液壓原理圖數(shù)據(jù)可視化在液壓教學(xué)實驗中的應(yīng)用

李磊 仇立波 高偉 陳立娟 伍儒康

摘要：針對《液壓傳動與控制》課程在教學(xué)工作中的不足，本文自主研發(fā)了一套液壓油路圖數(shù)據(jù)可視化平臺，該平臺能夠建立液壓符號與實體之間的數(shù)字化映射，根據(jù)實驗原理，實現(xiàn)了讓液壓油路圖中元件按照邏輯順序“動起來”的直觀效果，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生更加透徹地理解液壓實驗臺的測試的步驟和原理。

關(guān)鍵詞：教學(xué);數(shù)據(jù)可視化;液壓實驗;組態(tài)

中圖分類號：G642 ????文獻標(biāo)識碼：A

0引言

液壓與氣壓傳動相關(guān)課程是機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)流體傳動與控制方向的一門主要專業(yè)課，是一門理論和實際結(jié)合非常緊密的一門課程。其目的是使學(xué)生了解液壓控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，掌握液壓元件的測試?yán)碚摵驮怼⒒痉治龇椒ê突緦嶒灱寄堋５窃撜n程由于油液的不確定性和液壓元件內(nèi)部的不可觀察性，決定了該課程演示內(nèi)容具有抽象和不易掌握的特點。基于此，目前該課程配套的實驗課程存在以下幾點不足：（1）重點不夠突出，以“液壓控制閥綜合性能參數(shù)測試”為例，該實驗重點是讓學(xué)生掌握液壓元件測試步驟和控制回路原理，目前教學(xué)模式主要是教師參考實驗教材，對照試驗臺硬件進行講解，學(xué)生對軟件界面進行點擊操作，最后等待軟件自動出具實驗數(shù)據(jù)，此流程走下來，學(xué)生很難直接將操作動作和實驗原理聯(lián)系起來;（2）直觀性差，教學(xué)中的油路圖以文字和靜態(tài)圖片在教材中給出，液壓部分元件處于試驗臺內(nèi)部，學(xué)生感知不到液壓元件的切換動作和油液的流動狀態(tài)，因此教師和學(xué)生在回路講解和元件動作的理解上存在困難;（3）數(shù)據(jù)展現(xiàn)形式單一，目前軟件界面展示傳感器的數(shù)據(jù)主要是以曲線和文本框為主，液壓元件動作順序和油液流動方向無法在測試中直接體現(xiàn)出來。

目前，針對以上不足，有一些高校和研究所開始對液壓CAT設(shè)備進行探索和改進。第一種是組態(tài)軟件法，即有部分實驗教師采用組態(tài)軟件（例如MCGS，KingView等）作為上位機，與作為下位機的PLC進行通信，如圖 1所示，MCGS上位機軟件界面可以雖然生動地展示液壓元件的變化過程，能夠克服傳統(tǒng)教學(xué)直觀性差的缺陷，但是由于元件庫的缺失，出現(xiàn)展示風(fēng)格不夠統(tǒng)一、元件較為混亂、原理圖原貌無法還原、元件模擬動作也不到位等問題。第二種是印刷面板法，如圖 2所示，某航天院的試驗人員嘗試將液壓油路圖印刷在金屬面板上，然后再把物理指示燈嵌入在面板中，指示燈能夠?qū)崟r關(guān)聯(lián)油路中的閥門開閉和油濾堵塞狀態(tài)，這樣加快了操作人員對系統(tǒng)整體的判斷，雖然油路圖原理簡約清晰、整體性好，但是由于硬件上的制約，還是存在著實現(xiàn)成本高，靈活性差的問題。

從以上兩點可以看到，目前所做解決問題的方向均集中在油路和液壓元件數(shù)據(jù)可視化方向上。但是由于展示方法和軟件的制約，在數(shù)據(jù)展示效果、靈活性還是存在上述的不足。

1液壓原理圖數(shù)據(jù)可視化平臺概述

雖然國內(nèi)外的CAD繪圖軟件如CAXA、visio等能夠繪制出豐富的液壓原理圖，但是由于驅(qū)動液壓圖形元件的接口并沒有開放，用戶無法用數(shù)據(jù)直接驅(qū)動和操作繪制的原理圖中的液壓元件。因此，作者研發(fā)了一種專門的液壓可視化平臺的軟件，在原理圖繪制上的操作方法類似以上介紹的CAD繪圖軟件，使用者能夠通過簡單的鼠標(biāo)拖拽方式實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)液壓元件的放置和油路連接，并能將繪制的原理圖存儲到硬盤。更重要地是，作為一款獨立的可視化平臺，該平臺并不參與系統(tǒng)邏輯控制，僅通過開放各個標(biāo)準(zhǔn)元件的數(shù)據(jù)接口，其他測控軟件能夠輕松地通過數(shù)據(jù)驅(qū)動液壓原理圖中的元件，抑或液壓原理圖中的元件將用戶交互事件反饋給其他測控軟件。

如圖 3所示，該液壓可視化平臺采用python開發(fā)，具有很好的跨平臺特性。作為獨立的界面平臺，其與和傳統(tǒng)的控件開發(fā)流程不同，該平臺的實現(xiàn)策略具有以下優(yōu)點：（1）符合“強內(nèi)聚， 弱耦合”核心思想，實現(xiàn)了油路圖的界面“前端”和業(yè)務(wù)邏輯“后端”的完全分離，平臺界面在以太網(wǎng)上使用JSON數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)邏輯之間通過約定好的接口進行交互，設(shè)計的界面具有良好的靈活性、可重用性和獨立可測試性。業(yè)務(wù)邏輯實現(xiàn)部分可以是工控機或者PLC，僅需要做好數(shù)據(jù)接口即可。（2）可拓展性，由于本平臺采用python Qt開發(fā)，元件庫中的標(biāo)準(zhǔn)元件可以很方便地得到豐富擴展，不僅僅能用于液壓測控系統(tǒng)界面，也可用其他仿真軟件的開發(fā)。

2液壓教學(xué)實驗系統(tǒng)范例

目前，我校機械工程學(xué)院的液壓實驗設(shè)備主要是《液壓伺服閥性能測試試驗臺YYSFT》和《液壓伺服系統(tǒng)綜合性能試驗臺YYSFX》，前者重點是讓學(xué)生掌握伺服閥靜態(tài)特性的測試方法，后者是重點讓學(xué)生理解閥控缸的原理和控制參數(shù)的影響。兩者從實驗操作上都很適合液壓原理圖數(shù)據(jù)可視化教學(xué)試點。在本案例中以較為簡單的項目《液壓伺服系統(tǒng)綜合性能試驗臺YYSFX》為例，該試驗臺的實物裝置圖 4所示。

3液壓可視化測控界面數(shù)據(jù)接口

液壓可視化平臺軟件界面由元件庫區(qū)、繪圖區(qū)和菜單區(qū)組成。元件區(qū)中的液壓基本元件可以分為顯示組件和控制類組件：顯示組件僅用來顯示物理量的變化，如液壓缸、液位指示油箱、指示儀表盤等組件;控制類組件需要鼠標(biāo)點擊等事件或者屬性賦值操作來驅(qū)動硬件的輸出，如截止閥、伺服閥等組件。和傳統(tǒng)的靜態(tài)組件不同，液壓組件不僅能展示出元器件本身，而且還能實現(xiàn)元件的動態(tài)顯示，例如油箱元件的液位像素高度能夠關(guān)聯(lián)液位傳感器，完成實時位置更新的動畫效果。

可視化平臺中的每個液壓元件都具有自己的屬性，用戶可以自己在屬性區(qū)進行手動修改，同時繪圖區(qū)元件會自動更新元件的UI。例如，手動修改油箱的屬性中的最大值、最小值或者當(dāng)前值均會觸發(fā)油路中的油箱動態(tài)顯示效果，圖5展示不同液位下的油箱界面。

4結(jié)束語

本文主要重點介紹一種液壓原理圖可視化CAT在液壓教學(xué)實驗中應(yīng)用方法，結(jié)論可歸納如下：

采用“前后端”分離模式的液壓油路圖數(shù)據(jù)可視化平臺后，動態(tài)油路圖既能展現(xiàn)液壓元件測試原理，又能實時監(jiān)控液壓元件的實時運行狀態(tài)。該平臺將抽象的油液和液壓元件內(nèi)部展示出來，能夠加深學(xué)生的對測試原理和液壓回路的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，目前已經(jīng)初步應(yīng)用到我校機械工程學(xué)院的液壓伺服控制實驗課中，取得良好的教學(xué)效果。

基金項目：南京工程學(xué)院引進人才科研啟動基金項目（項目編號：YKJ201945）。

參考文獻

[1]毛漢穎，范健文.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在液壓實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2009（13）：57.

[2]常芳.組態(tài)技術(shù)在液壓傳動仿真教學(xué)中的應(yīng)用[J].職業(yè)，2014（17）：170.