液壓與氣壓傳動開放實驗研究

液壓與氣壓傳動作為三大動力傳動方式之一，在機械類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化、車輛工程和機電類專業都將“液壓與氣動技術”課程作為必修的專業基礎課。
該門課程教學目的在于培養學生具有初步設計和應用液壓與氣動系統的能力，實踐性很強。為了達到教學目標，必須要有一定數量實踐課與理論課相結合。如何開展并完善液壓與氣壓傳動實踐教學，如何培養學生的實踐能力，提高實驗教學質量，是“液壓與氣動技術”課程實踐教學中的一個重要內容。
1 傳統液壓與氣動技術實驗教學存在的問題及開放實驗的意義
實驗教學是高等院校本科生教學環節的重要組成部分，是學生理論聯系實際的一個重要途徑。
目前“液壓與氣動技術”課程實驗大多是驗證性實驗，在實驗過程中，學生僅僅按照實驗指導書中步驟進行操作，驗證課堂中所講授的理論知識及數據結果。由于實驗部分不做考試要求，因此部分學生對實驗課不夠重視，實驗前不做好準備，實驗時對所用方案的構思和技巧基本沒有進行過獨立思考，實驗后處理實驗數據也不認真，并有互相抄襲實驗報告的現象。驗證性實驗對于加強理解和掌握課堂中的理論知識非常重要，但是沒有達到培養學生的主動性、創造性和科學思維方法的目的，對于學生實驗能力和創新素質的培養沒有起到作用。
開放實驗教學與傳統課程實驗教學相比，不同之處主要在于學生在實驗過程中有很強的自主性和靈活性，更加突出學生在實驗中的主體地位，體現了以人為本的教育理念。開放實驗中指導教師只提出開放實驗項目題目，學生根據興趣選擇實驗項目，進而自己查閱資料設計實驗方案，經指導教師審閱后再安裝調試、記錄處理數據，后提交實驗報告。在這一過程中，學生獨立思考，遇見問題主動查找資料，這一過程提高了學生的學習興趣，加強了學生的實踐能力，培養了學生創新意識和探索精神。
由于傳統課程實驗教學受實驗學時的限制，并且大型儀器實驗教學設備臺套數較少，通常在實驗時將學生5～7人分成一組，因此難免有一些學生沒有時間獨立完成實驗內容。而開放實驗在“內容、時間、儀器”方面開放的教學方式，使得學生能在不同時間進行不同的實驗，這樣不僅解決了大型儀器數量少和學生實驗需求量大之間的矛盾，而且充分提高了實驗場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揮效益。
2 液壓與氣壓技術開放實驗
在現代自動化工業工程中，液壓與氣壓傳動由于具有輸出功率大、不受空間位置限制、易于實現自動控制等許多突出的優點，不僅應用于機床、工程機械、冶金機械、半導體制造、汽車生產線、食品加工、醫藥等領域，在航空航天、軍工、核電、機器人等領域也有重要應用。在生產過程中，液壓與氣壓技術常與繼電器控制、單片機控制、PLC控制技術等計算機和微電子技術緊密結合，在搬運、送料、夾緊和定位、檢測、清掃等工序實現工業自動化。因此，液壓與氣壓傳動實踐教學內容要緊跟工業發展需要，開放實驗項目要將多課程知識進行綜合應用，鍛煉學生分析問題、解決問題的能力。
2．1實驗設備概述
近年來，在教育部“985”項目等專項經費支持下，我校引進先進的電液氣傳動與控制教學設備，例如博士力士樂TS－DS4液壓教學系統、SMC氣壓傳動教學系統以及AutomationStudio軟件。這些實驗裝置實現了液壓與氣壓傳動與電子技術、PLC技術的綜合集成，可進行單模塊到全系統的綜合實驗。
2．1．1液壓傳動實驗設備概述
博士力士樂TS－DS4液壓教學系統是一套采用工業化標準的可移動教學實驗平臺，如圖1所示。TS－DS4液壓教學系統由1臺液壓動力站、2個帶固定框架的網格板、1個集成式工具箱、1個玻璃量筒、1個軟管掛架組成。另外還配有多條可快速插拔液壓軟管，保證了實驗快速安全地進行。TS－DS4液壓教學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/常閉觸點的開關單元、繼電器單元、時間繼電器單元、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液壓教學系統配有種類齊全的液壓元件，可以滿足本科生實驗需求。
2．1．2氣壓傳動實驗設備概述
SMC氣壓傳動教學系統主要由動力源、實驗臺架、實驗回路連接板、元件箱、電氣控制模塊等組成，如圖2所示。動力源是靜音空氣壓縮機，啟動快，噪音小。實驗臺架底部有膠輪，可靈活移動。實驗回路連接板用來插接氣壓元件。元件箱內有種類豐富的氣壓元件，可以滿足本科生的實驗要求。電氣控制模塊有直流24V電源單元、常開/常閉觸點的按鈕開關單元、PLC單元等。學生可以根據需要選擇手動控制、電動控制和自動控制等不同控制方式。
2．1．3軟件概述
AutomationStudio是一款用以進行液壓/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、氣動設計模塊、流體傳動組件編輯模塊、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，在模擬時所有模塊可以交互使用，如圖3所示。AutomationStudio可以允許用戶創建模擬真實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回路，包括液壓、氣動、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。
在“液壓與氣動技術”開放實驗教學中，學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實驗項目示例
在工業生產線的末端，需要從輸送帶上提起工件并放在貨盤內，提升動作通過一只液壓缸完成。為縮短時間周期，需要動作序列完成得更快。由于工件的重量在不斷變化，油缸提升時必須以明顯較低的速度完成剩余行程，并且速度不依賴于負載的大小。返回行程則必須盡可能快地完成。指導教師根據該工業應用背景，設計了液壓缸的快速/慢速控制實驗，要求學生完成液壓回路系統設計。
應用AutomationStudio軟件完成該實驗液壓系統設計，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流量控制閥流回油箱。通過控制流量控制閥，能改變液壓缸伸出速度且不依賴于負載的大小，并且液壓缸能以高的速度完成返回行程。液壓缸的動作循環是:快進—工進—快退。
(1)快進
按下啟動按鈕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
快進到預定位置，液壓缸的活塞桿接觸到限位開關B1，電磁鐵Y2得電，電磁換向閥4切換至左位。主油路的進油路: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
當液壓缸以工進速度運動到一定位置時，液壓缸的活塞桿接觸到限位開關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軟件完成該實驗電氣接線系統設計，如圖5所示。
2．3教學效果
目前已開設的開放綜合實驗有:
(1)液壓缸的快速/慢速控制、使其不依賴于負載大小;
(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系統回路設計實驗。
這3個綜合性實驗，學生從液壓/氣壓系統設計、組裝調試到驗證其可行性均自主完成。這一過程中學生將理論與實踐緊密結合，既鍛煉了他們獲取知識的能力，又培養了他們的實踐動手能力。經過多個學期證明，學生容易接受且實驗效果良好。

圖4 辨識模型仿真與實驗數據對比
3 結語
通過開設液壓與氣壓傳動綜合性開放實驗項目，補充擴展了“液壓與氣動技術”課程實驗，滿足了學生興趣需求，激發了學生的學習主動性和實驗興趣，培養了學生實踐動手能力。開放性實驗提高了儀器設備的使用率，更加有效地發揮了實驗室現有資源效益，實現資源共享，實驗室得到可持續發展。