邵雪

（云南工業(yè)技師學(xué)院，云南 曲靖 655000）

液壓傳動具有“大力大矩”和無極調(diào)速以及易于自動化和高效的功率體積比等特點(diǎn)，成為工程機(jī)械設(shè)備中不可或缺的傳動方式之一。目前液壓系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)可分為繼電器控制系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)，其中PLC控制系統(tǒng)具有控制速度快、觸點(diǎn)多、調(diào)試和修改方便等優(yōu)點(diǎn)，常用于控制功能要求較多、可靠性與穩(wěn)定性要求高的場合。液壓系統(tǒng)的電氣控制所學(xué)習(xí)的內(nèi)容，一般是控制信號在控制系統(tǒng)的硬件內(nèi)部如何去傳輸和相互作用。這些內(nèi)容無法直觀地體驗(yàn)到，學(xué)生在學(xué)習(xí)中難免感覺抽象、不容易理解。所以開發(fā)液壓系統(tǒng)PLC電氣控制可視化教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)電氣控制中的控制信號的直觀可視化，有助于教師的授課和學(xué)生的理解。利用VISIO、FLASH動畫、SolidWorks三維建模軟件等可視化軟件，可方便構(gòu)筑液壓傳動系統(tǒng)，VISIO可進(jìn)行液壓傳動系統(tǒng)的工程圖紙出圖，F(xiàn)LASH等動畫軟件可動態(tài)模擬液壓傳動系統(tǒng)中的工作介質(zhì)回路，流體仿真分析軟件能夠計(jì)算分析液壓回路中工作介質(zhì)的流動狀態(tài)，計(jì)算壓力變化，最終可清晰直觀地看出液壓回路中有哪些不合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)等。

1 可視化教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺

液壓傳動系統(tǒng)可視化教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺有多種，如VISIO思維導(dǎo)圖可視化、基于透明液壓元件與三維造型軟件的教學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化、FLASH動畫可視化、液壓仿真軟件可視化和基于液壓實(shí)驗(yàn)室的開放式教學(xué)。對于出圖液壓傳動系統(tǒng)的工程圖，許多該行業(yè)人士都喜愛使用MS VISIO軟件，VISIO出圖的液壓系統(tǒng)工程圖簡潔美觀、符合工程實(shí)際對工程圖的要求，所以VISIO在許多高校、研究院等相關(guān)液壓傳動系統(tǒng)研究領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。FLASH動畫制作主要應(yīng)用于教師的課件制作，F(xiàn)LASH動畫本身不能真實(shí)反映液壓傳動系統(tǒng)中工作介質(zhì)、控制閥的運(yùn)動，也不能進(jìn)行相應(yīng)的流體狀態(tài)和壓力等計(jì)算，只是較為直觀地展示工作介質(zhì)在液壓系統(tǒng)中的流動方向、經(jīng)過了哪些液壓元件等。許多三維建模軟件都集成了流體分析的功能，如SolidWorks，比較專業(yè)的流體分析軟件應(yīng)屬Fluent和ANSYS兩大軟件，F(xiàn)luent流體分析軟件為研究人員提供了許多流體分析解決方案，流體力學(xué)相關(guān)理論都集成在Fluent里。部分高校的研究人員使用Fluent軟件做微流控的仿真分析，如T型通道微液滴的成型研究、微米級的化學(xué)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)室等。ANSYS是多功能的專業(yè)的多物理場仿真分析軟件，其分析能力涵蓋了機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真、有限元分析、磁場分析、電場分析、流場分析、不同物理量的耦合分析等。ANSYS流體分析模塊與Fluent分析功能類似，使用ANSYS分析還是Fluent分析的結(jié)果，并沒有太大的差別。Fluent采用完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，具有基于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)格單元的梯度算法，能夠快速進(jìn)行非定常系統(tǒng)的模擬，支持不連續(xù)網(wǎng)格、滑動網(wǎng)格和混動網(wǎng)格等，可進(jìn)行非耦合隱式算法求解、耦合顯示算法求解和耦合隱式算法求解。

（1）VISIO思維導(dǎo)圖。MS Office Visio 是一款就復(fù)雜信息、系統(tǒng)、流程和部件與組件進(jìn)行繪圖的軟件，其中內(nèi)置有許多行業(yè)領(lǐng)域的基本圖形模塊和流程圖模塊，VISIO繪制的液壓系統(tǒng)圖簡潔美觀，在許多高校、研究院等相關(guān)液壓傳動系統(tǒng)研究領(lǐng)域得到較為普遍的應(yīng)用。思維導(dǎo)圖和綱要圖是綜合運(yùn)用色彩、線條、符號和圖像等組織和概括信息的結(jié)構(gòu)圖形。利用VISIO可便捷地將液壓傳動課程的知識點(diǎn)模塊化，使學(xué)生能夠整體地把握知識點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)，并進(jìn)行知識點(diǎn)的梳理和總結(jié)，便于教師對不同的液壓元件之間的異同點(diǎn)進(jìn)行對比。

（2）三維造型軟件。液壓元件的種類很多，各元件的工作原理不盡相同。如果學(xué)生單單從書本上的結(jié)構(gòu)圖和原理圖進(jìn)行學(xué)習(xí)，難免覺得乏味枯燥。學(xué)生對能夠看得見、摸得著的實(shí)物的興趣更大，所以在授課時可適當(dāng)?shù)乩猛该鞯囊簤涸Ｐ?，對液壓系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行講解，方便學(xué)生觀察液壓元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和流道。SolidWorks、UG NX、Pro/E等三維造型軟件繪制的3D圖，可幫助教師對元液壓元件的組成部分進(jìn)行解構(gòu)，將對液壓元件知識點(diǎn)的講解空間化、動態(tài)化，幫助學(xué)生加深對液壓元件的理解和記憶。SolidWorks集成有流體分析的插件Flow Simulation。通過流體仿真也可讓學(xué)生直觀地觀察到液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)在液壓元件中是如何流動的。Pro/E也是許多企業(yè)使用的軟件之一，目前已有Pro/E的升級版本，名稱改為Creo，Pro/E的可操作度沒有SolidWorks簡單方便，建模命令常使人感覺抽象，不易理解。UG NX為機(jī)械產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、分析、仿真到制造等一系列過程提供了一整套的解決方案，其建模功能十分強(qiáng)大，為用戶提供了豐富的解決方法，其計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）模塊被廣泛應(yīng)用于數(shù)控加工、數(shù)控編程等領(lǐng)域，極大方便了使用者和編程者的工作量，提高數(shù)控的加工效率和加工質(zhì)量。

（3）液壓仿真軟件。液壓仿真軟件是對液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)流動情況、壓力變化情況等進(jìn)行計(jì)算和模擬仿真的軟件。通過Flash動畫演示，將工作介質(zhì)的流動方向、液壓控制閥閥芯的運(yùn)動等液壓元件的工作狀態(tài)，生動地展示出來，加深學(xué)生對液壓系統(tǒng)的理解。對于液壓系統(tǒng)回路，也可通過動畫形象生動地展示出來。在講解復(fù)雜的液壓回路時，可有效地演示各系統(tǒng)中各液壓元件的工作順序，便于分析液壓回路的功能。利用液壓仿真軟件，可對液壓系統(tǒng)進(jìn)行定量分析，液壓系統(tǒng)仿真軟件有FluidSIM、AMESim等，其中FluidSIM是一個專門用于液壓與氣壓傳動的教學(xué)軟件，軟件內(nèi)置有多種液壓元件及其實(shí)物圖，可通過設(shè)置液壓元件的工作參數(shù)來改變執(zhí)行元件的工作速度與壓力。

2 PLC控制液壓系統(tǒng)

PLC控制液壓系統(tǒng)可視化教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)其實(shí)是一個虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，一般由5部分構(gòu)成：虛擬液壓系統(tǒng)模塊、虛擬PLC模塊、虛擬操作臺模塊、通訊模塊和實(shí)驗(yàn)管理模塊。

（1）仿真圖形畫面的設(shè)計(jì)。通過Flash動畫制作軟件和三維設(shè)計(jì)軟件，可建立虛擬的二維和三維液壓系統(tǒng)動作模型。組態(tài)王軟件可根據(jù)虛擬PLC輸出的控制信號進(jìn)行動作的編程和調(diào)用，根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作原理和電氣控制的要求以及實(shí)際的電氣控制系統(tǒng)的接線圖，在組態(tài)王軟件的畫面開發(fā)系統(tǒng)可插入相應(yīng)的圖片、按鈕、管道和連線等，從而可建立出虛擬操作臺、虛擬液壓系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)管理模塊。

（2）PLC開發(fā)環(huán)境。以三菱PLC為例，三菱PLC的實(shí)現(xiàn)是依靠三菱PLC編程與仿真軟件GX Developer和GX Simulator。GX Developer是提供三菱PLC程序的圖形化編輯平臺，在GX Developer中可完成三菱系列PLC的編程、監(jiān)控、調(diào)試和維護(hù)等工作，支持梯形圖編程、指令表編程、SFC編程、ST和FB編程。GX Simulator是調(diào)用編寫好的PLC程序，實(shí)現(xiàn)程序的下載和虛擬PLC的模擬運(yùn)行。三菱PLC的編程較其它計(jì)算機(jī)語言，如C語言、JAVA語言、VB語言等，具有獨(dú)特的優(yōu)勢，其編程方式類似于圖形化的組合編程，功能模塊從庫中選出，通過各功能之間的聯(lián)系組合而成程序流程。PLC一般都集成有數(shù)據(jù)總線，如SPI、RS-232、IIC等，目的就是為了方便PLC與其它外設(shè)的直接連接，省去許多的附帶驅(qū)動硬件。虛擬PLC模塊與虛擬液壓系統(tǒng)模塊和虛擬操作臺模塊通過MX OPC Server進(jìn)行信號的傳輸。在MX OPC Configurator 中，通過建立虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通訊數(shù)據(jù)庫來連接虛擬PLC模塊和對虛擬PLC模塊的輸入、輸出變量進(jìn)行定義。實(shí)現(xiàn)MX OPC Server與組態(tài)王軟件的通訊，應(yīng)在組態(tài)王軟件的OPC服務(wù)器中選擇由MX OPC Server提供的Mitsubishi．MXOPC．1OPC服務(wù)器并在組態(tài)王軟件的數(shù)據(jù)詞典中建立相應(yīng)的變量，并與OPC服務(wù)器中虛擬PLC對應(yīng)的變量進(jìn)行連接，同時對變量的名稱、類型、連接設(shè)備、采集頻率和寄存器讀寫屬性等進(jìn)行設(shè)置。

3 結(jié)語

液壓傳動是工程機(jī)械設(shè)備中不可或缺的傳動方式之一，液壓系統(tǒng)的電氣控制所學(xué)習(xí)的內(nèi)容無法直觀體驗(yàn)到，學(xué)生難免感覺抽象、不易理解。液壓傳動系統(tǒng)可視化教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺有VISIO思維導(dǎo)圖可視化、基于透明液壓元件與三維造型軟件的教學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化、FLASH動畫可視化、液壓仿真軟件可視化和基于液壓實(shí)驗(yàn)室的開放式教學(xué)等。PLC控制液壓系統(tǒng)可視化教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，由虛擬液壓系統(tǒng)模塊、虛擬PLC模塊、虛擬操作臺模塊、通訊模塊和實(shí)驗(yàn)管理模塊5部分構(gòu)成，通過這5部分的相互通信、相互作用，實(shí)現(xiàn)PLC控制液壓系統(tǒng)的可視化過程。

[1]王健．能力培養(yǎng)導(dǎo)向下的液壓傳動教學(xué)方法研究與探索[J]．教育現(xiàn)代化,2017，(42):331-332．

[2]霍輝,史瑋．FluidSIM仿真軟件在氣液壓傳動教學(xué)中的應(yīng)用[J]．時代農(nóng)機(jī),2017，(05):195，197．