液压与气压传动开放实验研究

液压与气压传动作为三大动力传动方式之一，在机械类人才培养计划中占有非常重要的位置，国内各高校的机械工程及自动化、车辆工程和机电类专业都将“液压与气动技术”课程作为必修的专业基础课。
该门课程教学目的在于培养学生具有初步设计和应用液压与气动系统的能力，实践性很强。为了达到教学目标，必须要有一定数量实践课与理论课相结合。如何开展并完善液压与气压传动实践教学，如何培养学生的实践能力，提高实验教学质量，是“液压与气动技术”课程实践教学中的一个重要内容。
1 传统液压与气动技术实验教学存在的问题及开放实验的意义
实验教学是高等院校本科生教学环节的重要组成部分，是学生理论联系实际的一个重要途径。
目前“液压与气动技术”课程实验大多是验证性实验，在实验过程中，学生仅仅按照实验指导书中步骤进行操作，验证课堂中所讲授的理论知识及数据结果。由于实验部分不做考试要求，因此部分学生对实验课不够重视，实验前不做好准备，实验时对所用方案的构思和技巧基本没有进行过独立思考，实验后处理实验数据也不认真，并有互相抄袭实验报告的现象。验证性实验对于加强理解和掌握课堂中的理论知识非常重要，但是没有达到培养学生的主动性、创造性和科学思维方法的目的，对于学生实验能力和创新素质的培养没有起到作用。
开放实验教学与传统课程实验教学相比，不同之处主要在于学生在实验过程中有很强的自主性和灵活性，更加突出学生在实验中的主体地位，体现了以人为本的教育理念。开放实验中指导教师只提出开放实验项目题目，学生根据兴趣选择实验项目，进而自己查阅资料设计实验方案，经指导教师审阅后再安装调试、记录处理数据，最后提交实验报告。在这一过程中，学生独立思考，遇见问题主动查找资料，这一过程提高了学生的学习兴趣，加强了学生的实践能力，培养了学生创新意识和探索精神。
由于传统课程实验教学受实验学时的限制，并且大型仪器实验教学设备台套数较少，通常在实验时将学生5～7人分成一组，因此难免有一些学生没有时间独立完成实验内容。而开放实验在“内容、时间、仪器”方面开放的教学方式，使得学生能在不同时间进行不同的实验，这样不仅解决了大型仪器数量少和学生实验需求量大之间的矛盾，而且充分提高了实验场地和仪器设备的利用率，使得大型仪器设备资源最大限度地发挥效益。
2 液压与气压技术开放实验
在现代自动化工业工程中，液压与气压传动由于具有输出功率大、不受空间位置限制、易于实现自动控制等许多突出的优点，不仅应用于机床、工程机械、冶金机械、半导体制造、汽车生产线、食品加工、医药等领域，在航空航天、军工、核电、高端机器人等领域也有重要应用。在生产过程中，液压与气压技术常与继电器控制、单片机控制、PLC控制技术等计算机和微电子技术紧密结合，在搬运、送料、夹紧和定位、检测、清扫等工序实现工业自动化。因此，液压与气压传动实践教学内容要紧跟工业发展需要，开放实验项目要将多课程知识进行综合应用，锻炼学生分析问题、解决问题的能力。
2．1实验设备概述
近年来，在教育部“985”项目等专项经费支持下，我校引进先进的电液气传动与控制教学设备，例如博士力士乐TS－DS4液压教学系统、SMC气压传动教学系统以及AutomationStudio软件。这些实验装置实现了液压与气压传动与电子技术、PLC技术的综合集成，可进行单模块到全系统的综合实验。
2．1．1液压传动实验设备概述
博士力士乐TS－DS4液压教学系统是一套采用工业化标准的可移动教学实验平台，如图1所示。TS－DS4液压教学系统由1台液压动力站、2个带固定框架的网格板、1个集成式工具箱、1个玻璃量筒、1个软管挂架组成。另外还配有多条可快速插拔液压软管，保证了实验快速安全地进行。TS－DS4液压教学系统上配有电气支架，上嵌有电器单元，包含电源分配器单元，带有常开/常闭触点的开关单元、继电器单元、时间继电器单元、PID控制器单元等，这些电器单元用于控制电磁阀、比例阀等液压元件。TS－DS4液压教学系统配有种类齐全的液压元件，可以满足本科生实验需求。
2．1．2气压传动实验设备概述
SMC气压传动教学系统主要由动力源、实验台架、实验回路连接板、元件箱、电气控制模块等组成，如图2所示。动力源是静音空气压缩机，启动快，噪音小。实验台架底部有胶轮，可灵活移动。实验回路连接板用来插接气压元件。元件箱内有种类丰富的气压元件，可以满足本科生的实验要求。电气控制模块有直流24V电源单元、常开/常闭触点的按钮开关单元、PLC单元等。学生可以根据需要选择手动控制、电动控制和自动控制等不同控制方式。
2．1．3软件概述
AutomationStudio是一款用以进行液压/气压元件、回路设计以及电气控制系统设计的模拟仿真软件。该软件包括六大标准模块:液压设计模块、比例和伺服液压模块、气动设计模块、流体传动组件编辑模块、电气控制模块、可编程逻辑控制器梯形逻辑及数字电子模块，在模拟时所有模块可以交互使用，如图3所示。AutomationStudio可以允许用户创建模拟真实状况下运行的完整系统。使用者能够使用AutomationStudio作设计、资料编制、模拟以及演示各种技术回路，包括液压、气动、电路控制、可编程逻辑控制器(PLC)，顺序功能图以及其它多项技术。
在“液压与气动技术”开放实验教学中，学生使用该软件完成液压回路设计和电路控制回路设计。

图3 AutomationStudio软件界面
2．2实验项目示例
在工业生产线的末端，需要从输送带上提起工件并放在货盘内，提升动作通过一只液压缸完成。为缩短时间周期，需要动作序列完成得更快。由于工件的重量在不断变化，油缸提升时必须以明显较低的速度完成剩余行程，并且速度不依赖于负载的大小。返回行程则必须尽可能快地完成。指导教师根据该工业应用背景，设计了液压缸的快速/慢速控制实验，要求学生完成液压回路系统设计。
应用AutomationStudio软件完成该实验液压系统设计，如图4所示。该系统采用恒压变量叶片泵供油，一只二位四通电磁换向阀控制液压缸换向，利用另一只二位四通电磁换向阀控制活塞杆一侧的油液经流量控制阀流回油箱。通过控制流量控制阀，能改变液压缸伸出速度且不依赖于负载的大小，并且液压缸能以最高的速度完成返回行程。液压缸的动作循环是:快进—工进—快退。
(1)快进
按下启动按钮S2，电磁铁Y1得电，电磁换向阀3切换至左位。主油路的进油路:泵1→电磁换向阀3左位→液压缸下腔→电磁换向阀4右位→油箱。


(2)工进
快进到预定位置，液压缸的活塞杆接触到限位开关B1，电磁铁Y2得电，电磁换向阀4切换至左位。主油路的进油路:泵1→电磁换向阀3左位→液压缸下腔→流量控制阀5→油箱。
(3)快退
当液压缸以工进速度运动到一定位置时，液压缸的活塞杆接触到限位开关B2，电磁铁Y1、Y2失电，电磁换向阀3、4切换至右位。主油路的进油路:泵1→电磁换向阀3右位→电磁换向阀4右位→液压缸上腔→油箱。
应用AutomationStudio软件完成该实验电气接线系统设计，如图5所示。
2．3教学效果
目前已开设的开放综合实验有:
(1)液压缸的快速/慢速控制、使其不依赖于负载大小;
(2)压力机上液压缸工作系统回路设计及组装调试;
(3)饮料灌装机气压传动系统回路设计实验。
这3个综合性实验，学生从液压/气压系统设计、组装调试到验证其可行性均自主完成。这一过程中学生将理论与实践紧密结合，既锻炼了他们获取知识的能力，又培养了他们的实践动手能力。经过多个学期证明，学生容易接受且实验效果良好。

图4 辨识模型仿真与实验数据对比
3 结语
通过开设液压与气压传动综合性开放实验项目，补充扩展了“液压与气动技术”课程实验，满足了学生兴趣需求，激发了学生的学习主动性和实验兴趣，培养了学生实践动手能力。开放性实验提高了仪器设备的使用率，更加有效地发挥了实验室现有资源效益，实现资源共享，实验室得到可持续发展。