基于Unity 3D的动力滑台液压系统虚拟实验设计

李欢欢 向东 李松晶

摘  要：为了弥补传统液压传动实验教学中的不足，将虚拟技术应用于实验教学中，建立虚拟实验。以动力滑台液压系统实验为例，阐述了一条具有可行性建设虚拟实验的技术路线。采用SolidWorks三维建模软件构建动力滑台液压系统虚拟实验所需的液压元件及辅助元件，基于C#語言的Unity 3D作为动力滑台液压系统虚拟实验开发平台，建立节流阀节流调速系统虚拟实验和调速阀调速系统虚拟实验，实现了动力滑台快进、工进、停留、快退、停止等工作循环。

关键词：液压传动；动力滑台；虚拟实验；节流调速系统

中图分类号：TP391.9；TH137.9 文献标识码：A 文章编号：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

液压传动课程是机械类专业学生必修的主干课程[1，2]，该课程具有实践性强，多学科交叉等特点[3，4]。实验教学是巩固理论教学、强化动手能力、培养实践创新能力的重要环节[5，6]。但液压传动课程的实验教学在特殊时期面临着实验无法开展、实验资源有限和缺乏交互性等问题，在一定程度上，束缚了学生的理解力和创作力[7-9]，而虚拟实验的设计和开发既能有效解决这一难题，又能拓展传统实验教学中教学内容的深度与广度、延伸实验教学的时间和空间[10，11]。

动力滑台液压系统实验是液压传动课程实验教学内容之一，在已有的动力滑台液压系统实验台的基础上，采用虚拟技术[12，13]，建立动力滑台液压系统虚拟实验。在近两年的教学中，特别是在新冠疫情期间，开展了线上实验，其虚拟实验起到关键的作用。本文采用SolidWorks软件构建了动力滑台液压系统虚拟实验所需的液压元件三维模型，利用C#语言在Visual Studio 2017集成开发环境中进行虚拟实验内部控制程序的设计，以Unity 3D交互引擎[14]作为动力滑台液压系统虚拟实验开发平台。采用虚拟方式开展实验内容，突破时间、空间的限制，是线下实验教学方式的有效补充，是线上实验教学的新途径[15]。

1  动力滑台液压系统实验

1.1  动力滑台液压系统实验工作循环

动力滑台液压系统由多条节流调速回路组成，通过改变回路中节流阀和调速阀通流截面积的大小来控制流入滑台液压缸的流量，从而调节滑台液压缸移动速度，在电气和机械装置的配合下实现各种自动工作循环[16]。动力滑台液压系统实验如图1所示，其中图1（a）为动力滑台液压系统实验原理图，图1（b）为其自动工作循环，图1（c）为其实验台实物图。

此实验可实现快进、工进、停留、快退、停止工作循序，具体系统油液流动情况如下：

（1）快速前进：换向阀H1左位接入系统，由于系统压力不高，顺序阀X仍处于关系状态。这时液压缸做差动连接，液压泵输出最大流量。系统中油液的流动情况为：

进油路：液压泵—单向阀I1—换向阀H1（左位）—换向阀H2（右位）—滑台液压缸（左腔）。

回油路：滑台液压缸（右腔）—换向阀H1（左位）—单向阀I2—换向阀H3（右位）—滑台液压缸（左腔）。

（2）工作进给：在滑台前进到预定位置，挡块压下使电磁铁4YA通电时开始。这时系统压力升高，顺序阀X打开。系统中油液的流动情况为：

进油路：液压泵—单向阀I1—换向阀H1（左位）—换向阀H2（左位实现调速阀节流调速系统，右位实现节流阀节流调速系统）—滑台液压缸（左位）。

回油路：滑台液压缸（右腔）—换向阀H1（左位）—顺序阀X—溢流阀B—油箱。

（3）停留：在滑台液压缸以工进的速度行进到碰上死挡块不再前进时开始，并在系统压力进一步升高、压力继电器YF经时间继电器按预定停留时间发出信号后终止。

（4）快退：在时间继电器发出信号，换向阀H1右位工作时开始，这时系统压力下降，液压泵流量又自动增大。

（5）停止：在滑台快速退回到原位，当挡块压下终止开关，换向阀H1处于中位，滑台液压缸两腔封闭，滑台停止运动。

通过调节节流阀或调速阀的通流截面积的大小和改变负载力大小（溢流阀Y3实现），进行节流阀和调速阀节流调速系统的对比实验，分析比较它们的速度与负载特性和系统效率特性等调速性能，并绘制调速回路的特性曲线。

1.2  现有实验存在问题及虚拟实验的优势

液压传动课程是机械类专业的基础课，由于机械类的学生人数众多、实验室资源有限和实验误操作引起的安全等因素，使得实验教学环节显得空洞而无效[17]。为突破传统液压实验教学方式的局限，充分利用虚拟技术构建液压虚拟实验，来提升实验教学效果。与传统实验相比，虚拟实验具有开放共享、人机交互、可扩展性以及安全性等特点。具体表现为：

（1）在疫情等特殊环境下，由于液压传动课程实验在居家隔离地不具备实验条件，为解决实验教学无法开展的难题，采用虚拟实验的方式来补全在线教学中实验教学这一关键一环。

（2）降低实验误操作引起的安全问题。借助虚拟实验资源，打破了实验资源的限制，学生可以反复练习，在一定程度上提高学生对实验仪器和实验操作步骤的熟悉程度，极大地降低实验误操作引起的安全问题，从而提高学生实验的积极性、主动性。

（3）提升专业实验教学效果，培养学生创新能力。实操的液压传动实验能够让学生在连接好的液压传动实验系统上进行实验操作，记录实验数据并分析，但学生不能按照液压系统原理图进行自主创新实验，利用虚拟实验能够促进学生在液压传动课程中实践教学环节创新能力的培养；

（4）构建并共享虚拟仿真实验资源，促进实验教学的发展。

2  动力滑台液压系统虚拟实验

2.1  虚拟实验总体框架及开发流程

根据液压传动课程的教学要求，可以将动力滑台液压系统实验分为三部分：动力滑台液压系统实验的实验理论、液压元件（动力滑台液压系统中所含有的元件）和虚拟实验，如图2所示。在虚拟实验模块中，由已建模的液压元件组成动力滑台液压系统，对工进、快进半工作循环进行描述，由于动力滑台液压系统实验是由进口节流调速回路组成，所以，虚拟实验操作过程中模拟了进口调速阀调速系统虚拟实验和进口节流阀调速系统虚拟实验。

动力滑台液压系统虚拟实验是基于Unity 3D虚拟交互引擎创建的交互操作界面，其虚拟实验开发流程及工具如图3所示。采用三维软件SolidWorks对动力滑台液压系统虚拟实验所需的液压元件进行建模，并将其以STEP格式导入至3DS Max软件中，对元件模型进行渲染，制作纹理贴图和动画，再导入至Unity 3D中。Unity 3D是由Unity Technologies公司开发的专业跨平台游戏开发及虚拟现实引擎，是本实验最关键的开发工具，完成虚拟实验的场景搭建、画布设计、节流阀调速系统虚拟实验制作和调速阀调速系统虚拟实验制作等部分。同时，利用C#语言在Visual Studio 2017编辑器建立虚拟实验的脚本来实现场景切换、元件模型逻辑控制及运动控制等，以及用脚本响应用户的操作。最后，将动力滑台液压系统虚拟实验系统集成，并进行多次优化、试用反馈，选择Windows系统形式，将动力滑台液压系统虚拟实验发布到电脑端，形成一个可执行的.exe文件和包含其所需资源的文件夹。

2.2  虚拟实验内容功能模块

图4为动力滑台液压系统虚拟实验的初始界面，虚拟实验内容包括动作循环和实验操作（按照实验步骤操控实验台）两部分，每部分都有详细的考核评分功能。

（1）在动力滑台液压系统虚拟实验动作循环模块的界面上增加了三个按钮，分别是实验原理图（将实验原理图显示在界面上）按钮、快进填写完成（判断快进工作循环填写是否正确）按钮和工进填写完成（判断工进工作循环填写是否正确）按钮。脚本设计为每个按钮添加相应的触发事件，当快进工作循环填写完毕，点击相应按钮来判断所填写的内容是否正确，如正确，会有提示框显示，并所填内容的文字由黑色变成红色，获得此部分的分数10分，如图5所示。

（2）在动力滑台液压系统虚拟实验操作模块中（如图6所示），利用实物实验的多组实验数据建立实验数据库，采用C#语言进行脚本编写，输入至虚拟实验内，并搭建系统压力、速度等参数的数学模型。整个实验操作模块中包含多个按钮，对内部控制程序进行设计，来实现元件与按钮之间逻辑关系及对应关系等。单击液压泵启动按钮，使液压泵开始工作；按下节流按钮，使电磁换向阀H2（右位）工作，实现节流阀调速系统实验；调节节流阀开口大小，从而改变滑台液压缸移动的速度；调节溢流阀的按钮，改变负载液压缸的压力，通过压力表P6顯示此时的压力，负载液压缸起到模拟负载的作用，启动负载液压缸前进按钮；点击动力滑台前进按钮，滑台液压缸先以较快速度移动（前进工作循环）再速度较慢（工进工作循环），直至作用在负载液压缸上，记录此时液压缸回油压力P2、电功率和时间的示数，多次改变负载液压缸的压力P6值和节流阀阀口大小，来探究节流阀调速系统负载与速度的关系。按下调速按钮，是电磁换向阀H2（左位）工作，实现调速阀调速系统实验，通过调节溢流阀和调速阀阀口大小来探究调速阀调速系统负载与速度的关系；最后，关闭液压泵，完成实验。系统在整个实验操作模块中具有考核评分功能，对每步操作均会对其判断，如正确，此步骤的文字由黑色变成红色，并加上相应得分。

3  动力滑台液压系统虚拟实验实践效果

自动力滑台液压系统虚拟实验应用于线上实验教学以来，对提高液压传动课程理论知识的理解力和实验教学效果起到了积极作用。对我校机电工程学院大三学生开展了动力滑台液压系统虚拟实验教学之后，对部分学生开展问卷调查，92%的学生认为通过动力滑台液压系统虚拟实验深入了解了进口节流调速系统调速原理、速度-负载特性和系统效率特性，从而巩固课堂讲述的内容，掌握了系统性能实验方法；98%的学生认为在特殊时期，学生无法进入学校时，虚拟仿真实验是解决实验教学最好的方式；52%的学生能够通过实验教学平台开展实验设计，例如，对出口节流调速回路、容积调速回路等速度控制回路进行虚拟实验设计。虚拟实验加深学生对理论知识的理解，提高液压传动课程实验教学中信息展示方式及表现能力。

4  结  论

本文阐述了传统液压传动实验教学中的问题以及将虚拟技术应用于实验教学中的优势。以Unity 3D作为动力滑台液压系统虚拟实验开发平台，建立了节流阀节流调速系统虚拟实验和调速阀调速系统虚拟实验，实现了动力滑台快进、工进、停留、快退、停止等半工作循序。将动力滑台液压系统虚拟实验应用到线上实验教学中，能够提高学生对液压传动课程理论知识的理解力，增强实验教学效果。

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作者简介：李欢欢（1987—），女，汉族，黑龙江哈尔滨人，工程师，博士，主要研究方向：液压传动基础理论与應用研究；通讯作者：向东（1981—），男，土家族，湖北恩施人，讲师，硕士导师，博士，主要研究方向：流体控制及高端装备研制。

收稿日期：2022-09-26

基金项目：国家级实验教学示范中心联谊会机械类虚拟仿真实验教学平台建设项目；教育部高等教育司产学合作协同育人项目（201902152008）；教育部高等教育司产学合作协同育人项目（201902152009）；哈尔滨工业大学教育教学改革专题项目（XYZ2020012）