虛擬仿真技術在液壓與氣動實驗教學中的應用

呂明珠

(遼寧裝備制造職業技術學院自控學院,遼寧沈陽 110161)

虛擬仿真技術在液壓與氣動實驗教學中的應用

呂明珠

(遼寧裝備制造職業技術學院自控學院,遼寧沈陽 110161)

研究了虛擬仿真技術在液壓與氣動實驗教學中的典型應用,提出了液壓與氣動虛擬實驗室的建設思路。虛擬仿真技術的應用推動了職業技術院校實驗教學方式的改革,改善了教學環境,優化了教學過程,提高了教學質量,不但解決了學校教學資源不足的問題,還能提供一種即時的、動態的、交互的認知形式,虛擬平臺可以讓教學的表現形式豐富多彩且具有實用性和可操作性。

虛擬仿真;液壓與氣動;實驗教學;虛擬實驗室

職業技術院校的教學模式強調以學生為主體、以能力為核心,教學內容往往以典型工作任務為載體,著重培養學生的動手能力和解決實際問題的能力。因此,實驗教學環節在課程體系中占有很大的比重,這就需要有大量配套的實驗器材和實訓場地。但由于學校經費有限,許多實驗設備又價格昂貴,實驗器材的短缺和老化問題難以解決。另外,由于大多數實驗儀器設備功能單一,學生只能按實驗指導書做一些驗證性實驗,缺乏主動性和參與性,職業技能的應用水平不高,實驗教學效果并不理想。

近年來,將虛擬仿真技術應用于教學領域已有很多成功案例[1],如虛擬物理/化學/生物/機械實驗、虛擬地理教學、虛擬故障診斷與維修等。借助虛擬平臺,可以讓教學的表現形式豐富多彩且具有直觀性和可操作性,使原來只能閱讀的信息變成了可視、可聽、可摸的信息,抽象信息變成了生動、形象、具體的三維信息,從而有效推進了教學改革的進程。

1 液壓與氣動課程的虛擬實驗改革

“液壓與氣動”是高職院校機電類專業開設的一門核心課程,其特點是實踐性強、配套的實驗內容多。目前,遼寧裝備制造職業技術學院共有3個液壓與氣動實驗室,實驗設備20余套,專兼職教師5人,承擔著機電一體化、機電設備與維修、機械設計制造及其自動化、數控技術等多個專業每年約500名學生的實驗教學任務。由于實驗設備的短缺和老化,使分組實驗的學生人數較多,每個學生的動手實踐機會較少,不能滿足實驗教學的需要,教學效果也不理想。

為此,我校利用現有的CAD/CAM機房,對液壓與氣動課程的典型實驗教學形式進行了改革,將虛擬仿真技術引入課程,開發了液壓泵虛擬拆裝實驗、液壓控制閥原理演示實驗、液壓基本回路性能測試實驗。這些改革不但解決了學校教學資源和實訓基地不足、實驗教學過程安全性的問題,而且還為學生提供了一種即時、動態、交互、可想象的結構化學習形式,使教學內容的外在表現形式與內在邏輯結構緊密結合在一起,幫助學生習得經驗和策略、掌握知識和技能[2-5]。

2 虛擬仿真技術在實驗教學中的典型應用

2.1 液壓泵的虛擬拆裝實驗

液壓泵是液壓系統的動力元件,是重要的液壓元件。液壓泵拆裝實驗是讓學生學習各種液壓泵的組成、工作原理和安裝技術要求,能夠分析液壓泵常見故障原因及排除方法。傳統的液壓泵拆裝實驗多采用實物拆裝,不但拆裝實驗周期長,而且設備耗損嚴重[6]。

實驗室以Solidworks軟件為平臺,以eDrawings生成人機交互界面,開發了液壓泵的虛擬拆裝系統。

首先,應用Solidworks對液壓泵進行實體建模,然后應用eDrawings對液壓泵進行虛擬拆裝,還可以依據實際工況,在參數設置中施加負荷進行仿真和優化。學生以PC機為客戶端登錄該系統。系統中有各種不同類型的液壓泵如齒輪泵、葉片泵、柱塞泵可供拆裝,可通過零部件選項卡了解各種液壓泵的組成,認識各種零部件,還可以通過縮放、旋轉、平移等操作,從不同角度觀察液壓泵的結構(見圖1)。學生可以自行擬定對泵的拆裝方案,完成對液壓泵的拆裝(見圖2)。若對拆裝方案不滿意,還可以重新拆裝。

圖1 外嚙合齒輪泵的組合體圖

2.2 液壓控制閥的原理演示

液壓控制閥是用來控制液壓系統中液流的方向、壓力和流量的元件。在傳統的實驗教學中,學生雖然可以見到各類閥的實物,但對其工作過程理解得并不深刻,對于教材上的文字說明更是覺得難學難懂[7]。

實驗室利用Flash軟件,對液壓換向閥、壓力閥、流量閥的工作過程進行了生動、形象的動畫模擬。通過觀看動畫,學生不僅能清晰地了解液壓油的流動過程,還能逼真地看到閥芯的開啟或關閉動作。圖3是先導式溢流閥的工作過程演示圖。學生還可通過調節播放按鈕放慢動畫的播放速度,使得每一處工作細節都能淋漓盡致地展示出來,收到了很好的教學效果。

圖2 外嚙合齒輪泵的虛擬拆裝

圖3 先導式溢流閥的工作原理演示圖

2.3 液壓基本回路的性能測試實驗

液壓傳動系統無論如何復雜,都是由一些能夠完成某種特定控制功能的基本回路組成的。掌握這些回路的原理和性能,對分析和設計液壓系統至關重要。液壓基本回路的性能測試實驗主要是測定并繪制速度特性曲線、力或轉矩特性曲線。傳統的測試方法只能通過各類傳感器和儀器儀表來實現,由于儀器儀表精度不高,加之人工測量誤差,從而影響實驗結果的準確性[8]。

實驗室基于Java、EASY5和Hopsan軟件技術設計了一些典型液壓回路的測試系統。圖4是“進油路節流調速回路”性能測試實驗原理圖。只要在人機界面輸入負載的類型、負載的大小、節流閥的開口面積,系統便會立即計算出泵出口壓力、液壓缸無桿腔壓力、有桿腔壓力和流量的大小。此外,系統還能自動生成速度特性曲線(見圖5),既省時、省力,又真實、準確。

圖4 進油路節流調速回路原理圖

圖5 速度特性曲線的繪制

3 虛擬仿真實驗室建設的思路

虛擬仿真技術的應用,可以促進教學方法的現代化和教學手段的多樣化,讓學生自主構建虛擬場景,因而特別適合職業技術院?！敖?學-做”合一的教學方式。虛擬仿真技術的應用,不但能為教學提供生動、逼真和豐富多彩的視覺、聽覺材料,使學生通過人機交互的方式獲得逼真的體驗,而且學生也可以從中享受到學習的樂趣,提高學習的積極性,提高學習效果。

3.1 關鍵技術的實現

虛擬實驗室建設的關鍵是軟件平臺開發和網絡教學平臺構建[9]。

軟件平臺包括建模軟件、仿真軟件、分析軟件。目前,我校液壓與氣動實驗室安裝了Solidworks三維建模軟件,能夠完成各種液壓元件的實體建模、動畫演示、渲染等功能;仿真分析軟件有eDrawings、Flash、Java、Easy5和Hopsan等,因此,軟件平臺可以滿足不同實驗項目的需求[10]。

網絡教學平臺包括人機交互界面設計、網頁制作和數據管理等,將網絡編程技術、數據庫技術和虛擬現實技術相結合,利用校園網實現課程網上教學。目前,我校已建成液壓與氣動網絡課程并投入使用。學生可在網絡平臺上選擇實驗項目、提交實驗報告、完成測試題目等,并可與教師進行在線交流。此外,該網絡平臺還可以統計學生學習成績、管理實驗成績等[11-12]。

3.2 實驗項目的整合

根據我校液壓與氣動課程的技能要求,目前虛擬實驗室開展的實驗項目可分為3大類,每個大類下面開設了若干個實驗項目。

(1)原理演示類:主要項目有換向閥、壓力閥、流量閥;

(2)虛擬拆裝類:主要項目有液壓泵、液壓馬達、液壓缸;

(3)性能測試類:主要項目有容積調速回路、節流調速回路、壓力控制回路。

今后,還會根據學生的反饋和實際需要,不斷增加實驗項目的數量。

4 結束語

我校液壓與氣動實驗室將虛擬仿真技術應用于實驗教學中,不僅解決了學校實驗資源和實訓基地不足的問題,而且改善了教學環境,優化了教學過程,提高了教學質量和教學效果,提升了學生的職業能力,對于培養創新型人才具有深遠的意義。虛擬實驗室的建設與網絡技術、數據庫技術和虛擬現實技術緊密結合,其意義遠超出實驗本身,是職業技術院校未來發展的必然趨勢。

References)

[1]蔡衛國.虛擬仿真技術在機械工程實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理,2011,28(8):76-78,82.

[2]郭鳳英.虛擬現實技術在網絡教學中的應用[J].北京聯合大學學報:自然科學版,2004(3):77-79.

[3]蔣斌.虛擬現實技術在網絡課件制作中的應用[J].中國中醫藥現代遠程教育,2005(12):30-31.

[4]沈朝魁.虛擬現實技術在網絡購物中的應用研究[D].南京:南京航空航天大學,2012.

[5]劉松海.基于虛擬現實平臺的中學信息技術課程的設計與應用[D].成都:四川師范大學,2012.

[6]李俊.虛擬現實技術在課件中應用的思考[J].現代企業教育,2012 (1):97.

[7]吳旭.基于虛擬現實技術的職業學校網絡課程中的實驗室建設[J].科技傳播,2011(6):183-184.

[8]馬穎峰.網絡課程開發的問題與對策[J].天津電大學報,2001(3): 19-21.

[9]唐志文.淺談虛擬現實技術在網絡教學中的應用[J].硅谷,2010 (6):166.

[10]趙自豪.虛擬現實技術在采礦工程課程體系教學中的應用[J].中國科教創新導刊,2011(1):182,184.

[11]吳璟莉.數據庫虛擬教學平臺的構建與研究[J].無線互聯科技, 2013(12):203,205.

[12]梁蓓蓓,陳志云.基于數據可視化的開放式虛擬教學平臺的研究[J].現代計算機:專業版,2008(9):51-53.

Applicantion of virtual simulation technology in hydraulic and pneumatic experimental teaching

LüMingzhu
(Department of Automatic Control,Institute of Liaoning Equipment Manufacturing Professional Technology,Shenyang 110161,China)

The typical application of virtual simulation technology is studied in hydraulic and pneumatic experimental teaching,and the construction of virtual laboratory is proposed.Development of virtual simulation technology promotes the innovation of experimental method,and the environment of teaching is improved,the process of teaching is optimized,the quality of teaching is strengthened.The shortage problems of teaching resources are settled,and a real-time,dynamic,interactive study methods are provided.The virtual platform can enrich the teaching process,which shows that it has the practicability and maneuverability.

virtual simulation;hydraulic and pneumatic;experimental teaching,virtual laboratory

G642;TP13

A

1002-4956(2015)4-0144-03

2014-09-27

遼寧遠程教育協會“十二五”立項課題(2014XH02-43)

呂明珠(1980—),女,遼寧沈陽,碩士,講師,主要從事電氣工程和自動控制領域的教學和研究.

E-mail:lvmzh1980＠163.com