微型气动教学实验箱

时澳丽 赵亮亮 李镇

摘要：据统计，全国有203所理工类大学，161所综合类大学，有职业院校12300所。近年来，国家大力提倡建设应用型高校，实践课程大幅度增加，因此实验实训平台的需求量不断增多，而现有气动实验台因体积大，只能放置在实验室中，不便于携带，不能实时记录等不足，都不能充分满足教学需要。设计一款可携带的实验箱，并能够根据需要进行模块化的组合，便实现了理论与实践的有机融合。

关键词：气动实验箱;便携式;开源

1  研究意义

随着教育教学改革，应用技术型高校学生数量逐年增长，理科生更是大幅度的增加，实验设备需求量也是愈发紧张。目前市场上以大型气动实验台为主，其体积大、占地面积大、使用不方便，由许多模块进行不同方式的连接，安全性能低、价格较高、不易携带，而且需要外接动力源——气泵。教育行业是一个推陈出新的行业，随着教学模式、种类的不断扩大，普通的实验台早已无法满足教师教学的需求和学生对学习的期望，我们不得不直视教育这个庞大的市场。

2  基本思想

基于目前的应用现状，为满足于《液压与气压传动》课程理论与实践教学环节的需要，提升理实一体化教学效果，设计了集气动、电子、计算机等技术于一体的微型气动教学实验箱。

该实验箱能够应用于不同的教学科目，具有高度的可拓展性。通过更换气动元件、编写不同的控制程序和不同的控制界面即可完成多种实验项目。将气动、电子和計算机的实验项目有机的融合到了一起，实现了实验的模块化组合。同时，还可以将实验系统带入理论课堂，学生可以将理论与实践充分的结合在一起，使书本上的实验回路不再是若干简化符号和若干线条连接而成，而是让学生动手连接各个回路，增强和培养学生置身于工作现场的感觉，实现理论知识和实际工作的无缝对接，从而提高学生的动手操作能力。

3  实验箱设计方案

通过对市场上的德国力士乐产品和我国秦川教仪产品对比发现，该实验箱主要有以下几个方面的特点：①实验数据记录方面，我们可以实时观察到每个学生的实验过程;②结构方面布局精巧，内置有独立气源装置;③在功能方面不止局限于机械专业学生，还可同时供电子、计算机等专业同学使用;④其体积较小，方便携带，价格比较便宜，相对性价比高。

该实验系统主要是通过压缩空气、电气动控制技术、计算机控制技术、以及建模仿真技术等，搭建微型气动教学实验箱。主要包括：箱体、回路工作台、升降平台、气动组件、气缸泵、人机界面等构成。其中箱体主要有两层构成，上层为回路工作台，安装有气动组件;下层为抽拉式结构，安装有气缸泵。

该实验箱可供工科类院校机械类专业、电子相关类专业、计算机类专业的学生使用，在教学方面可为教师和学生提供辅助教学。现在已开发的实验数量有：机械类专业22种、电子相关类专业3种、计算机类专业3种。

4  实验箱人机工作界面

微型气动教学实验箱，设计了一款开源的人机工作界面。教师或学生可进行模块化的组合，同时还能够进行二次开发。可用“气动实验系统中的‘安卓’”来形容。通过在人机工作界面上附加其它的功能，使其更具有经济性和实用性。

①如图1所示，为实验箱计算机登录界面，该界面系统同时能适应计算机和触摸控制屏操作，特虚拟了“屏幕键盘”，使计算机上的键盘和屏幕上的键盘能同时使用，学生需在姓名栏和学号栏输入姓名和学号，点击“进入”进行登录。

②当操作者输入正确的姓名和学号后便可进入操作系统，打开实验主界面。主界面为实验选择界面，该工作界面左侧为信息显示栏，显示有实验当天的日期、具体时间和登录用户的信息，并提示用户选择实验类型;右侧为实验内容选择栏，该实验箱系统目前选取了六个回路实验内容，直接点击实验图标便可进入相关实验。如果需要注销用户可点击左下角的“注销”图标即可注销，如图2所示。

③在主界面选择好实验项目并点击相关实验图标即可进入相关实验内容。如点击“自制气缸泵测定实验”图标便可进入该实验控制界面，如图3所示。

④在该实验工作原理图的下方共有“转动”、“停止”、“加速”、“减速”四个图标，点击可分别控制可调速直流电机转动、停止;可调速直流电机加速转动、减速转动。点击图标后将会弹出通过计算机串口输出的十六进制数，可通过该数编写相关控制电子的控制程序，如图4所示为点击“转动”图标后输出的十六进制数。

5  实验箱应用

该实验箱通过结合“机—电—液”三者理论课程与实践教学的需要，使用压缩空气作为工作介质，利用电气动控制技术和计算机控制技术，建模仿真技术，设计了该气动实验台的气动、电子、计算机于一体的实验系统，将所必须的实验项目通过一些特定的组件集中于一个实验箱中，主要能完成以下的实验内容：

①基于动力装置的原理性实验：该动力装置模拟柱塞式气泵。传统的气动实验台中都配备了压力气源或使用外接气源，仅仅动力装置就占用了实验台的很大一部分体积和重量。在该实验台中模拟了动力装置，不需要使用外接气源，而且还能使操作者对压力气源的原理进行仿真研究。

②基于实验回路的原理性实验：该实验装置的实验回路暂定模拟六种实际设备上必备的工作回路，进行分开模拟，使工作回路简单、易懂、易学。

③该实验箱设计了良好人机界面，可通过触摸屏控制或计算机串口输出直接控制，能够让学生直接动手操作，教师能够对学生的实验状态有清晰的了解。

④该实验箱能够应用于不同的教学科目，其具有高度的可拓展性，可更换气动元件、编写不同的控制程序和不同的控制界面即可完成不同的实验项目，将气动、电子和计算机的实验项目有机的融合到了一起，实现了实验的模块化组合。

参考文献：

[1]唐德栋.Festo气压实验台在液压与气压传动实验教学中的应用[J].机床与液压，2004（2）：125-151.

[2]赵亮亮.微型气动教学实验台[J].教育研究，2019（1）：39-40.

[3]瞿希.液压与气动实验教学改革与实践研究[J].内燃机与配件，2018（17）：257-258.