液壓與氣壓傳動(dòng)開(kāi)放實(shí)驗研究

液壓與氣壓傳動(dòng)作為三大動(dòng)力傳動(dòng)方式之一，在機械類(lèi)人才培養計劃中占有非常重要的位置，國內各高校的機械工程及自動(dòng)化、車(chē)輛工程和機電類(lèi)專(zhuān)業(yè)都將“液壓與氣動(dòng)技術(shù)”課程作為必修的專(zhuān)業(yè)基礎課。
該門(mén)課程教學(xué)目的在于培養學(xué)生具有初步設計和應用液壓與氣動(dòng)系統的能力，實(shí)踐性很強。為了達到教學(xué)目標，必須要有一定數量實(shí)踐課與理論課相結合。如何開(kāi)展并完善液壓與氣壓傳動(dòng)實(shí)踐教學(xué)，如何培養學(xué)生的實(shí)踐能力，提高實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量，是“液壓與氣動(dòng)技術(shù)”課程實(shí)踐教學(xué)中的一個(gè)重要內容。
1 傳統液壓與氣動(dòng)技術(shù)實(shí)驗教學(xué)存在的問(wèn)題及開(kāi)放實(shí)驗的意義
實(shí)驗教學(xué)是高等院校本科生教學(xué)環(huán)節的重要組成部分，是學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的一個(gè)重要途徑。
目前“液壓與氣動(dòng)技術(shù)”課程實(shí)驗大多是驗證性實(shí)驗，在實(shí)驗過(guò)程中，學(xué)生僅僅按照實(shí)驗指導書(shū)中步驟進(jìn)行操作，驗證課堂中所講授的理論知識及數據結果。由于實(shí)驗部分不做考試要求，因此部分學(xué)生對實(shí)驗課不夠重視，實(shí)驗前不做好準備，實(shí)驗時(shí)對所用方案的構思和技巧基本沒(méi)有進(jìn)行過(guò)獨立思考，實(shí)驗后處理實(shí)驗數據也不認真，并有互相抄襲實(shí)驗報告的現象。驗證性實(shí)驗對于加強理解和掌握課堂中的理論知識非常重要，但是沒(méi)有達到培養學(xué)生的主動(dòng)性、創(chuàng )造性和科學(xué)思維方法的目的，對于學(xué)生實(shí)驗能力和創(chuàng )新素質(zhì)的培養沒(méi)有起到作用。
開(kāi)放實(shí)驗教學(xué)與傳統課程實(shí)驗教學(xué)相比，不同之處主要在于學(xué)生在實(shí)驗過(guò)程中有很強的自主性和靈活性，更加突出學(xué)生在實(shí)驗中的主體地位，體現了以人為本的教育理念。開(kāi)放實(shí)驗中指導教師只提出開(kāi)放實(shí)驗項目題目，學(xué)生根據興趣選擇實(shí)驗項目，進(jìn)而自己查閱資料設計實(shí)驗方案，經(jīng)指導教師審閱后再安裝調試、記錄處理數據，后提交實(shí)驗報告。在這一過(guò)程中，學(xué)生獨立思考，遇見(jiàn)問(wèn)題主動(dòng)查找資料，這一過(guò)程提高了學(xué)生的學(xué)習興趣，加強了學(xué)生的實(shí)踐能力，培養了學(xué)生創(chuàng )新意識和探索精神。
由于傳統課程實(shí)驗教學(xué)受實(shí)驗學(xué)時(shí)的限制，并且大型儀器實(shí)驗教學(xué)設備臺套數較少，通常在實(shí)驗時(shí)將學(xué)生5～7人分成一組，因此難免有一些學(xué)生沒(méi)有時(shí)間獨立完成實(shí)驗內容。而開(kāi)放實(shí)驗在“內容、時(shí)間、儀器”方面開(kāi)放的教學(xué)方式，使得學(xué)生能在不同時(shí)間進(jìn)行不同的實(shí)驗，這樣不僅解決了大型儀器數量少和學(xué)生實(shí)驗需求量大之間的矛盾，而且充分提高了實(shí)驗場(chǎng)地和儀器設備的利用率，使得大型儀器設備資源大限度地發(fā)揮效益。
2 液壓與氣壓技術(shù)開(kāi)放實(shí)驗
在現代自動(dòng)化工業(yè)工程中，液壓與氣壓傳動(dòng)由于具有輸出功率大、不受空間位置限制、易于實(shí)現自動(dòng)控制等許多突出的優(yōu)點(diǎn)，不僅應用于機床、工程機械、冶金機械、半導體制造、汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)、食品加工、醫藥等領(lǐng)域，在航空航天、軍工、核電、機器人等領(lǐng)域也有重要應用。在生產(chǎn)過(guò)程中，液壓與氣壓技術(shù)常與繼電器控制、單片機控制、PLC控制技術(shù)等計算機和微電子技術(shù)緊密結合，在搬運、送料、夾緊和定位、檢測、清掃等工序實(shí)現工業(yè)自動(dòng)化。因此，液壓與氣壓傳動(dòng)實(shí)踐教學(xué)內容要緊跟工業(yè)發(fā)展需要，開(kāi)放實(shí)驗項目要將多課程知識進(jìn)行綜合應用，鍛煉學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。
2．1實(shí)驗設備概述
近年來(lái)，在教育部“985”項目等專(zhuān)項經(jīng)費支持下，我校引進(jìn)先進(jìn)的電液氣傳動(dòng)與控制教學(xué)設備，例如博士力士樂(lè )TS－DS4液壓教學(xué)系統、SMC氣壓傳動(dòng)教學(xué)系統以及AutomationStudio軟件。這些實(shí)驗裝置實(shí)現了液壓與氣壓傳動(dòng)與電子技術(shù)、PLC技術(shù)的綜合集成，可進(jìn)行單模塊到全系統的綜合實(shí)驗。
2．1．1液壓傳動(dòng)實(shí)驗設備概述
博士力士樂(lè )TS－DS4液壓教學(xué)系統是一套采用工業(yè)化標準的可移動(dòng)教學(xué)實(shí)驗平臺，如圖1所示。TS－DS4液壓教學(xué)系統由1臺液壓動(dòng)力站、2個(gè)帶固定框架的網(wǎng)格板、1個(gè)集成式工具箱、1個(gè)玻璃量筒、1個(gè)軟管掛架組成。另外還配有多條可快速插拔液壓軟管，保證了實(shí)驗快速安全地進(jìn)行。TS－DS4液壓教學(xué)系統上配有電氣支架，上嵌有電器單元，包含電源分配器單元，帶有常開(kāi)/常閉觸點(diǎn)的開(kāi)關(guān)單元、繼電器單元、時(shí)間繼電器單元、PID控制器單元等，這些電器單元用于控制電磁閥、比例閥等液壓元件。TS－DS4液壓教學(xué)系統配有種類(lèi)齊全的液壓元件，可以滿(mǎn)足本科生實(shí)驗需求。
2．1．2氣壓傳動(dòng)實(shí)驗設備概述
SMC氣壓傳動(dòng)教學(xué)系統主要由動(dòng)力源、實(shí)驗臺架、實(shí)驗回路連接板、元件箱、電氣控制模塊等組成，如圖2所示。動(dòng)力源是靜音空氣壓縮機，啟動(dòng)快，噪音小。實(shí)驗臺架底部有膠輪，可靈活移動(dòng)。實(shí)驗回路連接板用來(lái)插接氣壓元件。元件箱內有種類(lèi)豐富的氣壓元件，可以滿(mǎn)足本科生的實(shí)驗要求。電氣控制模塊有直流24V電源單元、常開(kāi)/常閉觸點(diǎn)的按鈕開(kāi)關(guān)單元、PLC單元等。學(xué)生可以根據需要選擇手動(dòng)控制、電動(dòng)控制和自動(dòng)控制等不同控制方式。
2．1．3軟件概述
AutomationStudio是一款用以進(jìn)行液壓/氣壓元件、回路設計以及電氣控制系統設計的模擬仿真軟件。該軟件包括六大標準模塊:液壓設計模塊、比例和伺服液壓模塊、氣動(dòng)設計模塊、流體傳動(dòng)組件編輯模塊、電氣控制模塊、可編程邏輯控制器梯形邏輯及數字電子模塊，在模擬時(shí)所有模塊可以交互使用，如圖3所示。AutomationStudio可以允許用戶(hù)創(chuàng )建模擬真實(shí)狀況下運行的完整系統。使用者能夠使用AutomationStudio作設計、資料編制、模擬以及演示各種技術(shù)回路，包括液壓、氣動(dòng)、電路控制、可編程邏輯控制器(PLC)，順序功能圖以及其它多項技術(shù)。
在“液壓與氣動(dòng)技術(shù)”開(kāi)放實(shí)驗教學(xué)中，學(xué)生使用該軟件完成液壓回路設計和電路控制回路設計。

圖3 AutomationStudio軟件界面
2．2實(shí)驗項目示例
在工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)的末端，需要從輸送帶上提起工件并放在貨盤(pán)內，提升動(dòng)作通過(guò)一只液壓缸完成。為縮短時(shí)間周期，需要動(dòng)作序列完成得更快。由于工件的重量在不斷變化，油缸提升時(shí)必須以明顯較低的速度完成剩余行程，并且速度不依賴(lài)于負載的大小。返回行程則必須盡可能快地完成。指導教師根據該工業(yè)應用背景，設計了液壓缸的快速/慢速控制實(shí)驗，要求學(xué)生完成液壓回路系統設計。
應用AutomationStudio軟件完成該實(shí)驗液壓系統設計，如圖4所示。該系統采用恒壓變量葉片泵供油，一只二位四通電磁換向閥控制液壓缸換向，利用另一只二位四通電磁換向閥控制活塞桿一側的油液經(jīng)流量控制閥流回油箱。通過(guò)控制流量控制閥，能改變液壓缸伸出速度且不依賴(lài)于負載的大小，并且液壓缸能以高的速度完成返回行程。液壓缸的動(dòng)作循環(huán)是:快進(jìn)—工進(jìn)—快退。
(1)快進(jìn)
按下啟動(dòng)按鈕S2，電磁鐵Y1得電，電磁換向閥3切換至左位。主油路的進(jìn)油路:泵1→電磁換向閥3左位→液壓缸下腔→電磁換向閥4右位→油箱。


(2)工進(jìn)
快進(jìn)到預定位置，液壓缸的活塞桿接觸到限位開(kāi)關(guān)B1，電磁鐵Y2得電，電磁換向閥4切換至左位。主油路的進(jìn)油路:泵1→電磁換向閥3左位→液壓缸下腔→流量控制閥5→油箱。
(3)快退
當液壓缸以工進(jìn)速度運動(dòng)到一定位置時(shí)，液壓缸的活塞桿接觸到限位開(kāi)關(guān)B2，電磁鐵Y1、Y2失電，電磁換向閥3、4切換至右位。主油路的進(jìn)油路:泵1→電磁換向閥3右位→電磁換向閥4右位→液壓缸上腔→油箱。
應用AutomationStudio軟件完成該實(shí)驗電氣接線(xiàn)系統設計，如圖5所示。
2．3教學(xué)效果
目前已開(kāi)設的開(kāi)放綜合實(shí)驗有:
(1)液壓缸的快速/慢速控制、使其不依賴(lài)于負載大小;
(2)壓力機上液壓缸工作系統回路設計及組裝調試;
(3)飲料灌裝機氣壓傳動(dòng)系統回路設計實(shí)驗。
這3個(gè)綜合性實(shí)驗，學(xué)生從液壓/氣壓系統設計、組裝調試到驗證其可行性均自主完成。這一過(guò)程中學(xué)生將理論與實(shí)踐緊密結合，既鍛煉了他們獲取知識的能力，又培養了他們的實(shí)踐動(dòng)手能力。經(jīng)過(guò)多個(gè)學(xué)期證明，學(xué)生容易接受且實(shí)驗效果良好。

圖4 辨識模型仿真與實(shí)驗數據對比
3 結語(yǔ)
通過(guò)開(kāi)設液壓與氣壓傳動(dòng)綜合性開(kāi)放實(shí)驗項目，補充擴展了“液壓與氣動(dòng)技術(shù)”課程實(shí)驗，滿(mǎn)足了學(xué)生興趣需求，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習主動(dòng)性和實(shí)驗興趣，培養了學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力。開(kāi)放性實(shí)驗提高了儀器設備的使用率，更加有效地發(fā)揮了實(shí)驗室現有資源效益，實(shí)現資源共享，實(shí)驗室得到可持續發(fā)展。