基于虛擬儀器的液壓實驗教學系統開發

魏志民 喻益琳

摘? 要 隨著虛擬仿真技術與教育教學的不斷融合，傳統的應用實踐類課程授課方式正在發生變革。為了彌補傳統液壓實驗教學的不足，探索利用虛擬仿真技術開發一套液壓實驗教學系統，學生可先通過虛擬的液壓實驗熟悉液壓元件和回路，從而保障在實際實驗中的安全性并提高液壓傳動課程的教學質量。

關鍵詞 虛擬儀器;液壓傳動;實驗教學;液壓實驗教學系統;Photoshop;LabVIEW

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻標識碼：B

文章編號：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

在高校理工科專業教學中，實驗教學起著至關重要的作用。然而，傳統的實驗教學存在實驗儀器設備價格昂貴、實驗過程存在安全隱患、實驗教學模式相對滯后等問題[1]。利用虛擬仿真技術構建虛擬的實驗環境、儀器設備、實驗對象和實驗信息資源等，可以有效地解決上述實驗教學中的問題，使學生獲得接近現實的學習體驗，有力地推動實驗教學模式的改革[2]。

液壓傳動課程是機械制造類專業開設的一門實踐性較強的專業課程，課程中所涉及的液壓實驗多是讓學生在實際液壓實訓臺上操作液壓元器件并組成液壓回路。在實際授課中存在以下缺陷：

一是安全性方面，學生僅憑教師的講解直接去連接液壓回路并進行實驗，可能會因不正確操作而導致安全問題;

二是教學效果方面，一般學校設備的臺套數有限，需分幾組線性進行，學生沒有經過虛擬操作情況而直接進行實驗，會導致每組實驗耗時過長，無法保證每個學生的動手操作時間，實訓教學達不到理想的效果。

因此，對液壓傳動課程的教學改革實踐，可以考慮利用現有的計算機機房引入虛擬仿真技術，對各種液壓實驗的基本回路功能進行模擬仿真，從而激發學生的學習興趣并提高學習效率[3]。

為滿足學校液壓傳動課程實驗教學的需要，本文嘗試利用虛擬儀器開發一套反映真實實驗效果、滿足學生交互實驗演示、涵蓋液壓理論學習的液壓實驗教學系統[4]，系統設計根據液壓具體實驗項目選擇液壓元件、搭建系統回路、實現動態演示。該系統的使用，在解決學生因不正確操作而導致的安全性問題和提高教學效率方面發揮了很好的作用。

2 系統總體設計

從切實解決本校液壓實驗相關教學問題出發，確定系統總體設計思路如下：

1）采用真實液壓元件搭建回路，讓學生有直觀的液壓實驗感受;

2）實驗項目滿足學校液壓傳動課程教學大綱要求，包含20個實驗項目及若干子項目;

3）每個實驗設計有完整的實驗流程，能說明實驗目的、實驗原理與實驗內容;

4）有較強的交互性，學生可操作相關按鈕、按鍵實現液壓傳動回路的演示和控制，如通過鼠標調節節流閥旋鈕，控制液壓缸伸縮速度等;

5）具有開放性，可根據液壓傳動課程教學需要，擴充新增實驗項目。

為充分考慮系統應用的易用性，液壓實驗教學系統由三級界面構成，分別是用戶登錄界面、實驗選擇界面與實驗操作界面。

3 系統的技術實現

液壓實驗教學系統登錄后如圖1所示，系統采用美國國家儀器（NI）公司研制的虛擬儀器（LabVIEW）作為主要開發平臺，輔以Photoshop作為液壓元件紋理處理軟件。根據系統功能需要，開發流程如圖2所示。

1）液壓元件紋理處理。將專業相機拍攝的液壓元件圖導入Photoshop進行紋理摳圖、對比度分析及透明等技術處理，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環境，平臺本身帶有大量可直接應用的工業控件，同時支持自定義控件的開發。系統回路搭建時為滿足系統的逼真度及交互性，需對按鈕及燈組合控件、液壓缸、節流閥、手動換向閥等液壓元件進行自定義開發，之后按照真實的液壓原理圖進行液壓系統回路搭建，最后通過編程實現液壓回路的仿真作動。

3）系統發布。采用二次發布的形式，將發布完成的各實驗項目集成于同一發布程序，統一發布成EXE客戶端形式。

4 采用順序閥的平衡回路實驗設計

以采用順序閥的平衡回路為例，說明實驗開發過程。

實驗原理? 平衡回路的功能是使執行元件的回油路上具有一定的背壓值，以平衡重力載荷，防止運動部件因自重而自行下落。圖3所示為順序閥的平衡回路，當系統提供壓力，按下SB2按鈕，三位四通電磁閥YV2通電時，壓力油經過三位四通電磁換向閥進入液壓缸上腔，下腔油液壓力經過先導式順序閥，先導式順序閥內的單向閥不導通，到達先導式順序閥調節的壓力時，壓力油經過三位四通電磁換向閥流回油箱，活塞下降比較平穩;按下SB1按鈕，三位四通電磁閥YV1通電，壓力油經過三位四通電磁換向閥進入先導式順序閥，先導式順序閥內的單向閥導通，壓力油進入液壓缸下腔，上腔油液經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，電磁閥處在原位M型閥，液壓缸鎖緊，液壓泵卸荷。

實驗設計實現

1）液壓元件開發。首先將專業相機拍攝的液壓元件圖導入Photoshop進行編輯，編輯完成后導出為LabVIEW支持的透明png紋理格式;之后對導入LabVIEW的部分液壓元件進行自定義開發。LabVIEW帶有大量工業控件，在本實驗中，液壓管路和液壓缸均可以通過“滑動桿”控件進行自定義開發。通過定義滑動桿的屬性，即可改變其為液壓管路的顯示狀態;通過自定義滑動桿的滑塊為活塞桿，即可實現液壓缸的形式。改變開發效果如圖4所示。

2）回路搭建。根據本液壓實驗原理圖，通過創建多個液壓管路并進行連接，可實現液壓泵至各個液壓閥及液壓缸的回路搭建，如圖5所示。

3）程序編寫。程序中可利用循環結構實現液壓管路中流體的連續及間斷運動，利用條件結構實現液壓閥的換向。以液壓缸伸出的程序為例，如圖6所示。

4）程序測試。點擊SB2按鈕，三位四通電磁閥YV2通電時，壓力油經過三位四通電磁換向閥進入液壓缸上腔，下腔油液壓力經過先導式順序閥，先導式順序閥內的單向閥不導通，到達先導式順序閥調節的壓力時，壓力油經過三位四通電磁換向閥流回油箱，活塞下降比較平穩，如圖7所示。

實驗項目發布? 在平臺項目瀏覽器的程序生成規范中新建應用程序（EXE），選中項目vi，將頂層vi添加到啟動vi欄中，其他子vi和文件可以添加到始終包括欄中，設置好生成路徑后點擊發布即可。

5 結語

將液壓實驗教學系統應用于液壓傳動課程教學中，將原始的“理論授課+實際操作”教學模式轉變為“理論授課+虛擬實驗+實際操作”教學模式，待學生真正在虛擬實驗中熟悉了液壓元件的功用及液壓回路的搭接方式后，再進入實驗室進行實際操作，可以很好地杜絕學生因不正確操作而導致的安全問題，同時大大提高實驗室利用率，提高液壓傳動課程的教學質量。

參考文獻

[1]白秀娟.高校傳統實驗教學模式改革的必要性[J].高校實驗室工作研究，2018（2）：11-12.

[2]萬桂怡，崔建軍，張振果.高校虛擬實驗平臺的設計及實踐[J].實驗室研究與探索，2011，30（3）：386-389.

[3]林雪冬.基于虛擬仿真技術的液壓與氣動技術課程的教學改革實踐研究[J].科技資訊，2019，17（21）：97-98，101.

[4]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.