基于Unity 3D的動力滑臺液壓系統(tǒng)虛擬實驗設計

李歡歡 向東 李松晶

摘? 要：為了彌補傳統(tǒng)液壓傳動實驗教學中的不足，將虛擬技術應用于實驗教學中，建立虛擬實驗。以動力滑臺液壓系統(tǒng)實驗為例，闡述了一條具有可行性建設虛擬實驗的技術路線。采用SolidWorks三維建模軟件構(gòu)建動力滑臺液壓系統(tǒng)虛擬實驗所需的液壓元件及輔助元件，基于C#語言的Unity 3D作為動力滑臺液壓系統(tǒng)虛擬實驗開發(fā)平臺，建立節(jié)流閥節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)虛擬實驗和調(diào)速閥調(diào)速系統(tǒng)虛擬實驗，實現(xiàn)了動力滑臺快進、工進、停留、快退、停止等工作循環(huán)。

關鍵詞：液壓傳動；動力滑臺；虛擬實驗；節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)

中圖分類號：TP391.9；TH137.9 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）04-0184-05

Virtual Experimental Design for Power Slide Hydraulic System Based on Unity 3D

LI Huanhuan， XIANG Dong， LI Songjing

（School of Mechatronics Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin? 150001， China）

Abstract： In order to make up for the shortcomings in the traditional hydraulic transmission experimental teaching， virtual technology is used in experimental teaching to establish a virtual experiment. Taking the power slide hydraulic system experiment as an example， in this paper we present a feasible technical route for constructing a virtual experiment. SolidWorks 3D modeling software is used to construct the hydraulic and auxiliary components， which are required for the virtual experiment of the power slide hydraulic system. Unity 3D based on the C# language is used as the virtual experiment development platform of the power slide hydraulic system to establish the virtual experiment of throttle valve throttle speed control system and the virtual experiment of speed control valve speed control system， realizing the working cycle of fast-forward， work-forward， stop， fast-rewind， and stop of the power slide.

Keywords： hydraulic transmission; power slide; virtual experiment; throttle speed control system

0? 引? 言

液壓傳動課程是機械類專業(yè)學生必修的主干課程[1，2]，該課程具有實踐性強，多學科交叉等特點[3，4]。實驗教學是鞏固理論教學、強化動手能力、培養(yǎng)實踐創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)[5，6]。但液壓傳動課程的實驗教學在特殊時期面臨著實驗無法開展、實驗資源有限和缺乏交互性等問題，在一定程度上，束縛了學生的理解力和創(chuàng)作力[7-9]，而虛擬實驗的設計和開發(fā)既能有效解決這一難題，又能拓展傳統(tǒng)實驗教學中教學內(nèi)容的深度與廣度、延伸實驗教學的時間和空間[10，11]。

動力滑臺液壓系統(tǒng)實驗是液壓傳動課程實驗教學內(nèi)容之一，在已有的動力滑臺液壓系統(tǒng)實驗臺的基礎上，采用虛擬技術[12，13]，建立動力滑臺液壓系統(tǒng)虛擬實驗。在近兩年的教學中，特別是在新冠疫情期間，開展了線上實驗，其虛擬實驗起到關鍵的作用。本文采用SolidWorks軟件構(gòu)建了動力滑臺液壓系統(tǒng)虛擬實驗所需的液壓元件三維模型，利用C#語言在Visual Studio 2017集成開發(fā)環(huán)境中進行虛擬實驗內(nèi)部控制程序的設計，以Unity 3D交互引擎[14]作為動力滑臺液壓系統(tǒng)虛擬實驗開發(fā)平臺。采用虛擬方式開展實驗內(nèi)容，突破時間、空間的限制，是線下實驗教學方式的有效補充，是線上實驗教學的新途徑[15]。

1? 動力滑臺液壓系統(tǒng)實驗

1.1? 動力滑臺液壓系統(tǒng)實驗工作循環(huán)

動力滑臺液壓系統(tǒng)由多條節(jié)流調(diào)速回路組成，通過改變回路中節(jié)流閥和調(diào)速閥通流截面積的大小來控制流入滑臺液壓缸的流量，從而調(diào)節(jié)滑臺液壓缸移動速度，在電氣和機械裝置的配合下實現(xiàn)各種自動工作循環(huán)[16]。動力滑臺液壓系統(tǒng)實驗如圖1所示，其中圖1（a）為動力滑臺液壓系統(tǒng)實驗原理圖，圖1（b）為其自動工作循環(huán)，圖1（c）為其實驗臺實物圖。

此實驗可實現(xiàn)快進、工進、停留、快退、停止工作循序，具體系統(tǒng)油液流動情況如下：

（1）快速前進：換向閥H1左位接入系統(tǒng)，由于系統(tǒng)壓力不高，順序閥X仍處于關系狀態(tài)。這時液壓缸做差動連接，液壓泵輸出最大流量。系統(tǒng)中油液的流動情況為：

進油路：液壓泵—單向閥I1—換向閥H1（左位）—換向閥H2（右位）—滑臺液壓缸（左腔）。

回油路：滑臺液壓缸（右腔）—換向閥H1（左位）—單向閥I2—換向閥H3（右位）—滑臺液壓缸（左腔）。

（2）工作進給：在滑臺前進到預定位置，擋塊壓下使電磁鐵4YA通電時開始。這時系統(tǒng)壓力升高，順序閥X打開。系統(tǒng)中油液的流動情況為：

進油路：液壓泵—單向閥I1—換向閥H1（左位）—換向閥H2（左位實現(xiàn)調(diào)速閥節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，右位實現(xiàn)節(jié)流閥節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)）—滑臺液壓缸（左位）。

回油路：滑臺液壓缸（右腔）—換向閥H1（左位）—順序閥X—溢流閥B—油箱。

（3）停留：在滑臺液壓缸以工進的速度行進到碰上死擋塊不再前進時開始，并在系統(tǒng)壓力進一步升高、壓力繼電器YF經(jīng)時間繼電器按預定停留時間發(fā)出信號后終止。

（4）快退：在時間繼電器發(fā)出信號，換向閥H1右位工作時開始，這時系統(tǒng)壓力下降，液壓泵流量又自動增大。

（5）停止：在滑臺快速退回到原位，當擋塊壓下終止開關，換向閥H1處于中位，滑臺液壓缸兩腔封閉，滑臺停止運動。

通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥或調(diào)速閥的通流截面積的大小和改變負載力大小（溢流閥Y3實現(xiàn)），進行節(jié)流閥和調(diào)速閥節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的對比實驗，分析比較它們的速度與負載特性和系統(tǒng)效率特性等調(diào)速性能，并繪制調(diào)速回路的特性曲線。

1.2? 現(xiàn)有實驗存在問題及虛擬實驗的優(yōu)勢

液壓傳動課程是機械類專業(yè)的基礎課，由于機械類的學生人數(shù)眾多、實驗室資源有限和實驗誤操作引起的安全等因素，使得實驗教學環(huán)節(jié)顯得空洞而無效[17]。為突破傳統(tǒng)液壓實驗教學方式的局限，充分利用虛擬技術構(gòu)建液壓虛擬實驗，來提升實驗教學效果。與傳統(tǒng)實驗相比，虛擬實驗具有開放共享、人機交互、可擴展性以及安全性等特點。具體表現(xiàn)為：

（1）在疫情等特殊環(huán)境下，由于液壓傳動課程實驗在居家隔離地不具備實驗條件，為解決實驗教學無法開展的難題，采用虛擬實驗的方式來補全在線教學中實驗教學這一關鍵一環(huán)。

（2）降低實驗誤操作引起的安全問題。借助虛擬實驗資源，打破了實驗資源的限制，學生可以反復練習，在一定程度上提高學生對實驗儀器和實驗操作步驟的熟悉程度，極大地降低實驗誤操作引起的安全問題，從而提高學生實驗的積極性、主動性。

（3）提升專業(yè)實驗教學效果，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力。實操的液壓傳動實驗能夠讓學生在連接好的液壓傳動實驗系統(tǒng)上進行實驗操作，記錄實驗數(shù)據(jù)并分析，但學生不能按照液壓系統(tǒng)原理圖進行自主創(chuàng)新實驗，利用虛擬實驗能夠促進學生在液壓傳動課程中實踐教學環(huán)節(jié)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；

（4）構(gòu)建并共享虛擬仿真實驗資源，促進實驗教學的發(fā)展。

2? 動力滑臺液壓系統(tǒng)虛擬實驗

2.1? 虛擬實驗總體框架及開發(fā)流程

根據(jù)液壓傳動課程的教學要求，可以將動力滑臺液壓系統(tǒng)實驗分為三部分：動力滑臺液壓系統(tǒng)實驗的實驗理論、液壓元件（動力滑臺液壓系統(tǒng)中所含有的元件）和虛擬實驗，如圖2所示。在虛擬實驗模塊中，由已建模的液壓元件組成動力滑臺液壓系統(tǒng)，對工進、快進半工作循環(huán)進行描述，由于動力滑臺液壓系統(tǒng)實驗是由進口節(jié)流調(diào)速回路組成，所以，虛擬實驗操作過程中模擬了進口調(diào)速閥調(diào)速系統(tǒng)虛擬實驗和進口節(jié)流閥調(diào)速系統(tǒng)虛擬實驗。

動力滑臺液壓系統(tǒng)虛擬實驗是基于Unity 3D虛擬交互引擎創(chuàng)建的交互操作界面，其虛擬實驗開發(fā)流程及工具如圖3所示。采用三維軟件SolidWorks對動力滑臺液壓系統(tǒng)虛擬實驗所需的液壓元件進行建模，并將其以STEP格式導入至3DS Max軟件中，對元件模型進行渲染，制作紋理貼圖和動畫，再導入至Unity 3D中。Unity 3D是由Unity Technologies公司開發(fā)的專業(yè)跨平臺游戲開發(fā)及虛擬現(xiàn)實引擎，是本實驗最關鍵的開發(fā)工具，完成虛擬實驗的場景搭建、畫布設計、節(jié)流閥調(diào)速系統(tǒng)虛擬實驗制作和調(diào)速閥調(diào)速系統(tǒng)虛擬實驗制作等部分。同時，利用C#語言在Visual Studio 2017編輯器建立虛擬實驗的腳本來實現(xiàn)場景切換、元件模型邏輯控制及運動控制等，以及用腳本響應用戶的操作。最后，將動力滑臺液壓系統(tǒng)虛擬實驗系統(tǒng)集成，并進行多次優(yōu)化、試用反饋，選擇Windows系統(tǒng)形式，將動力滑臺液壓系統(tǒng)虛擬實驗發(fā)布到電腦端，形成一個可執(zhí)行的.exe文件和包含其所需資源的文件夾。

2.2? 虛擬實驗內(nèi)容功能模塊

圖4為動力滑臺液壓系統(tǒng)虛擬實驗的初始界面，虛擬實驗內(nèi)容包括動作循環(huán)和實驗操作（按照實驗步驟操控實驗臺）兩部分，每部分都有詳細的考核評分功能。

（1）在動力滑臺液壓系統(tǒng)虛擬實驗動作循環(huán)模塊的界面上增加了三個按鈕，分別是實驗原理圖（將實驗原理圖顯示在界面上）按鈕、快進填寫完成（判斷快進工作循環(huán)填寫是否正確）按鈕和工進填寫完成（判斷工進工作循環(huán)填寫是否正確）按鈕。腳本設計為每個按鈕添加相應的觸發(fā)事件，當快進工作循環(huán)填寫完畢，點擊相應按鈕來判斷所填寫的內(nèi)容是否正確，如正確，會有提示框顯示，并所填內(nèi)容的文字由黑色變成紅色，獲得此部分的分數(shù)10分，如圖5所示。

（2）在動力滑臺液壓系統(tǒng)虛擬實驗操作模塊中（如圖6所示），利用實物實驗的多組實驗數(shù)據(jù)建立實驗數(shù)據(jù)庫，采用C#語言進行腳本編寫，輸入至虛擬實驗內(nèi)，并搭建系統(tǒng)壓力、速度等參數(shù)的數(shù)學模型。整個實驗操作模塊中包含多個按鈕，對內(nèi)部控制程序進行設計，來實現(xiàn)元件與按鈕之間邏輯關系及對應關系等。單擊液壓泵啟動按鈕，使液壓泵開始工作；按下節(jié)流按鈕，使電磁換向閥H2（右位）工作，實現(xiàn)節(jié)流閥調(diào)速系統(tǒng)實驗；調(diào)節(jié)節(jié)流閥開口大小，從而改變滑臺液壓缸移動的速度；調(diào)節(jié)溢流閥的按鈕，改變負載液壓缸的壓力，通過壓力表P6顯示此時的壓力，負載液壓缸起到模擬負載的作用，啟動負載液壓缸前進按鈕；點擊動力滑臺前進按鈕，滑臺液壓缸先以較快速度移動（前進工作循環(huán)）再速度較慢（工進工作循環(huán)），直至作用在負載液壓缸上，記錄此時液壓缸回油壓力P2、電功率和時間的示數(shù)，多次改變負載液壓缸的壓力P6值和節(jié)流閥閥口大小，來探究節(jié)流閥調(diào)速系統(tǒng)負載與速度的關系。按下調(diào)速按鈕，是電磁換向閥H2（左位）工作，實現(xiàn)調(diào)速閥調(diào)速系統(tǒng)實驗，通過調(diào)節(jié)溢流閥和調(diào)速閥閥口大小來探究調(diào)速閥調(diào)速系統(tǒng)負載與速度的關系；最后，關閉液壓泵，完成實驗。系統(tǒng)在整個實驗操作模塊中具有考核評分功能，對每步操作均會對其判斷，如正確，此步驟的文字由黑色變成紅色，并加上相應得分。

3? 動力滑臺液壓系統(tǒng)虛擬實驗實踐效果

自動力滑臺液壓系統(tǒng)虛擬實驗應用于線上實驗教學以來，對提高液壓傳動課程理論知識的理解力和實驗教學效果起到了積極作用。對我校機電工程學院大三學生開展了動力滑臺液壓系統(tǒng)虛擬實驗教學之后，對部分學生開展問卷調(diào)查，92%的學生認為通過動力滑臺液壓系統(tǒng)虛擬實驗深入了解了進口節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速原理、速度-負載特性和系統(tǒng)效率特性，從而鞏固課堂講述的內(nèi)容，掌握了系統(tǒng)性能實驗方法；98%的學生認為在特殊時期，學生無法進入學校時，虛擬仿真實驗是解決實驗教學最好的方式；52%的學生能夠通過實驗教學平臺開展實驗設計，例如，對出口節(jié)流調(diào)速回路、容積調(diào)速回路等速度控制回路進行虛擬實驗設計。虛擬實驗加深學生對理論知識的理解，提高液壓傳動課程實驗教學中信息展示方式及表現(xiàn)能力。

4? 結(jié)? 論

本文闡述了傳統(tǒng)液壓傳動實驗教學中的問題以及將虛擬技術應用于實驗教學中的優(yōu)勢。以Unity 3D作為動力滑臺液壓系統(tǒng)虛擬實驗開發(fā)平臺，建立了節(jié)流閥節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)虛擬實驗和調(diào)速閥調(diào)速系統(tǒng)虛擬實驗，實現(xiàn)了動力滑臺快進、工進、停留、快退、停止等半工作循序。將動力滑臺液壓系統(tǒng)虛擬實驗應用到線上實驗教學中，能夠提高學生對液壓傳動課程理論知識的理解力，增強實驗教學效果。

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作者簡介：李歡歡（1987—），女，漢族，黑龍江哈爾濱人，工程師，博士，主要研究方向：液壓傳動基礎理論與應用研究；通訊作者：向東（1981—），男，土家族，湖北恩施人，講師，碩士導師，博士，主要研究方向：流體控制及高端裝備研制。

收稿日期：2022-09-26

基金項目：國家級實驗教學示范中心聯(lián)誼會機械類虛擬仿真實驗教學平臺建設項目；教育部高等教育司產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目（201902152008）；教育部高等教育司產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目（201902152009）；哈爾濱工業(yè)大學教育教學改革專題項目（XYZ2020012）