基于虚拟仪器的液压实验教学系统开发
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摘 要 随着虚拟仿真技术与教育教学的不断融合，传统的应用实践类课程授课方式正在发生变革。为了弥补传统液压实验教学的不足，探索利用虚擬仿真技术开发一套液压实验教学系统，学生可先通过虚拟的液压实验熟悉液压元件和回路，从而保障在实际实验中的安全性并提高液压传动课程的教学质量。
关键词 虚拟仪器;液压传动;实验教学;液压实验教学系统;Photoshop;LabVIEW
中图分类号：TP391.9 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2020）08-0047-03
Abstract With the increasing combination of virtual simulation tech-nology and education and teaching， the traditional teaching methods of applied practice courses are changing. In order to make up for the shortcomings of traditional hydraulic experiment teaching， this paper explores the use of virtual simulation technology to develop a set of hydraulic experiment teaching system. Students can first get familiar with hydraulic components and circuits through virtual hydraulic experiment， so as to ensure the safety of students in the actual experi-ment and improve the teaching quality of hydraulic transmission course.
Key words virtual instrument; hydraulic transmission; experimental teaching; hydraulic experiment teaching system; Photoshop; LabVIEW
1 引言
在高校理工科专业教学中，实验教学起着至关重要的作用。然而，传统的实验教学存在实验仪器设备价格昂贵、实验过程存在安全隐患、实验教学模式相对滞后等问题[1]。利用虚拟仿真技术构建虚拟的实验环境、仪器设备、实验对象和实验信息资源等，可以有效地解决上述实验教学中的问题，使学生获得接近现实的学习体验，有力地推动实验教学模式的改革[2]。
液压传动课程是机械制造类专业开设的一门实践性较强的专业课程，课程中所涉及的液压实验多是让学生在实际液压实训台上操作液压元器件并组成液压回路。在实际授课中存在以下缺陷：
一是安全性方面，学生仅凭教师的讲解直接去连接液压回路并进行实验，可能会因不正确操作而导致安全问题;
二是教学效果方面，一般学校设备的台套数有限，需分几组线性进行，学生没有经过虚拟操作情况而直接进行实验，会导致每组实验耗时过长，无法保证每个学生的动手操作时间，实训教学达不到理想的效果。
因此，对液压传动课程的教学改革实践，可以考虑利用现有的计算机机房引入虚拟仿真技术，对各种液压实验的基本回路功能进行模拟仿真，从而激发学生的学习兴趣并提高学习效率[3]。
为满足学校液压传动课程实验教学的需要，本文尝试利用虚拟仪器开发一套反映真实实验效果、满足学生交互实验演示、涵盖液压理论学习的液压实验教学系统[4]，系统设计根据液压具体实验项目选择液压元件、搭建系统回路、实现动态演示。该系统的使用，在解决学生因不正确操作而导致的安全性问题和提高教学效率方面发挥了很好的作用。
2 系统总体设计
从切实解决本校液压实验相关教学问题出发，确定系统总体设计思路如下：
1）采用真实液压元件搭建回路，让学生有直观的液压实验感受;
2）实验项目满足学校液压传动课程教学大纲要求，包含20个实验项目及若干子项目;
3）每个实验设计有完整的实验流程，能说明实验目的、实验原理与实验内容;
4）有较强的交互性，学生可操作相关按钮、按键实现液压传动回路的演示和控制，如通过鼠标调节节流阀旋钮，控制液压缸伸缩速度等;
5）具有开放性，可根据液压传动课程教学需要，扩充新增实验项目。
为充分考虑系统应用的易用性，液压实验教学系统由三级界面构成，分别是用户登录界面、实验选择界面与实验操作界面。
3 系统的技术实现
液压实验教学系统登录后如图1所示，系统采用美国国家仪器（NI）公司研制的虚拟仪器（LabVIEW）作为主要开发平台，辅以Photoshop作为液压元件纹理处理软件。根据系统功能需要，开发流程如图2所示。
1）液压元件纹理处理。将专业相机拍摄的液压元件图导入Photoshop进行纹理抠图、对比度分析及透明等技术处理，保存为LabVIEW支持的纹理图。
2）回路搭建、程序编写。LabVIEW是一种图形化的编程语言开发环境，平台本身带有大量可直接应用的工业控件，同时支持自定义控件的开发。系统回路搭建时为满足系统的逼真度及交互性，需对按钮及灯组合控件、液压缸、节流阀、手动换向阀等液压元件进行自定义开发，之后按照真实的液压原理图进行液压系统回路搭建，最后通过编程实现液压回路的仿真作动。 3）系统发布。采用二次发布的形式，将发布完成的各实验项目集成于同一发布程序，统一发布成EXE客戶端形式。
4 采用顺序阀的平衡回路实验设计
以采用顺序阀的平衡回路为例，说明实验开发过程。
实验原理 平衡回路的功能是使执行元件的回油路上具有一定的背压值，以平衡重力载荷，防止运动部件因自重而自行下落。图3所示为顺序阀的平衡回路，当系统提供压力，按下SB2按钮，三位四通电磁阀YV2通电时，压力油经过三位四通电磁换向阀进入液压缸上腔，下腔油液压力经过先导式顺序阀，先导式顺序阀内的单向阀不导通，到达先导式顺序阀调节的压力时，压力油经过三位四通电磁换向阀流回油箱，活塞下降比较平稳;按下SB1按钮，三位四通电磁阀YV1通电，压力油经过三位四通电磁换向阀进入先导式顺序阀，先导式顺序阀内的单向阀导通，压力油进入液压缸下腔，上腔油液经过三位四通电磁换向阀流回油箱，活塞上升;三位四通电磁阀YV1、YV2都失电时，电磁阀处在原位M型阀，液压缸锁紧，液压泵卸荷。
实验设计实现
1）液压元件开发。首先将专业相机拍摄的液压元件图导入Photoshop进行编辑，编辑完成后导出为LabVIEW支持的透明png纹理格式;之后对导入LabVIEW的部分液压元件进行自定义开发。LabVIEW带有大量工业控件，在本实验中，液压管路和液压缸均可以通过“滑动杆”控件进行自定义开发。通过定义滑动杆的属性，即可改变其为液压管路的显示状态;通过自定义滑动杆的滑块为活塞杆，即可实现液压缸的形式。改变开发效果如图4所示。
2）回路搭建。根据本液压实验原理图，通过创建多个液压管路并进行连接，可实现液压泵至各个液压阀及液压缸的回路搭建，如图5所示。
3）程序编写。程序中可利用循环结构实现液压管路中流体的连续及间断运动，利用条件结构实现液压阀的换向。以液压缸伸出的程序为例，如图6所示。
4）程序测试。点击SB2按钮，三位四通电磁阀YV2通电时，压力油经过三位四通电磁换向阀进入液压缸上腔，下腔油液压力经过先导式顺序阀，先导式顺序阀内的单向阀不导通，到达先导式顺序阀调节的压力时，压力油经过三位四通电磁换向阀流回油箱，活塞下降比较平稳，如图7所示。
实验项目发布 在平台项目浏览器的程序生成规范中新建应用程序（EXE），选中项目vi，将顶层vi添加到启动vi栏中，其他子vi和文件可以添加到始终包括栏中，设置好生成路径后点击发布即可。
5 结语
将液压实验教学系统应用于液压传动课程教学中，将原始的“理论授课+实际操作”教学模式转变为“理论授课+虚拟实验+实际操作”教学模式，待学生真正在虚拟实验中熟悉了液压元件的功用及液压回路的搭接方式后，再进入实验室进行实际操作，可以很好地杜绝学生因不正确操作而导致的安全问题，同时大大提高实验室利用率，提高液压传动课程的教学质量。
参考文献
[1]白秀娟.高校传统实验教学模式改革的必要性[J].高校实验室工作研究，2018（2）：11-12.
[2]万桂怡，崔建军，张振果.高校虚拟实验平台的设计及实践[J].实验室研究与探索，2011，30（3）：386-389.
[3]林雪冬.基于虚拟仿真技术的液压与气动技术课程的教学改革实践研究[J].科技资讯，2019，17（21）：97-98，101.
[4]郭联金，王国胜.基于FluidSIM软件的液压与气动教学模式研究[J].实验室科学，2014，17（1）：4-7.
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