FluidSIM-H在“液壓傳動”課程教學中的應用

趙 雙 漆玉軒

重慶郵電大學先進制造工程學院 重慶 400065

液壓傳動作為四大傳動方式之一,在冶金工程、建筑工程、航空航天等工程領域有著非常廣泛的應用,在大國重器中也發揮著重要的作用。“液壓傳動”作為一門融合了機械、電子、控制等多學科的課程,是機械類專業的一門重要專業基礎課程。液壓傳動課程內容理論性和實踐性都很強,傳統課堂理論教學再加上學生缺乏工程實踐經驗,勢必造成知識抽象、理解困難、學習枯燥乏味,教學效果難以保證。教學中引入FluidSIM-H軟件進行理實一體化教學,激發了學生的學習興趣,提高了學習的主動參與性與創造性,培養了分析和解決問題的能力[1-2]。

1 FluidSIM-H軟件簡介

FluidSIM軟件由德國Festo公司和Paderborn大學聯合開發,專門用于液壓、氣動及電氣回路設計與仿真的軟件,包含液壓系統設計子軟件FluidSIM-H和氣動系統設計子軟件FluidSIM-P,兩者使用方法基本相同,下面簡要介紹一下FluidSIM-H軟件。

FluidSIM-H軟件包括三個主要模塊:繪圖功能模塊、系統模擬仿真功能模塊及綜合演示功能模塊,其軟件界面如圖1所示。FluidSIM-H提供電氣、液壓元件庫,可以形象地仿真液壓回路和電氣控制回路的動作,并實時顯示油液流動方向及執行機構運動動作,還可以觀察液壓系統中的各元件的物理量值,如液壓缸的運動速度、輸出力、油路壓力、流量閥的開口度等。通過FluidSIM-H設計和仿真,便于用戶進行液壓系統的設計、驗證、方案優化、分析與研究等[3-4]。

圖1 FluidSIM-H軟件界面

2 FluidSIM-H軟件在教學應用中的案例

完成一個系統首先需要明確設計需求和目標,分析系統工況,確定系統的主要參數,選擇合適的液壓元件和回路,擬訂設計方案和系統原理圖,對設計方案進行驗證和優化,繼而進行實驗驗證,分析實驗結果。在此過程中鍛煉了學生利用先進工具進行數字化設計的能力、融合多學科知識進行創新創造的能力、分析和解決復雜工程問題的能力等。同時教學案例以小組為單位完成設計任務,需要組員通力合作完成,在此過程中培養了自主學習和協作學習能力,以及團隊合作精神和集體榮譽感。

下面通過“基于液壓傳動的傳送帶物料自動分揀系統”教學應用案例,介紹一下基于FluidSIM-H的液壓傳動課程理實一體化教學模式實施。

2.1 案例任務分析

自動分揀系統主要實現驅動帶液壓馬達轉動和液壓缸推出退回,由輸送裝置、分類裝置、控制裝置和分揀道口組成。本教學案例主要完成輸送裝置和分類裝置的設計,其中輸送裝置主要組成部分是傳送帶或輸送機,其主要作用是使待分揀商品貫通過控制裝置、分類裝置,并輸送裝置的兩側,一般要連接若干分揀道口,使分好類的商品滑下主輸送機(或主傳送帶)以便進行后續作業。分類作用是根據控制裝置發出的分揀指示,當具有相同分揀信號的商品經過該裝置時,該裝置動作,使改變在輸送裝置上的運行方向進入其他輸送機或進入分揀道口。在案例任務分析環節,需要同學們進行相關文獻資料的查閱,小組分析和討論設計任務及設計方案,分配小組任務等。

傳送帶物料自動分揀系統工作流程為:光電傳感器先檢測物品是否出現,當檢測到物品出現后,液壓馬達驅動傳送帶運動帶動物品向前行進。達到電感傳感器時物品種類被識別出,缸筒固定的液壓缸隨即選擇是否推出相應物品,完成物品分類,最后液壓缸推桿退回等待下一待識別物品。

2.2 液壓系統設計

基于液壓傳動的傳送帶物料自動分揀系統主要進行物料的傳輸及分類,設計中需要綜合考慮功能、結構、成本、節能等因素,各組發揮創新思維和創造力,進行原理設計,在此過程中培養了學生的工程素養、先進工具使用的能力和創新思維。

比如,有的小組所設計的液壓系統包括調速回路、速度換接回路、方向控制回路、壓力控制回路等幾部分,在FluidSIM-H環境下設計的液壓系統原理圖如圖2所示。

1.液壓泵;2.溢流閥;3、4.三位四通電磁換向閥;5、6、7、8.節流閥;9、10.二位二通電磁換向閥;11、12、15、16.液控單向閥;13.液壓缸;14.液壓馬達

2.3 電器控制電路設計及仿真

項目案例培養了學生融合控制科學、電子電路等多學科知識進行綜合設計和應用的能力,此案例中需要進行電磁閥的控制電路設計,以便后續編寫控制程序。

根據傳送帶物料自動分揀系統功能設計電磁鐵工作順序表如下表所示。

電磁鐵工作順序表

物料經過電感傳感器時系統進入識別階段,若經過的物料是木塊,則液壓缸不做任何動作,傳送帶將繼續帶著木塊前進,直到被傳送到木塊收集區。若經過的物料是金屬塊,則金屬塊被傳送帶向前傳動,到達液壓缸處被定好時間的液壓缸推出。

以液壓缸推出動作為例,當金屬塊到達液壓缸處KT1延時閉合繼電器計時完成,KT1常開觸點閉合,系統進入推出階段。此時1YA、2YA、3YA、5YA失電,4YA、6YA得電,閥3、閥4右位工作,閥10、閥9左位工作,液壓缸推桿向前推出將金屬塊推出傳送帶。

液壓馬達進油路1:1→4→7→10→12→14。

液壓馬達回油路1:14→16→4→油箱。

液壓缸進油路2:1→3→5→9→11→13。

液壓缸回油路2:13→15→3→油箱。

FluidSIM-H環境下系統的電氣控制和液壓回路仿真如圖3(a)、(b)所示。

(a)物料自動分揀系統推出階段電氣控制回路

2.4 機電液一體化實物模擬實驗

在前期仿真設計的基礎上,繼續在實驗臺上進行項目案例的實物模擬實驗,此過程培養了學生動手實踐能力、規范安全的實驗操作能力、求真務實的科學素養以及勇于挑戰的工匠精神等。

根據液壓系統需要完成的動作循環,對系統所需的變量進行定義以及地址的分配,根據電氣控制圖編寫PLC控制程序,最后通過液壓缸和液壓馬達動作,完成液壓系統的循環自動分揀功能,如圖4所示。經實物模擬實驗,實驗結果和仿真結果一致,驗證了所設計液壓系統的正確性和可行性。

圖4 實物模擬實驗

結語

在“液壓傳動”課程教學中使用FluidSIM-H進行設計和仿真教學,使原本枯燥抽象的液壓基本回路變得直觀生動,過程可觀察、參數可顯現、結果可分析、設計可優化。經理實一體化教學實踐表明,融入FluidSIM-H的教學模式能夠使學生綜合運用液壓傳動技術、電氣控制技術、PLC可編程控制技術、傳感器技術等多學科知識,進行機電一體化設計和工程應用,提高了學生學習的積極性、創新性和挑戰度,提高了學生的專業技能和教學效果。