◆彭 鶴 劉 永 宋 強(qiáng)

(中國石油大學(xué)〈北京〉機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院)

機(jī)電專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用

◆彭 鶴 劉 永 宋 強(qiáng)

(中國石油大學(xué)〈北京〉機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院)

簡述虛擬仿真系統(tǒng)在機(jī)電專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，以液壓傳動與控制、可編程邏輯控制器原理與應(yīng)用、數(shù)控技術(shù)等課程為例，介紹了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在機(jī)電專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中如何被設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的作用日益顯著，并取得了良好的教學(xué)效果。

虛擬仿真 機(jī)電課程 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

一、引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育培養(yǎng)學(xué)生獲取專業(yè)知識和技能的必要環(huán)節(jié)，隨著計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)和仿真技術(shù)在教育中的發(fā)展和應(yīng)用，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的地位日益凸顯。尤其在機(jī)電類專業(yè)中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的限制，在液壓、數(shù)控等專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮了重要的作用。

二、虛擬仿真系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢

機(jī)電專業(yè)課程集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、信息等多學(xué)科的交叉綜合。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)時，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備種類繁多、占地面積較大，由于實(shí)驗(yàn)室空間限制，單種設(shè)備往往數(shù)量比較少，學(xué)生想要動手實(shí)驗(yàn)需要分組輪流使用，實(shí)驗(yàn)設(shè)備因使用頻繁元件極易損壞，更新?lián)Q代緩慢，操作也比較復(fù)雜。為了彌補(bǔ)這些不足，我們通過虛擬仿真技術(shù)輔助完成實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是通過軟件操作來模擬實(shí)驗(yàn)過程，得出仿真結(jié)果。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有以下優(yōu)勢：

1.節(jié)省實(shí)驗(yàn)資源，降低實(shí)驗(yàn)成本。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通常只需要計(jì)算機(jī)就能進(jìn)行，同一計(jì)算機(jī)可以完成不同課程多個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的虛擬仿真。因此，能夠替代或者減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備，節(jié)省場地資源。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不需要耗材，相對于專用的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，硬件設(shè)備出現(xiàn)故障和損壞的幾率更小，極大地降低了實(shí)驗(yàn)的成本。

2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更加靈活。實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)物實(shí)驗(yàn)設(shè)備一般都具有體積大、易損壞、種類少等問題。將虛擬仿真軟件應(yīng)用于機(jī)電專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來了極大的方便。使用虛擬仿真軟件，學(xué)生可以根據(jù)自己的想法，設(shè)計(jì)自己所需要的實(shí)驗(yàn)壞境、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，并以此為基礎(chǔ)，完成整個實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證自己想法的正確性。

3.安全性高。學(xué)生在沒有熟練掌握操作流程的情況下，實(shí)際操作很容易產(chǎn)生人機(jī)傷害。比如，在數(shù)控機(jī)床加工中，錯誤的操作可能會造成電機(jī)損傷、刀具折斷甚至異物飛出，這樣就給實(shí)驗(yàn)室?guī)砹藰O大的安全隱患。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以避免上述問題，虛擬的設(shè)備不會對人機(jī)造成任何傷害。虛擬系統(tǒng)會自動提示錯誤的操作，學(xué)生在實(shí)際操作前通過虛擬過程直觀的了解了一些操作上的注意事項(xiàng)，在一定程度上指導(dǎo)了實(shí)際操作，規(guī)范了實(shí)際操作流程。

三、虛擬仿真系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

(一)液壓傳動與控制

1.液壓課程及仿真軟件概述。液壓傳動與控制是研究以有壓液體為能源介質(zhì)實(shí)現(xiàn)各種機(jī)械傳動與控制的學(xué)科。研究液壓傳動及其控制技術(shù)，就必須了解液壓系統(tǒng)的工作原理、工作特點(diǎn)。但是僅僅通過課程理論學(xué)習(xí)對液壓系統(tǒng)的了解具有很大的局限性，我們需要通過實(shí)驗(yàn)來分析驗(yàn)證液壓系統(tǒng)和元件的工作特性。因此，液壓傳動與控制是一門與實(shí)驗(yàn)結(jié)合較為緊密的課程。

目前，我校有兩套FESTO公司的液壓電液壓實(shí)驗(yàn)平臺，每年約有120名學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)設(shè)備，將虛擬仿真技術(shù)引入課程，開設(shè)了液壓泵的性能實(shí)驗(yàn)、節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)室以液壓分析軟件為平臺，采用FluidSIM軟件進(jìn)行虛擬仿真，對仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后通過分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)臺操作，驗(yàn)證仿真得到的結(jié)果，從而提高了實(shí)驗(yàn)效率。

2.液壓仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)例。節(jié)流調(diào)速回路的基本功能是在三位四通換向閥的不同狀態(tài)下，雙作用液壓缸做往復(fù)運(yùn)動，調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開口度，觀察雙作用液壓缸的運(yùn)動速度，記錄數(shù)據(jù)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理來驗(yàn)證理論知識的正確性。利用FLUID-H軟件和FESTO電液實(shí)驗(yàn)臺模擬液壓系統(tǒng)，具體步驟如下：

(1)通過FULID-H軟件構(gòu)建液壓回路圖。如圖1所示，該回路為進(jìn)油路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)中需要用到的液壓元件有：雙作用液壓缸、壓力表、液壓源、三位四通換向閥。采用虛擬仿真軟件操作，能夠方便的改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，實(shí)驗(yàn)效率高。

(2)運(yùn)行仿真系統(tǒng)。通過調(diào)節(jié)可調(diào)單向節(jié)流閥的開口度和液壓缸的負(fù)載力，來分析在不同開口度、不同負(fù)載的情況下，液壓缸的運(yùn)動速度變化，記錄仿真結(jié)果。將仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成節(jié)流調(diào)速回路特性曲線如圖2所示，仿真結(jié)果與理論結(jié)果一致。

(3)在FESTO實(shí)物平臺上搭建液壓回路。參考液壓仿真回路的設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)臺上搭建實(shí)物回路，驗(yàn)證仿真結(jié)果。

(二)可編程邏輯控制器原理與應(yīng)用

1.PLC課程及虛擬組態(tài)軟件概述?？删幊炭刂破?簡稱PLC)作為工業(yè)自動化三大支柱之一，其應(yīng)用幾乎覆蓋了所有工業(yè)企業(yè)，是工業(yè)現(xiàn)代化的一個重要標(biāo)志。《可編程控制器原理及應(yīng)用》課程面向我校機(jī)械本科生，是一門實(shí)用性、工程性和綜合性都很強(qiáng)的課程，課程目的在于使學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握順序控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，掌握設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用技術(shù)，以適應(yīng)工業(yè)技術(shù)發(fā)展的狀況和社會需要。通過實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生的動手能力、分析問題解決問題的能力，加深對課程學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解。

使用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)PLC虛擬控制系統(tǒng)時。首先，了解需要實(shí)現(xiàn)的控制目標(biāo)，然后通過變量設(shè)置，虛擬界面設(shè)計(jì)，動畫設(shè)置，命令語言編寫等來完成系統(tǒng)開發(fā)，這些工作主要由教師來開發(fā)。學(xué)生在熟悉面板和I/O分配的基礎(chǔ)上，進(jìn)行PLC指令編寫，最終完成控制目標(biāo)。虛擬系統(tǒng)可以通過動畫效果展現(xiàn)實(shí)際工程動作，學(xué)生更加直觀的了解PLC指令編寫及運(yùn)行產(chǎn)生的效果。

2.PLC虛擬控制實(shí)驗(yàn)實(shí)例。以水塔水位自動控制系統(tǒng)為例，水塔水位自動控制系統(tǒng)的基本功能是對水塔和水池中的水位進(jìn)行檢測，通過檢測到的水位數(shù)據(jù)，做出相應(yīng)的反應(yīng)。要求學(xué)生通過PLC編程控制閥門1、閥門2和水泵的運(yùn)行，其中水位的變化和水的流動通過組態(tài)軟件編程和動畫設(shè)置實(shí)現(xiàn)。

虛擬仿真系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)步驟如下：

(1)上位機(jī)與PLC建立通訊。我校實(shí)驗(yàn)室采用松下FP∑系列PLC，通過RS232串口，選擇合適的通訊設(shè)置，即可實(shí)現(xiàn)虛擬軟件與PLC的實(shí)時通訊。

(2)設(shè)計(jì)圖形界面。水塔水位控制的實(shí)驗(yàn)面板如圖所示，面板元素及變量包括水塔、水塔水位、水罐、水罐水位、水塔出水口、水罐進(jìn)水口、從水罐向水塔抽水的電機(jī)及水管、開關(guān)按鈕等。

(3)變量定義及IO地址分配；

(4)畫面屬性命令語言的編寫；

(5)編寫PLC程序指令并下載到PLC中；

(6)運(yùn)行調(diào)試。

系統(tǒng)運(yùn)行以后，畫面中能夠清楚的顯示水塔水位、水池水位的變化，管道內(nèi)水的流動，指示燈隨著水位的變化顯示不同的顏色等效果，逼近實(shí)際工程效果。

(三)數(shù)控技術(shù)

1.數(shù)控技術(shù)與YHCNC軟件概述。近幾年來，數(shù)控機(jī)床在工業(yè)生產(chǎn)中的使用越來越普遍，數(shù)控技術(shù)也成為機(jī)械類專業(yè)學(xué)生必須要學(xué)習(xí)的課程之一，但是直接用昂貴的數(shù)控加工中心進(jìn)行學(xué)習(xí)很難實(shí)現(xiàn)，為了滿足教學(xué)使用的需要，數(shù)控機(jī)床的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展，具有重要的理論意義和實(shí)際價值。

我?，F(xiàn)有YHCNC數(shù)控仿真系統(tǒng)十套，每年滿足100多個學(xué)生的學(xué)習(xí)使用。YHCNC數(shù)控仿真系統(tǒng)可進(jìn)行數(shù)控編程和加工仿真，具有很強(qiáng)的三維仿真功能，它是由三個窗口組成，每一個窗口分別執(zhí)行獨(dú)立的操作，并可以像實(shí)際機(jī)床一樣在三個窗口之間相互交換信號。學(xué)生能夠通過仿真任意設(shè)置工件尺寸、選擇刀具，機(jī)床在切削運(yùn)動過程中會有故障報(bào)警功能(碰撞、超程等)，學(xué)生可以通過這些功能了解機(jī)床操作中可能會遇到的故障問題。軟件采用對話框來簡化刀具和功能的設(shè)置，切削路徑和刀偏路徑可以同時顯示，通過編程輸入將命令傳給虛擬機(jī)床加工工件，并實(shí)時顯示程序路徑和三維工件圖形。

2.數(shù)控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)例。以齒輪加工為例，數(shù)控虛擬仿真操作步驟如下：

(1)在使用虛擬仿真之前，先將需要加工的模型程序?qū)懙轿谋疚臋n中，并以NC文件格式保存，在使用虛擬仿真系統(tǒng)時，先將程序文件導(dǎo)入，作為加工程序待用。

(2)根據(jù)需要加工的模型的尺寸大小，設(shè)置合適的毛坯工件的尺寸，然后根據(jù)加工件的特性，選擇使用合適的刀具。

(3)對刀，選擇合適的加工原點(diǎn)，為下面的機(jī)床加工做準(zhǔn)備

(4)系統(tǒng)開始運(yùn)行。

(5)虛擬仿真順利完成以后，根據(jù)虛擬操作流程，進(jìn)行實(shí)際機(jī)床加工實(shí)驗(yàn)。

數(shù)控虛擬仿真機(jī)床的操作流程與實(shí)際機(jī)床的操作幾乎一致，這樣既達(dá)到了讓學(xué)生熟悉機(jī)床操作的效果，也讓學(xué)生了解了虛擬仿真的應(yīng)用，并且能夠根據(jù)自己的愛好，設(shè)計(jì)出自己想要的模型，并實(shí)現(xiàn)加工完成。

四、機(jī)電專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)體系的構(gòu)建

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的飛速發(fā)展,我校機(jī)電專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的比重越來越大，除了應(yīng)用于上述專業(yè)課程，在課程設(shè)計(jì)和部分畢業(yè)設(shè)計(jì)中都使用了的虛擬仿真系統(tǒng)。但對比于部分高校，我校機(jī)電專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)還處在落后階段。一方面，虛擬仿真系統(tǒng)在機(jī)械基礎(chǔ)、機(jī)械制造等專業(yè)基礎(chǔ)課程，以及機(jī)器人、汽車等專業(yè)特色課程中的應(yīng)用還比較少，另一方面，現(xiàn)有的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開放性程度還不夠。本著提高學(xué)生學(xué)習(xí)能力，豐富教學(xué)內(nèi)容的原則，我校在現(xiàn)有一定數(shù)量虛擬仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，正不斷發(fā)展，為學(xué)生提供更多優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)資源和平臺。

五、結(jié)語

將虛擬仿真技術(shù)引入到機(jī)電專業(yè)教學(xué)中，可以促進(jìn)教學(xué)方法的現(xiàn)代化和教學(xué)手段的多樣化，讓學(xué)生自主構(gòu)建虛擬場景，激發(fā)學(xué)生的積極性和創(chuàng)新思維。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，不但豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，而且使學(xué)生通過人機(jī)交互的方式獲得逼真的體驗(yàn)，從中享受到學(xué)習(xí)的樂趣，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生分析問題的能力、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力和設(shè)計(jì)效率?？梢灶A(yù)見，把虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于機(jī)電類專業(yè)課程教學(xué)，是教學(xué)發(fā)展的必然趨勢，也為實(shí)驗(yàn)室的開放提供了一種行之有效的解決方案。虛擬仿真技術(shù)會不斷發(fā)展，也會不斷推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。

近年來，我校在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)中不斷引入和增加各類虛擬仿真平臺，逐步建立機(jī)電液綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，極大的豐富了教學(xué)內(nèi)容，提高了教學(xué)效率。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成為實(shí)踐教學(xué)和研究中的有利工具，激發(fā)了學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)主動性，提高了學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問題的能力，取得了理想的教學(xué)效果。

我校正積極發(fā)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)，為學(xué)習(xí)實(shí)踐環(huán)節(jié)提供了極大的便利，相信在不斷地探索與發(fā)展中，虛擬仿真系統(tǒng)建設(shè)將日趨完善，為我校師生教學(xué)實(shí)踐活動提供更多地支持。

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