虚拟仿真技术在液压与气动实验教学中的应用

吕明珠

(辽宁装备制造职业技术学院自控学院,辽宁沈阳 110161)

虚拟仿真技术在液压与气动实验教学中的应用

吕明珠

(辽宁装备制造职业技术学院自控学院,辽宁沈阳 110161)

研究了虚拟仿真技术在液压与气动实验教学中的典型应用,提出了液压与气动虚拟实验室的建设思路。虚拟仿真技术的应用推动了职业技术院校实验教学方式的改革,改善了教学环境,优化了教学过程,提高了教学质量,不但解决了学校教学资源不足的问题,还能提供一种即时的、动态的、交互的认知形式,虚拟平台可以让教学的表现形式丰富多彩且具有实用性和可操作性。

虚拟仿真;液压与气动;实验教学;虚拟实验室

职业技术院校的教学模式强调以学生为主体、以能力为核心,教学内容往往以典型工作任务为载体,着重培养学生的动手能力和解决实际问题的能力。因此,实验教学环节在课程体系中占有很大的比重,这就需要有大量配套的实验器材和实训场地。但由于学校经费有限,许多实验设备又价格昂贵,实验器材的短缺和老化问题难以解决。另外,由于大多数实验仪器设备功能单一,学生只能按实验指导书做一些验证性实验,缺乏主动性和参与性,职业技能的应用水平不高,实验教学效果并不理想。

近年来,将虚拟仿真技术应用于教学领域已有很多成功案例[1],如虚拟物理/化学/生物/机械实验、虚拟地理教学、虚拟故障诊断与维修等。借助虚拟平台,可以让教学的表现形式丰富多彩且具有直观性和可操作性,使原来只能阅读的信息变成了可视、可听、可摸的信息,抽象信息变成了生动、形象、具体的三维信息,从而有效推进了教学改革的进程。

1 液压与气动课程的虚拟实验改革

“液压与气动”是高职院校机电类专业开设的一门核心课程,其特点是实践性强、配套的实验内容多。目前,辽宁装备制造职业技术学院共有3个液压与气动实验室,实验设备20余套,专兼职教师5人,承担着机电一体化、机电设备与维修、机械设计制造及其自动化、数控技术等多个专业每年约500名学生的实验教学任务。由于实验设备的短缺和老化,使分组实验的学生人数较多,每个学生的动手实践机会较少,不能满足实验教学的需要,教学效果也不理想。

为此,我校利用现有的CAD/CAM机房,对液压与气动课程的典型实验教学形式进行了改革,将虚拟仿真技术引入课程,开发了液压泵虚拟拆装实验、液压控制阀原理演示实验、液压基本回路性能测试实验。这些改革不但解决了学校教学资源和实训基地不足、实验教学过程安全性的问题,而且还为学生提供了一种即时、动态、交互、可想象的结构化学习形式,使教学内容的外在表现形式与内在逻辑结构紧密结合在一起,帮助学生习得经验和策略、掌握知识和技能[2-5]。

2 虚拟仿真技术在实验教学中的典型应用

2.1 液压泵的虚拟拆装实验

液压泵是液压系统的动力元件,是重要的液压元件。液压泵拆装实验是让学生学习各种液压泵的组成、工作原理和安装技术要求,能够分析液压泵常见故障原因及排除方法。传统的液压泵拆装实验多采用实物拆装,不但拆装实验周期长,而且设备耗损严重[6]。

实验室以Solidworks软件为平台,以eDrawings生成人机交互界面,开发了液压泵的虚拟拆装系统。

首先,应用Solidworks对液压泵进行实体建模,然后应用eDrawings对液压泵进行虚拟拆装,还可以依据实际工况,在参数设置中施加负荷进行仿真和优化。学生以PC机为客户端登录该系统。系统中有各种不同类型的液压泵如齿轮泵、叶片泵、柱塞泵可供拆装,可通过零部件选项卡了解各种液压泵的组成,认识各种零部件,还可以通过缩放、旋转、平移等操作,从不同角度观察液压泵的结构(见图1)。学生可以自行拟定对泵的拆装方案,完成对液压泵的拆装(见图2)。若对拆装方案不满意,还可以重新拆装。

图1 外啮合齿轮泵的组合体图

2.2 液压控制阀的原理演示

液压控制阀是用来控制液压系统中液流的方向、压力和流量的元件。在传统的实验教学中,学生虽然可以见到各类阀的实物,但对其工作过程理解得并不深刻,对于教材上的文字说明更是觉得难学难懂[7]。

实验室利用Flash软件,对液压换向阀、压力阀、流量阀的工作过程进行了生动、形象的动画模拟。通过观看动画,学生不仅能清晰地了解液压油的流动过程,还能逼真地看到阀芯的开启或关闭动作。图3是先导式溢流阀的工作过程演示图。学生还可通过调节播放按钮放慢动画的播放速度,使得每一处工作细节都能淋漓尽致地展示出来,收到了很好的教学效果。

图2 外啮合齿轮泵的虚拟拆装

图3 先导式溢流阀的工作原理演示图

2.3 液压基本回路的性能测试实验

液压传动系统无论如何复杂,都是由一些能够完成某种特定控制功能的基本回路组成的。掌握这些回路的原理和性能,对分析和设计液压系统至关重要。液压基本回路的性能测试实验主要是测定并绘制速度特性曲线、力或转矩特性曲线。传统的测试方法只能通过各类传感器和仪器仪表来实现,由于仪器仪表精度不高,加之人工测量误差,从而影响实验结果的准确性[8]。

实验室基于Java、EASY5和Hopsan软件技术设计了一些典型液压回路的测试系统。图4是“进油路节流调速回路”性能测试实验原理图。只要在人机界面输入负载的类型、负载的大小、节流阀的开口面积,系统便会立即计算出泵出口压力、液压缸无杆腔压力、有杆腔压力和流量的大小。此外,系统还能自动生成速度特性曲线(见图5),既省时、省力,又真实、准确。

图4 进油路节流调速回路原理图

图5 速度特性曲线的绘制

3 虚拟仿真实验室建设的思路

虚拟仿真技术的应用,可以促进教学方法的现代化和教学手段的多样化,让学生自主构建虚拟场景,因而特别适合职业技术院校“教-学-做”合一的教学方式。虚拟仿真技术的应用,不但能为教学提供生动、逼真和丰富多彩的视觉、听觉材料,使学生通过人机交互的方式获得逼真的体验,而且学生也可以从中享受到学习的乐趣,提高学习的积极性,提高学习效果。

3.1 关键技术的实现

虚拟实验室建设的关键是软件平台开发和网络教学平台构建[9]。

软件平台包括建模软件、仿真软件、分析软件。目前,我校液压与气动实验室安装了Solidworks三维建模软件,能够完成各种液压元件的实体建模、动画演示、渲染等功能;仿真分析软件有eDrawings、Flash、Java、Easy5和Hopsan等,因此,软件平台可以满足不同实验项目的需求[10]。

网络教学平台包括人机交互界面设计、网页制作和数据管理等,将网络编程技术、数据库技术和虚拟现实技术相结合,利用校园网实现课程网上教学。目前,我校已建成液压与气动网络课程并投入使用。学生可在网络平台上选择实验项目、提交实验报告、完成测试题目等,并可与教师进行在线交流。此外,该网络平台还可以统计学生学习成绩、管理实验成绩等[11-12]。

3.2 实验项目的整合

根据我校液压与气动课程的技能要求,目前虚拟实验室开展的实验项目可分为3大类,每个大类下面开设了若干个实验项目。

(1)原理演示类:主要项目有换向阀、压力阀、流量阀;

(2)虚拟拆装类:主要项目有液压泵、液压马达、液压缸;

(3)性能测试类:主要项目有容积调速回路、节流调速回路、压力控制回路。

今后,还会根据学生的反馈和实际需要,不断增加实验项目的数量。

4 结束语

我校液压与气动实验室将虚拟仿真技术应用于实验教学中,不仅解决了学校实验资源和实训基地不足的问题,而且改善了教学环境,优化了教学过程,提高了教学质量和教学效果,提升了学生的职业能力,对于培养创新型人才具有深远的意义。虚拟实验室的建设与网络技术、数据库技术和虚拟现实技术紧密结合,其意义远超出实验本身,是职业技术院校未来发展的必然趋势。

References)

[1]蔡卫国.虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2011,28(8):76-78,82.

[2]郭凤英.虚拟现实技术在网络教学中的应用[J].北京联合大学学报:自然科学版,2004(3):77-79.

[3]蒋斌.虚拟现实技术在网络课件制作中的应用[J].中国中医药现代远程教育,2005(12):30-31.

[4]沈朝魁.虚拟现实技术在网络购物中的应用研究[D].南京:南京航空航天大学,2012.

[5]刘松海.基于虚拟现实平台的中学信息技术课程的设计与应用[D].成都:四川师范大学,2012.

[6]李俊.虚拟现实技术在课件中应用的思考[J].现代企业教育,2012 (1):97.

[7]吴旭.基于虚拟现实技术的职业学校网络课程中的实验室建设[J].科技传播,2011(6):183-184.

[8]马颖峰.网络课程开发的问题与对策[J].天津电大学报,2001(3): 19-21.

[9]唐志文.浅谈虚拟现实技术在网络教学中的应用[J].硅谷,2010 (6):166.

[10]赵自豪.虚拟现实技术在采矿工程课程体系教学中的应用[J].中国科教创新导刊,2011(1):182,184.

[11]吴璟莉.数据库虚拟教学平台的构建与研究[J].无线互联科技, 2013(12):203,205.

[12]梁蓓蓓,陈志云.基于数据可视化的开放式虚拟教学平台的研究[J].现代计算机:专业版,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

辽宁远程教育协会“十二五”立项课题(2014XH02-43)

吕明珠(1980—),女,辽宁沈阳,硕士,讲师,主要从事电气工程和自动控制领域的教学和研究.

E-mail:lvmzh1980＠163.com