教育這個龐大的市場。

2? 基本思想

基于目前的應用現狀，為滿足于《液壓與氣壓傳動》課程理論與實踐教學環節的需要，提升理實一體化教學效果，設計了集氣動、電子、計算機等技術于一體的微型氣動教學實驗箱。

該實驗箱能夠應用于不同的教學科目，具有高度的可拓展性。通過更換氣動元件、編寫不同的控制程序和不同的控制界面即可完成多種實驗項目。將氣動、電子和計算機的實驗項目有機的融合到了一起，實現了實驗的模塊化組合。同時，還可以將實驗系統帶入理論課堂，學生可以將理論與實踐充分的結合在一起，使書本上的實驗回路不再是若干簡化符號和若干線條連接而成，而是讓學生動手連接各個回路，增強和培養學生置身于工作現場的感覺，實現理論知識和實際工作的無縫對接，從而提高學生的動手操作能力。

3? 實驗箱設計方案

通過對市場上的德國力士樂產品和我國秦川教儀產品對比發現，該實驗箱主要有以下幾個方面的特點：①實驗數據記錄方面，我們可以實時觀察到每個學生的實驗過程;②結構方面布局精巧，內置有獨立氣源裝置;③在功能方面不止局限于機械專業學生，還可同時供電子、計算機等專業同學使用;④其體積較小，方便攜帶，價格比較便宜，相對性價比高。

該實驗系統主要是通過壓縮空氣、電氣動控制技術、計算機控制技術、以及建模仿真技術等，搭建微型氣動教學實驗箱。主要包括：箱體、回路工作臺、升降平臺、氣動組件、氣缸泵、人機界面等構成。其中箱體主要有兩層構成，上層為回路工作臺，安裝有氣動組件;下層為抽拉式結構，安裝有氣缸泵。

該實驗箱可供工科類院校機械類專業、電子相關類專業、計算機類專業的學生使用，在教學方面可為教師和學生提供輔助教學。現在已開發的實驗數量有：機械類專業22種、電子相關類專業3種、計算機類專業3種。

4? 實驗箱人機工作界面

微型氣動教學實驗箱，設計了一款開源的人機工作界面。教師或學生可進行模塊化的組合，同時還能夠進行二次開發。可用“氣動實驗系統中的‘安卓’”來形容。通過在人機工作界面上附加其它的功能，使其更具有經濟性和實用性。

①如圖1所示，為實驗箱計算機登錄界面，該界面系統同時能適應計算機和觸摸控制屏操作，特虛擬了“屏幕鍵盤”，使計算機上的鍵盤和屏幕上的鍵盤能同時使用，學生需在姓名欄和學號欄輸入姓名和學號，點擊“進入”進行登錄。

②當操作者輸入正確的姓名和學號后便可進入操作系統，打開實驗主界面。主界面為實驗選擇界面，該工作界面左側為信息顯示欄，顯示有實驗當天的日期、具體時間和登錄用戶的信息，并提示用戶選擇實驗類型;右側為實驗內容選擇欄，該實驗箱系統目前選取了六個回路實驗內容，直接點擊實驗圖標便可進入相關實驗。如果需要注銷用戶可點擊左下角的“注銷”圖標即可注銷，如圖2所示。

③在主界面選擇好實驗項目并點擊相關實驗圖標即可進入相關實驗內容。如點擊“自制氣缸泵測定實驗”圖標便可進入該實驗控制界面，如圖3所示。

④在該實驗工作原理圖的下方共有“轉動”、“停止”、“加速”、“減速”四個圖標，點擊可分別控制可調速直流電機轉動、停止;可調速直流電機加速轉動、減速轉動。點擊圖標后將會彈出通過計算機串口輸出的十六進制數，可通過該數編寫相關控制電子的控制程序，如圖4所示為點擊“轉動”圖標后輸出的十六進制數。

5? 實驗箱應用

該實驗箱通過結合“機—電—液”三者理論課程與實踐教學的需要，使用壓縮空氣作為工作介質，利用電氣動控制技術和計算機控制技術，建模仿真技術，設計了該氣動實驗臺的氣動、電子、計算機于一體的實驗系統，將所必須的實驗項目通過一些特定的組件集中于一個實驗箱中，主要能完成以下的實驗內容：

①基于動力裝置的原理性實驗：該動力裝置模擬柱塞式氣泵。傳統的氣動實驗臺中都配備了壓力氣源或使用外接氣源，僅僅動力裝置就占用了實驗臺的很大一部分體積和重量。在該實驗臺中模擬了動力裝置，不需要使用外接氣源，而且還能使操作者對壓力氣源的原理進行仿真研究。

②基于實驗回路的原理性實驗：該實驗裝置的實驗回路暫定模擬六種實際設備上必備的工作回路，進行分開模擬，使工作回路簡單、易懂、易學。

③該實驗箱設計了良好人機界面，可通過觸摸屏控制或計算機串口輸出直接控制，能夠讓學生直接動手操作，教師能夠對學生的實驗狀態有清晰的了解。

④該實驗箱能夠應用于不同的教學科目，其具有高度的可拓展性，可更換氣動元件、編寫不同的控制程序和不同的控制界面即可完成不同的實驗項目，將氣動、電子和計算機的實驗項目有機的融合到了一起，實現了實驗的模塊化組合。

參考文獻：

[1]唐德棟.Festo氣壓實驗臺在液壓與氣壓傳動實驗教學中的應用[J].機床與液壓，2004（2）：125-151.

[2]趙亮亮.微型氣動教學實驗臺[J].教育研究，2019（1）：39-40.

[3]瞿希.液壓與氣動實驗教學改革與實踐研究[J].內燃機與配件，2018（17）：257-258.