適應不同教學環境的液壓實驗設備設計與實現

摘" 要" 針對目前高校液壓傳動實驗室中存在的液壓傳動實驗設備體積質量大、占地面積廣、不便移動等問題，設計并研制一套可移動的組合型液壓傳動教學實驗設備，該設備由液壓組合實驗裝置和液壓機械模型兩部分組成，具有體型緊湊、空間分配靈活、便于移動的特點，可適應于實驗室和教室等不同的教學環境。該實驗設備的研制為高校液壓傳動實驗室建設提供了一條重要的路徑。

關鍵詞" 液壓傳動；液壓實驗設備；實驗教學；虛擬仿真實驗

中圖分類號：G642.423" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）23-00-04

0" 引言

作為典型的工科課程，液壓傳動課程中的實驗教學對學生學習液壓傳動的效果有著很大影響，因此，相應的實驗設備和實驗環境是保證教學質量的必要條件之一。目前，不少高校和企業針對傳統的液壓教學實驗設備和教學手段進行改進，例如：對實驗臺面和液壓附件的存放進行改進[1]，將實驗臺的控制系統由封閉式的工控機控制系統改進為開放式的PLC控制系統并增加控制閥的種類[2]；開發基于虛擬儀器的液壓實驗教學系統[3]。然而這些改進前或改進后的液壓實驗臺存在體積質量大、占地面積廣、實驗設備臺（套）數易受到實驗場地面積制約以及該類設備無法在教室環境使用等問題。雖然虛擬液壓教學實驗系統一定程度上解決了實驗設備占用大量實驗室面積的問題，但學生缺乏操作實際液壓回路和液壓設備工作時的真實感與交互感，這也在一定程度上影響了實驗教學的效果，因此，有必要研制一套可移動的組合型液壓實驗設備。通過模塊化的設計，可以將實驗設備進行整合、拆分和移動，以適應普通教室和實驗室等不同的教學環境，讓實驗設備的使用場地和環境不受過多限制。

1" 液壓實驗設備總體設計方案

根據對現有液壓實驗設備的調研，結合實驗教學大綱要求，欲研制出一種新型的可移動、組合型、具有一定模塊化功能的液壓實驗設備。該液壓實驗設備除了具備一般實驗臺的回路拼接和元件測試功能外，還需增加具有網絡通信功能的“PLC+工業觸摸屏系統”，其配備的液壓實驗軟件系統既可以與實物硬件連接進行相關液壓系統實驗，也可脫機進行虛擬仿真實驗。此外，該實驗設備除了可以進行常規的液壓回路實驗外，還應配備具有典型行業代表性的液壓機械實物模型，使得學生在確保安全的前提下可以利用對液壓機械模型的操控獲得較為真實的工業現場操控感。

1.1" 液壓實驗設備總體結構

液壓實驗設備由液壓組合實驗裝置和液壓機械模型兩部分組成，如圖1所示。其中液壓組合實驗裝置由液壓動力單元、回路拼接單元、調節控制單元組成，可以實現常規液壓回路動態拼接實驗、液壓回路智能控制與通信實驗、液壓元件外觀展示及回路靜態拼接、液壓元件內部結構三維虛擬裝配演示和液壓回路虛擬仿真實驗及設備測試等。通過液壓組合實驗裝置與液壓機械模型的組合，該實驗設備還可以進行液壓機械實物模型的運動演示和操作控制。

1.2" 液壓實驗設備控制系統

該液壓實驗設備控制系統由以合信PLC為核心的三層體系結構組成，如圖2所示。個人計算機通過PLC適配器與PLC建立通信，進行PLC控制程序的編輯、編譯和下載；另外通過USB接口與工業觸摸屏（MCGS觸摸屏）建立通信，進行人機界面的編輯、編譯和下載。PLC與工業觸摸屏之間則通過RS485進行通信，作為控制系統人機界面的連接管道。PLC通過其I/O接口對底層現場設備（包括可移動液壓泵站、液壓控制閥組、液壓機械手模型和液壓沖壓機模型）進行數據通信與控制。

工業物聯網技術是機械工業自動化發展的重要支撐，也是對傳統液壓控制手段進行技術升級的必然選擇。在實驗設備上實現該功能，有助于學生了解和體會工業物聯網技術的概念與應用場景。控制系統中增加了合信的CP4653網關模塊，通過PPI接口與PLC連接，可以借助合信工業云MiCo平臺實現一定的遠程控制功能。該平臺采用128 bit動態數據加密模式，是合信技術推出的一款開放、穩定、安全的物聯網平臺。

2" 液壓機械模型設計

2.1" 液壓機械手模型設計

目前，機械手的主要驅動形式包括電驅動、液壓驅動和氣壓驅動，其中電驅動形式應用最多。相比于電驅動，采用液壓驅動的機械手具有穩定性和可靠性高、負載能力強、驅動器的結構相對簡單的特點，比較適合用在工作環境相對惡劣的軍工及煤田、礦山及水下等特殊作業場合[4-5]。這些液壓機械手普遍體積質量較大，造價比較昂貴，不適合在教學實驗室應用。因此，設計一種既能反映液壓機械手結構和性能特點，體積和質量又比較小的液壓機械手模型。

如圖3所示，液壓機械手模型整體設計尺寸和質量都較小，以使其具備便于移動和攜帶的特點，其小臂3、中臂6及大臂8的運動均采用微型液壓缸驅動（件4、件5、件7和件9），手爪旋轉和機械手臂的整體回轉采用舵機驅動（件2、件11），手爪（件1）的開合也采用舵機驅動，整個系統的液壓動力源和電控系統均裝入動力及控制箱10中。該機械手模型的液壓系統中采用四路并聯的三位四通換向閥組，以實現四個微型液壓缸的運動控制。液壓機械手模型可實現六自由度運動，便于拾取和搬運質量較小的圓柱狀物料或塊狀物料。

2.2" 液壓沖壓機模型設計

沖壓工藝是通過壓機和模具，使材料塑性變形或者分離，得到與模具形狀相同零件的方法[6]。工業上實際應用的液壓沖壓機具有壓力高、體積龐大、操作時對安全性要求高的特點，在高校的教學實驗中并不太適用。液壓沖壓機模型在保持工業上實際應用的液壓沖壓機整體結構特點和功能的基礎上，適當進行結構簡化，使得總體尺寸和質量滿足輕便和易于攜帶的特點。如圖4所示，該液壓沖壓機模型由立柱8、底座1和支撐板10搭建整體機架結構，空間結構緊湊；通過固定夾具7與立柱8、支撐板10的螺栓連接實現液壓缸9的安裝和定位；液壓缸9活塞桿末端安裝沖頭夾具11及沖壓頭5，底座1與工件夾具2通過螺栓固定，可通過調整工件夾具2的位置實現沖壓頭5與工件3的軸心重合；液壓缸工作時，安裝于接近開關安裝架4上的接近開關可以檢測沖頭的位移行程，從而給控制系統發出上下限位信號，使得液壓缸實現下降沖壓和上升復位的沖壓工藝動作。

3" 液壓實驗設備功能描述

3.1" 設備的組合與分拆功能

目前已完成的液壓實驗設備包括由各獨立箱體組成的液壓組合實驗裝置一套及液壓機械模型兩個。圖5a所示為該實驗設備完全展開的狀態，其PLC控制系統與內嵌的工業觸摸屏具有通信接口，可以完成常規液壓回路（壓力控制回路、速度控制回路、方向控制回路以及多執行元件控制回路等）的虛擬仿真實驗功能和實際的液壓回路拼接實驗功能等，控制方式涵蓋手動控制和PLC自動控制兩種模式。當實驗完成后，其中的便攜式多功能液壓實驗控制箱和便攜式多功能液壓元件收納與展示箱均可以收納至體積最小狀態，便于移動和存放。圖5b

為該裝置部分收攏的狀態。此外，整個實驗設備還配有多工位的實驗板，可以利用多工位的特點執行不同的功能，在其平放時可以安裝液壓機械模型開展實驗，在其豎起時可以用于安裝液壓元件進行液壓回路拼接實驗。

該設備中每個單元（箱體）均具備一定的實驗功能。例如：利用便攜式多功能液壓實驗控制箱可以進行液壓控制回路虛擬仿真實驗；利用便攜式多功能液壓元件收納與展示箱可以進行液壓元件的靜態展示；其中的移動式液壓泵站既可以給該套實驗設備提供液壓動力，也可以給其他液壓設備充當動力源。兩臺液壓機械模型由于尺寸小、質量輕，可以被方便地帶到教室進行展示和操作演示，全套液壓實驗教學設備組合后可以實現較為豐富的實驗

功能。

3.2" 設備實驗軟件基本功能

實驗設備的人機界面采用McgsPro嵌入組態軟件進行開發，軟件主要包括四個功能模塊，分別是液壓實驗分類、液壓元件展示、液壓系統控制和注意事項。圖6所示為系統的主界面，其中液壓實驗分類模塊用于進行常規的液壓回路拼接實驗；液壓元件展示模塊可以動畫展示液壓回路拼接實驗中主要液壓元件的三維結構，讓學生了解這些元件的結構特點和工作原理；液壓系統控制模塊可以對液壓機械手模型及液壓沖壓機模型進行操作控制；注意事項模塊則是對設備的使用和實驗操作流程進行圖文介紹與說明。

4" 結束語

該實驗設備解決了傳統液壓實驗臺模塊化和便攜化方面的難題，各功能單元均可獨立完成部分實驗內容，用戶可以根據需要進行選配和增配。裝置體積小巧，節省了實驗室空間，可以在實驗室和教室等不同的環境條件下使用，既可以滿足普通的液壓傳動實驗課程需要，也可用于開設綜合性強的創新性實驗課程。實驗設備集成了虛擬現實技術、仿真控制技術與液壓技術，拓寬了學生視野，豐富了實驗類型，一定程度上也減少了元件數量，降低了實驗設備的采購和運行成本。

5" 參考文獻

[1] 畢秋生.YZ型液壓實驗裝置結構設計的改進[J].機械工程與自動化，2019（6）：138-139.

[2] 張明軍.基于校企合作的QCS014A液壓實驗臺改進設計與應用[J].機電工程技術，2021，50（4）：199-202.

[3] 魏志民，喻益琳.基于虛擬儀器的液壓實驗教學系統開發[J].中國教育技術裝備，2020（8）：47-49.

[4] 張波.煤礦用全液壓自動鉆機機械手裝配工藝研究[J].煤礦機械，2021，42（10）：93-95.

[5] 紀輝，蘭宇，武子為，等.面向水下作業的水液壓機械手研究與展望[J].機械工程學報，2023，59（4）：283-294.

[6] 戴琳，張靖雨，王野牧，等.500kN沖壓機模墊液壓控制系統仿真研究[J].中國設備工程，2022（增刊1）：11-13.