苗煒麗 琚愛云 杜明才

摘要：《液壓與氣動技術(shù)》課程以往都是采用理論與實(shí)訓(xùn)相結(jié)合的教學(xué)模式，學(xué)生在實(shí)訓(xùn)中出現(xiàn)液壓（氣壓）控制回路與電氣控制線路連接錯(cuò)誤及系統(tǒng)工作不協(xié)調(diào)的問題概率較高。本文基于FluidSIM仿真軟件實(shí)現(xiàn)課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過分析課程現(xiàn)狀及FluidSIM仿真的優(yōu)勢，重點(diǎn)研究FluidSIM仿真在搭建液壓（氣壓）控制回路中的應(yīng)用與實(shí)踐，加強(qiáng)學(xué)生對理論知識的理解，提升學(xué)生的實(shí)訓(xùn)能力及綜合應(yīng)用能力。

Abstract： The course of "Hydraulic and Pneumatic Technology" used to be a teaching mode that combined theory and practical training. In the practical training， students have a high probability of incorrect connection of hydraulic or pneumatic control circuit and electrical control circuit and incoordination of system work. This article is based on FluidSIM simulation software to realize the virtual simulation experiment teaching of the course. Through the analysis of the current situation of the course and the advantages of FluidSIM simulation， the focus is on the application and practice of FluidSIM simulation in building hydraulic or pneumatic control loop circuits， so as to strengthen students' understanding of theoretical knowledge and improve students Training ability and comprehensive application ability.

關(guān)鍵詞：FluidSIM仿真;液壓;氣壓;應(yīng)用;實(shí)踐

Key words： FluidSIM simulation;hydraulic;pneumatic;application;practice

中圖分類號：G712 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0247-04

0 ?引言

在我國職業(yè)教育大力發(fā)展與“互聯(lián)網(wǎng)+”的大背景下[1]，教學(xué)方式和手段日益豐富，如何更好地將其融入到課程教學(xué)中顯得尤為重要?！兑簤号c氣動技術(shù)》課程的傳統(tǒng)教學(xué)采用先理論后實(shí)訓(xùn)的的教學(xué)模式，學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過程中出現(xiàn)液壓（氣壓）控制回路與電氣控制線路連接錯(cuò)誤及系統(tǒng)工作不協(xié)調(diào)的問題概率較高。本文基于FluidSIM軟件實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生在實(shí)訓(xùn)任務(wù)前完成液壓（氣壓）控制回路的仿真，建立“先理論，后仿真，再實(shí)訓(xùn)”的教學(xué)模式，在一定程度上提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)也可以有效規(guī)避純實(shí)訓(xùn)過程中出現(xiàn)的問題，更大程度上加深學(xué)生對知識的理解，提高學(xué)生的實(shí)踐動手能力。

1 ?課程現(xiàn)狀分析

《液壓與氣動技術(shù)》課程是高職數(shù)控技術(shù)、模具設(shè)計(jì)與制造等機(jī)電類專業(yè)的一門重要的專業(yè)必修核心課程，也是專業(yè)性和實(shí)踐性較強(qiáng)的一門綜合性課程。以往的課程教學(xué)存在以下問題：

①理論化教學(xué)模式占據(jù)較大比重。教師仍以多媒體教學(xué)為主[2]，理論性要求較高，比如介紹液壓泵、液壓控制閥、液壓輔助裝置等知識點(diǎn)時(shí)，雖然課堂中加入了視頻、動畫的方式幫助學(xué)生針對相關(guān)知識點(diǎn)進(jìn)行直觀理解，但由于欠缺對實(shí)物及系統(tǒng)的實(shí)際操作，學(xué)生對知識點(diǎn)的理解仍存在盲區(qū)。同時(shí)，過分強(qiáng)調(diào)理論知識點(diǎn)會讓學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒，事倍功半。

②學(xué)生缺乏實(shí)際操作的機(jī)會，動手能力差，實(shí)踐能力弱。以往教學(xué)理論講解占比較重，比如液壓泵、液壓控制閥等元器件的拆裝，液壓系統(tǒng)的運(yùn)行等，純理論講解顯得很蒼白，學(xué)生動手實(shí)際參與的機(jī)會很少，導(dǎo)致學(xué)生理論與實(shí)踐相脫節(jié)，實(shí)際動手能力較差，工程實(shí)踐技能匱乏[3]。

根據(jù)我院以培養(yǎng)高素質(zhì)和高技能型人才為目標(biāo)的辦學(xué)宗旨，以及《液壓與氣動技術(shù)》的教學(xué)大綱與教學(xué)要求，結(jié)合我院學(xué)生的實(shí)際情況及實(shí)訓(xùn)設(shè)備情況，在《液壓與氣動技術(shù)》課程中采用FluidSIM仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)訓(xùn)相結(jié)合很有必要。

2 ?FluidSIM軟件概述

2.1 FluidSIM軟件簡介

FluidSIM軟件是用于液壓與氣動技術(shù)的教學(xué)軟件，由Paderborn大學(xué)、Festo Didactic GmbH & Co和Art Systems Software GmbH，Paderborn聯(lián)合開發(fā)研制。FluidSIM軟件符合DIN電氣—液壓回路圖繪制標(biāo)準(zhǔn)，且可對基于元件物理模型的回路圖進(jìn)行實(shí)際仿真，這樣就使回路圖繪制和相應(yīng)液壓系統(tǒng)仿真相一致[4]。該軟件分為FluidSIM-H液壓仿真和FluidSIM-P氣動仿真兩個(gè)模塊，它是一款集機(jī)電液一體化的綜合學(xué)科軟件，不僅具有強(qiáng)大的仿真功能而且還自帶豐富的學(xué)習(xí)庫[5]。

2.2 FluidSIM軟件優(yōu)勢

FluidSIM軟件不僅可以創(chuàng)建液壓回路圖，也可以創(chuàng)建電氣回路圖，而且可以通過標(biāo)簽建立電氣元件與液壓元件之間的聯(lián)系，使二者融為一體。仿真時(shí)可以自動檢測回路連接中的錯(cuò)誤，提醒學(xué)生進(jìn)行修改。仿真模式有連續(xù)仿真和單步仿真，學(xué)生可以通過連續(xù)仿真查看系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，通過單步仿真可以查看每個(gè)動作過程中每個(gè)元件的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。而且可以通過添加狀態(tài)圖可以實(shí)時(shí)查看仿真過程中每個(gè)元件的主要運(yùn)行參數(shù)比如壓力、速度、位置、流量等的變化，便于學(xué)生深刻理解每個(gè)元件的工作狀態(tài)及系統(tǒng)運(yùn)行原理。

在傳統(tǒng)的先理論后實(shí)訓(xùn)的基礎(chǔ)上引入FluidSIM仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，形成“先理論，后仿真，再實(shí)訓(xùn)”的教學(xué)模式。學(xué)生可以通過FluidSIM仿真軟件對液壓（氣壓）控制回路進(jìn)行搭建和仿真，快速實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)思路和理念，通過多媒體可以展示和表達(dá)自己的想法，展現(xiàn)創(chuàng)新和特色，樹立自信;通過仿真結(jié)果檢驗(yàn)所搭建回路的正確性并分析控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，依托實(shí)訓(xùn)平臺對搭建的液壓（氣壓）控制回路進(jìn)行實(shí)際操作，有效規(guī)避純實(shí)訓(xùn)過程中可能出現(xiàn)的管路錯(cuò)誤以及電氣回路與液壓（氣壓）回路的不協(xié)同工作的問題，提高實(shí)訓(xùn)的成功率。

3 ?FluidSIM仿真在課程中的應(yīng)用與實(shí)踐

根據(jù)高職《液壓與氣動技術(shù)》課程的教學(xué)大綱和教學(xué)要求，結(jié)合本院實(shí)訓(xùn)設(shè)備——THPYC-1A液壓傳動與PLC實(shí)訓(xùn)裝置建立本課程的實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書，共分為15個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，如表1所示。

在15個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目一是實(shí)訓(xùn)設(shè)備操作與安全方面的介紹，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目二是液壓系統(tǒng)的演示，教師通過系統(tǒng)的操作演示讓學(xué)生對液壓技術(shù)建立初步認(rèn)知，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目三與實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目四分別是齒輪泵與葉片泵的拆裝，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目十五是氣動實(shí)驗(yàn)演示，由教師先演示，后由學(xué)生自行完成，故學(xué)生需完成剩余10個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的FluidSIM仿真任務(wù)。實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目六是雙活塞桿液壓缸的特性實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)訓(xùn)室不具備相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)條件，只能進(jìn)行FluidSIM仿真。故學(xué)生需完成除實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目一、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目二、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目六以外的12個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的實(shí)際操作任務(wù)。由此可以看出通過FluidSIM仿真就可以克服實(shí)訓(xùn)室液壓（氣壓）元器件不足的缺點(diǎn)，讓學(xué)生通過仿真來模擬真實(shí)的實(shí)訓(xùn)并實(shí)現(xiàn)該特性實(shí)驗(yàn)。

以實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目十二換向回路實(shí)驗(yàn)為例分析FluidSIM仿真回路的搭建。換向回路實(shí)驗(yàn)采用行程開關(guān)控制的自動往復(fù)運(yùn)動回路，如圖1所示。在搭建液壓仿真回路時(shí)，通過在液壓缸上使用標(biāo)尺8，來準(zhǔn)確定位行程開關(guān)SQ1與SQ2。通過標(biāo)尺8來定義行程開關(guān)SQ2的位置為200mm，行程開關(guān)SQ1的位置為50mm。

3.1 采用三位四通換向閥的換向回路搭建

本回路采用三位四通換向閥的換向回路進(jìn)行仿真回路的搭建，換向閥采用中位機(jī)能為O型，P、A、B、T四個(gè)油口全部封閉時(shí)，液壓泵不卸荷，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保壓。

3.2 仿真回路采用元件列表

搭建仿真回路所采用的液壓與電氣元件如表2所示。

3.3 電氣原理圖設(shè)計(jì)

根據(jù)仿真回路，結(jié)合THPYC-1A液壓傳動與PLC實(shí)訓(xùn)裝置，學(xué)生設(shè)計(jì)出與仿真回路相匹配的電氣控制原理圖，如圖2所示。

3.4 回路原理描述

回路中，系統(tǒng)壓力由直動式溢流閥3進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。當(dāng)按下SB2按鈕，中間繼電器KZ1線圈通電，KZ1常開觸點(diǎn)閉合實(shí)現(xiàn)自鎖，三位四通電磁換向閥4的線圈Z1通電，換向閥4右位工作，此時(shí)油口P、A連通，油口B、T連通，液壓缸5左缸進(jìn)油，右缸回油，活塞桿向右運(yùn)動。當(dāng)活塞桿右行200mm觸碰到行程開關(guān)SQ2時(shí)，SQ2常開觸點(diǎn)閉合，中間繼電器KZ2線圈通電，KZ2常閉觸點(diǎn)斷開，Z1失電;KZ2常開觸點(diǎn)閉合實(shí)現(xiàn)自鎖，三位四通電磁換向閥4的線圈Z2通電，換向閥4左位工作，此時(shí)油口P、B連通，油口A、T連通，液壓缸5右缸進(jìn)油，左缸回油，活塞桿向左運(yùn)動。當(dāng)活塞桿左行至50mm處觸碰到行程開關(guān)SQ1時(shí)，SQ1常開觸點(diǎn)閉合，中間繼電器KZ3線圈通電，KZ3常開觸點(diǎn)閉合實(shí)現(xiàn)自鎖，中間繼電器KZ4線圈通電，KZ4常閉觸點(diǎn)斷開，Z2失電;KZ4常開觸點(diǎn)閉合，中間繼電器KZ1線圈通電，KZ1常開觸點(diǎn)閉合實(shí)現(xiàn)自鎖，三位四通電磁換向閥4的線圈Z1通電，換向閥4右位工作，此時(shí)油口P、A連通，油口B、T連通，液壓缸5左缸進(jìn)油，右缸回油，活塞桿向右運(yùn)動。周而復(fù)始進(jìn)行自動往復(fù)運(yùn)動，當(dāng)按下SB1按鈕時(shí)，系統(tǒng)控制回路斷開，液壓缸停止工作。

3.5 回路仿真圖

啟動仿真，按下SB2時(shí)，三位四通電磁換向閥4的線圈Z1得電，無桿腔進(jìn)油，有桿腔回油，液壓缸5活塞桿向右運(yùn)動，如圖3所示，活塞桿運(yùn)動速度為0.17m/s，系統(tǒng)壓力如壓力表顯示值為4.93MPa。當(dāng)活塞桿右行觸碰到行程開關(guān)SQ2時(shí)，Z1斷電，Z2得電，有桿腔進(jìn)油，無桿腔回油，液壓缸5活塞桿開始向左運(yùn)動，如圖4所示，活塞桿運(yùn)動速度為0.27m/s，系統(tǒng)壓力如壓力表顯示值為14.51MPa。當(dāng)活塞桿左行觸碰到行程開關(guān)SQ1時(shí)，Z2斷電，Z1得電，無桿腔進(jìn)油，有桿腔回油，液壓缸5活塞桿開始向右運(yùn)動，如圖5所示。重復(fù)進(jìn)行以上過程。

由此可以看出，有桿腔進(jìn)油時(shí)活塞桿的運(yùn)動速度比無桿腔進(jìn)油時(shí)要高，系統(tǒng)壓力比無桿腔進(jìn)油時(shí)也要高，通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論知識。學(xué)生可以直觀地觀察到液壓缸活塞桿的運(yùn)動參數(shù)從而理解系統(tǒng)回路的工作原理。

3.6 元件狀態(tài)圖

在啟動仿真前，可以在狀態(tài)圖中添加液壓缸5。啟動仿真后，點(diǎn)擊按鈕開關(guān)SB2得到液壓缸5的狀態(tài)圖，如圖6所示，橫軸代表時(shí)間（s），縱軸代表位移（mm）。

通過圖5液壓缸的位移曲線圖，可以分析出液壓缸5的最大行程為200mm，即行程開關(guān)SQ2的位置。Z1得電時(shí)，液壓缸活塞桿向右運(yùn)動不斷伸出，達(dá)到最大行程200mm處就會觸碰行程開關(guān)SQ2，使Z1斷電，Z2得電，液壓缸活塞桿向左運(yùn)動不斷退回，行程逐漸縮小至50mm處就會觸碰行程開關(guān)SQ1，使Z2斷電，Z1得電，液壓缸活塞桿向右運(yùn)動不斷伸出，達(dá)到最大行程200mm，周而復(fù)始此過程。通過圖5的曲線也可以分析出活塞桿退回時(shí)的曲線斜率較活塞桿伸出時(shí)的曲線斜率大，從而證明活塞桿退回時(shí)的運(yùn)動速度較活塞桿伸出時(shí)要快，更加驗(yàn)證仿真過程中速度值的變化規(guī)律。

3.7 回路的特點(diǎn)及應(yīng)用

采用行程開關(guān)控制的自動往復(fù)運(yùn)動回路換向位置準(zhǔn)確，動作可靠，并且容易調(diào)整行程大小。但采用電磁換向閥的換向時(shí)間短，會產(chǎn)生換向沖擊，因而適用于小流量、換向頻率較低的場合。

通過在課程中應(yīng)用FluidSIM仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，很大程度上加深了學(xué)生對回路原理的理解，多數(shù)學(xué)生都能一次性完成實(shí)訓(xùn)回路與電氣控制線路的連接，成功率較高，學(xué)生的積極性和主動性有所提高。隨著對系統(tǒng)回路及實(shí)訓(xùn)設(shè)備的熟悉，在保證成功率的前提下還能提高時(shí)間效率。

4 ?結(jié)語

采用FluidSIM仿真與實(shí)訓(xùn)相結(jié)合形成“先理論，后仿真，再實(shí)訓(xùn)”的教學(xué)模式，通過FluidSIM仿真模擬液壓（氣壓）控制回路的連接和運(yùn)行與實(shí)際搭建液壓（氣壓）控制回路相結(jié)合，于學(xué)生而言，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，讓學(xué)習(xí)過程變得更靈活，比如學(xué)生可以通過仿真與實(shí)訓(xùn)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)與液壓元器件的零距離接觸，搭建系統(tǒng)、拆裝元器件、運(yùn)行系統(tǒng)，全方位地加強(qiáng)學(xué)生的理論基礎(chǔ)和實(shí)際動手能力，提升學(xué)生的職業(yè)素質(zhì)和能力，為學(xué)生頂崗實(shí)習(xí)和就業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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