基于虛擬儀器的液壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)

魏志民 喻益琳

摘? 要 隨著虛擬仿真技術(shù)與教育教學(xué)的不斷融合，傳統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐類課程授課方式正在發(fā)生變革。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)液壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，探索利用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)一套液壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)生可先通過虛擬的液壓實(shí)驗(yàn)熟悉液壓元件和回路，從而保障在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的安全性并提高液壓傳動(dòng)課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 虛擬儀器;液壓傳動(dòng);實(shí)驗(yàn)教學(xué);液壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng);Photoshop;LabVIEW

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）08-0047-03

Abstract With the increasing combination of virtual simulation tech-nology and education and teaching， the traditional teaching methods of applied practice courses are changing. In order to make up for the?shortcomings of traditional hydraulic experiment teaching， this paper?explores the use of virtual simulation technology to develop a set of?hydraulic experiment teaching system. Students can first get familiar?with hydraulic components and circuits through virtual hydraulic experiment， so as to ensure the safety of students in the actual experi-ment and improve the teaching quality of hydraulic transmission course.

Key words virtual instrument; hydraulic transmission; experimental teaching; hydraulic experiment teaching system; Photoshop; LabVIEW

1 引言

在高校理工科專業(yè)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)起著至關(guān)重要的作用。然而，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備價(jià)格昂貴、實(shí)驗(yàn)過程存在安全隱患、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式相對滯后等問題[1]。利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)對象和實(shí)驗(yàn)信息資源等，可以有效地解決上述實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問題，使學(xué)生獲得接近現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，有力地推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革[2]。

液壓傳動(dòng)課程是機(jī)械制造類專業(yè)開設(shè)的一門實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)課程，課程中所涉及的液壓實(shí)驗(yàn)多是讓學(xué)生在實(shí)際液壓實(shí)訓(xùn)臺(tái)上操作液壓元器件并組成液壓回路。在實(shí)際授課中存在以下缺陷：

一是安全性方面，學(xué)生僅憑教師的講解直接去連接液壓回路并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可能會(huì)因不正確操作而導(dǎo)致安全問題;

二是教學(xué)效果方面，一般學(xué)校設(shè)備的臺(tái)套數(shù)有限，需分幾組線性進(jìn)行，學(xué)生沒有經(jīng)過虛擬操作情況而直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，會(huì)導(dǎo)致每組實(shí)驗(yàn)耗時(shí)過長，無法保證每個(gè)學(xué)生的動(dòng)手操作時(shí)間，實(shí)訓(xùn)教學(xué)達(dá)不到理想的效果。

因此，對液壓傳動(dòng)課程的教學(xué)改革實(shí)踐，可以考慮利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)機(jī)房引入虛擬仿真技術(shù)，對各種液壓實(shí)驗(yàn)的基本回路功能進(jìn)行模擬仿真，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并提高學(xué)習(xí)效率[3]。

為滿足學(xué)校液壓傳動(dòng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，本文嘗試?yán)锰摂M儀器開發(fā)一套反映真實(shí)實(shí)驗(yàn)效果、滿足學(xué)生交互實(shí)驗(yàn)演示、涵蓋液壓理論學(xué)習(xí)的液壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)[4]，系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)液壓具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇液壓元件、搭建系統(tǒng)回路、實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)演示。該系統(tǒng)的使用，在解決學(xué)生因不正確操作而導(dǎo)致的安全性問題和提高教學(xué)效率方面發(fā)揮了很好的作用。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

從切實(shí)解決本校液壓實(shí)驗(yàn)相關(guān)教學(xué)問題出發(fā)，確定系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路如下：

1）采用真實(shí)液壓元件搭建回路，讓學(xué)生有直觀的液壓實(shí)驗(yàn)感受;

2）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目滿足學(xué)校液壓傳動(dòng)課程教學(xué)大綱要求，包含20個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及若干子項(xiàng)目;

3）每個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有完整的實(shí)驗(yàn)流程，能說明實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容;

4）有較強(qiáng)的交互性，學(xué)生可操作相關(guān)按鈕、按鍵實(shí)現(xiàn)液壓傳動(dòng)回路的演示和控制，如通過鼠標(biāo)調(diào)節(jié)節(jié)流閥旋鈕，控制液壓缸伸縮速度等;

5）具有開放性，可根據(jù)液壓傳動(dòng)課程教學(xué)需要，擴(kuò)充新增實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

為充分考慮系統(tǒng)應(yīng)用的易用性，液壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)由三級(jí)界面構(gòu)成，分別是用戶登錄界面、實(shí)驗(yàn)選擇界面與實(shí)驗(yàn)操作界面。

3 系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

液壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)登錄后如圖1所示，系統(tǒng)采用美國國家儀器（NI）公司研制的虛擬儀器（LabVIEW）作為主要開發(fā)平臺(tái)，輔以Photoshop作為液壓元件紋理處理軟件。根據(jù)系統(tǒng)功能需要，開發(fā)流程如圖2所示。

1）液壓元件紋理處理。將專業(yè)相機(jī)拍攝的液壓元件圖導(dǎo)入Photoshop進(jìn)行紋理摳圖、對比度分析及透明等技術(shù)處理，保存為LabVIEW支持的紋理圖。

2）回路搭建、程序編寫。LabVIEW是一種圖形化的編程語言開發(fā)環(huán)境，平臺(tái)本身帶有大量可直接應(yīng)用的工業(yè)控件，同時(shí)支持自定義控件的開發(fā)。系統(tǒng)回路搭建時(shí)為滿足系統(tǒng)的逼真度及交互性，需對按鈕及燈組合控件、液壓缸、節(jié)流閥、手動(dòng)換向閥等液壓元件進(jìn)行自定義開發(fā)，之后按照真實(shí)的液壓原理圖進(jìn)行液壓系統(tǒng)回路搭建，最后通過編程實(shí)現(xiàn)液壓回路的仿真作動(dòng)。

3）系統(tǒng)發(fā)布。采用二次發(fā)布的形式，將發(fā)布完成的各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目集成于同一發(fā)布程序，統(tǒng)一發(fā)布成EXE客戶端形式。

4 采用順序閥的平衡回路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以采用順序閥的平衡回路為例，說明實(shí)驗(yàn)開發(fā)過程。

實(shí)驗(yàn)原理? 平衡回路的功能是使執(zhí)行元件的回油路上具有一定的背壓值，以平衡重力載荷，防止運(yùn)動(dòng)部件因自重而自行下落。圖3所示為順序閥的平衡回路，當(dāng)系統(tǒng)提供壓力，按下SB2按鈕，三位四通電磁閥YV2通電時(shí)，壓力油經(jīng)過三位四通電磁換向閥進(jìn)入液壓缸上腔，下腔油液壓力經(jīng)過先導(dǎo)式順序閥，先導(dǎo)式順序閥內(nèi)的單向閥不導(dǎo)通，到達(dá)先導(dǎo)式順序閥調(diào)節(jié)的壓力時(shí)，壓力油經(jīng)過三位四通電磁換向閥流回油箱，活塞下降比較平穩(wěn);按下SB1按鈕，三位四通電磁閥YV1通電，壓力油經(jīng)過三位四通電磁換向閥進(jìn)入先導(dǎo)式順序閥，先導(dǎo)式順序閥內(nèi)的單向閥導(dǎo)通，壓力油進(jìn)入液壓缸下腔，上腔油液經(jīng)過三位四通電磁換向閥流回油箱，活塞上升;三位四通電磁閥YV1、YV2都失電時(shí)，電磁閥處在原位M型閥，液壓缸鎖緊，液壓泵卸荷。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

1）液壓元件開發(fā)。首先將專業(yè)相機(jī)拍攝的液壓元件圖導(dǎo)入Photoshop進(jìn)行編輯，編輯完成后導(dǎo)出為LabVIEW支持的透明png紋理格式;之后對導(dǎo)入LabVIEW的部分液壓元件進(jìn)行自定義開發(fā)。LabVIEW帶有大量工業(yè)控件，在本實(shí)驗(yàn)中，液壓管路和液壓缸均可以通過“滑動(dòng)桿”控件進(jìn)行自定義開發(fā)。通過定義滑動(dòng)桿的屬性，即可改變其為液壓管路的顯示狀態(tài);通過自定義滑動(dòng)桿的滑塊為活塞桿，即可實(shí)現(xiàn)液壓缸的形式。改變開發(fā)效果如圖4所示。

2）回路搭建。根據(jù)本液壓實(shí)驗(yàn)原理圖，通過創(chuàng)建多個(gè)液壓管路并進(jìn)行連接，可實(shí)現(xiàn)液壓泵至各個(gè)液壓閥及液壓缸的回路搭建，如圖5所示。

3）程序編寫。程序中可利用循環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)液壓管路中流體的連續(xù)及間斷運(yùn)動(dòng)，利用條件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)液壓閥的換向。以液壓缸伸出的程序?yàn)槔鐖D6所示。

4）程序測試。點(diǎn)擊SB2按鈕，三位四通電磁閥YV2通電時(shí)，壓力油經(jīng)過三位四通電磁換向閥進(jìn)入液壓缸上腔，下腔油液壓力經(jīng)過先導(dǎo)式順序閥，先導(dǎo)式順序閥內(nèi)的單向閥不導(dǎo)通，到達(dá)先導(dǎo)式順序閥調(diào)節(jié)的壓力時(shí)，壓力油經(jīng)過三位四通電磁換向閥流回油箱，活塞下降比較平穩(wěn)，如圖7所示。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目發(fā)布? 在平臺(tái)項(xiàng)目瀏覽器的程序生成規(guī)范中新建應(yīng)用程序（EXE），選中項(xiàng)目vi，將頂層vi添加到啟動(dòng)vi欄中，其他子vi和文件可以添加到始終包括欄中，設(shè)置好生成路徑后點(diǎn)擊發(fā)布即可。

5 結(jié)語

將液壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用于液壓傳動(dòng)課程教學(xué)中，將原始的“理論授課+實(shí)際操作”教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤袄碚撌谡n+虛擬實(shí)驗(yàn)+實(shí)際操作”教學(xué)模式，待學(xué)生真正在虛擬實(shí)驗(yàn)中熟悉了液壓元件的功用及液壓回路的搭接方式后，再進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際操作，可以很好地杜絕學(xué)生因不正確操作而導(dǎo)致的安全問題，同時(shí)大大提高實(shí)驗(yàn)室利用率，提高液壓傳動(dòng)課程的教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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