機電專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)應(yīng)用-教育文檔

1、機電專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)應(yīng)用一、引言實驗教學(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)，隨著計算機虛擬技術(shù)和仿真技術(shù)在教育中的發(fā)展和應(yīng)用，虛擬仿真實驗的地位日益凸顯。尤其在機電類專業(yè)中，虛擬仿真實驗突破傳統(tǒng)實驗的限制，在液壓、數(shù)控等專業(yè)課程的實驗教學(xué)中發(fā)揮了重要的作用。二、虛擬仿真系統(tǒng)在實驗教學(xué)中的優(yōu)勢機電專業(yè)課程集機械、電子、控制、計算機、信息等多學(xué)科的交叉綜合。在實際實驗時，傳統(tǒng)實驗教學(xué)中用到的實驗設(shè)備種類繁多、占地面積較大，由于實驗室空間限制，單種設(shè)備往往數(shù)量比較少，學(xué)生想要動手實驗需要分組輪流使用，實驗設(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。為了彌補這些不足，我們

2、通過虛擬仿真技術(shù)輔助完成實驗。虛擬仿真實驗是通過軟件操作來模擬實驗過程，得出仿真結(jié)果。與傳統(tǒng)實驗相比，虛擬仿真實驗具有以下優(yōu)勢：1. 節(jié)省實驗資源，降低實驗成本。虛擬仿真實驗通常只需要計算機就能進行，同一計算機可以完成不同課程多個實驗項目的虛擬仿真。因此，能夠替代或者減少實驗設(shè)備，節(jié)省場地資源。此外，虛擬仿真實驗不需要耗材，相對于專用的實驗儀器設(shè)備，硬件設(shè)備出現(xiàn)故障和損壞的幾率更小，極大地降低了實驗的成本。2. 實驗內(nèi)容更加靈活。實際應(yīng)用中的實物實驗設(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)用于機電專業(yè)教學(xué)實驗中，給學(xué)生的學(xué)習帶來了極大的方便。使用虛擬仿真軟件，學(xué)生可以根據(jù)自

3、己的想法，設(shè)計自己所需要的實驗壞境、實驗?zāi)康?，并以此為基礎(chǔ)，完成整個實驗，驗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，實際操作很容易產(chǎn)生人機傷害。比如，在數(shù)控機床加工中，錯誤的操作可能會造成電機損傷、刀具折斷甚至異物飛出，這樣就給實驗室?guī)砹藰O大的安全隱患。虛擬仿真實驗可以避免上述問題，虛擬的設(shè)備不會對人機造成任何傷害。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，在一定程度上指導(dǎo)了實際操作，規(guī)范了實際操作流程。三、虛擬仿真系統(tǒng)在實驗教學(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

4、壓液體為能源介質(zhì)實現(xiàn)各種機械傳動與控制的學(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。但是僅僅通過課程理論學(xué)習對液壓系統(tǒng)的了解具有很大的局限性，我們需要通過實驗來分析驗證液壓系統(tǒng)和元件的工作特性。因此，液壓傳動與控制是一門與實驗結(jié)合較為緊密的課程。目前，我校有兩套FESTC司的液壓電液壓實驗平臺，每年約有120名學(xué)生進行實驗。實驗室利用現(xiàn)有的計算機設(shè)備，將虛擬仿真技術(shù)引入課程，開設(shè)了液壓泵的性能實驗、節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)實驗等項目。實驗室以液壓分析軟件為平臺，采用FluidSIM軟件進行虛擬仿真，對仿真得到的數(shù)據(jù)進行分析處理，然后通過分組進行實驗臺操作，驗證仿真得到的結(jié)果，從

5、而提高了實驗效率。2. 液壓仿真實驗實例。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)運動，調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開口度，觀察雙作用液壓缸的運動速度，記錄數(shù)據(jù)，通過實驗數(shù)據(jù)處理來驗證理論知識的正確性。利用FLUID-H軟件和FESTO電液實驗臺模擬液壓系統(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，該回路為進油路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，實驗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，能夠方便的改變實驗參數(shù)，實驗效率高。(2) 運行仿真系統(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載力，來分析在不同開口度、不

6、同負載的情況下，液壓缸的運動速度變化，記錄仿真結(jié)果。將仿真得到的數(shù)據(jù)進行處理，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)果致。(3) 在FESTOS物平臺上搭建液壓回路。參考液壓仿真回路的設(shè)計，在實驗臺上搭建實物回路，驗證仿真結(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?？删幊炭刂破鳎ê喎QPLQ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)代化的一個重要標志?？删幊炭刂破髟砑皯?yīng)用課程面向我校機械本科生，是一門實用性、工程性和綜合性都很強的課程，課程目的在于使學(xué)生學(xué)習和掌握順序控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，掌握設(shè)計原理與應(yīng)用技術(shù)，以適應(yīng)工業(yè)技術(shù)發(fā)

7、展的狀況和社會需要。通過實驗提高學(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)習內(nèi)容的理解。使用組態(tài)軟件設(shè)計PLC虛擬控制系統(tǒng)時。首先，了解需要實現(xiàn)的控制目標，然后通過變量設(shè)置，虛擬界面設(shè)計，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，進彳了PLC指令編寫，最終完成控制目標。虛擬系統(tǒng)可以通過動畫效果展現(xiàn)實際工程動作，學(xué)生更加直觀的了解PLC指令編寫及運行產(chǎn)生的效果。2. PLC虛擬控制實驗實例。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

8、過PLC編程控制閥門1、閥門2和水泵的運行，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)置實現(xiàn)。虛擬仿真系統(tǒng)主要設(shè)計步驟如下：(1) 上位機與PLC建立通訊。我校實驗室采用松下FPE系列PLC,通過RS232串口，選擇合適的通訊設(shè)置，即可實現(xiàn)虛擬軟件與PLC的實時通訊。(2)設(shè)計圖形界面。水塔水位控制的實驗面板如圖所示，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、水罐進水口、從水罐向水塔抽水的電機及水管、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) 運行調(diào)試。系統(tǒng)運行以后，畫面中能夠清楚的顯

9、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，逼近實際工程效果。(三) 數(shù)控技術(shù)1. 數(shù)控技術(shù)與YHCN毓件概述。近幾年來，數(shù)控機床在工業(yè)生產(chǎn)中的使用越來越普遍，數(shù)控技術(shù)也成為機械類專業(yè)學(xué)生必須要學(xué)習的課程之一，但是直接用昂貴的數(shù)控加工中心進行學(xué)習很難實現(xiàn)，為了滿足教學(xué)使用的需要，數(shù)控機床的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展，具有重要的理論意義和實際價值。我校現(xiàn)有YHCN敏控仿真系統(tǒng)十套，每年滿足100多個學(xué)生的學(xué)習使用。YHCN敏控仿真系統(tǒng)可進行數(shù)控編程和加工仿真，具有很強的三維仿真功能，它是由三個窗口組成，每一個窗口分別執(zhí)行獨立的操作，并可以像實際機床一樣在三個

10、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，機床在切削運動過程中會有故障報警功能(碰撞、超程等)，學(xué)生可以通過這些功能了解機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床加工工件，并實時顯示程序路徑和三維工件圖形這里是一個圖片。2. 數(shù)控虛擬仿真實驗實例。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

11、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，為下面的機床加工做準備(4) 系統(tǒng)開始運行。(5) 虛擬仿真順利完成以后，根據(jù)虛擬操作流程，進行實際機床加工實驗。數(shù)控虛擬仿真機床的操作流程與實際機床的操作幾乎一致，這樣既達到了讓學(xué)生熟悉機床操作的效果，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)計出自己想要的模型,并實現(xiàn)加工完成。四、機電專業(yè)虛擬仿真實驗體系的構(gòu)建隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，我校機電專業(yè)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的虛擬仿真實驗的比重越來越大，除了應(yīng)用于上述專業(yè)課程，在課程設(shè)計和部分畢業(yè)設(shè)計中都使用了的虛擬仿真系統(tǒng)。

12、但對比于部分高校，我校機電專業(yè)虛擬仿真實驗室建設(shè)還處在落后階段。一方面，虛擬仿真系統(tǒng)在機械基礎(chǔ)、機械制造等專業(yè)基礎(chǔ)課程，以及機器人、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)有的虛擬仿真實驗開放性程度還不夠。本著提高學(xué)生學(xué)習能力，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)秀的實驗資源和平臺。五、結(jié)語將虛擬仿真技術(shù)引入到機電專業(yè)教學(xué)中，可以促進教學(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，彌補了傳統(tǒng)實驗的不足，不但豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容，而且使學(xué)生通過人機交互的方式獲得逼真的體驗，從中享受到學(xué)習的樂趣，變被動學(xué)習為主動學(xué)習，提高了學(xué)生分析問題的能力、設(shè)計實驗的能力和設(shè)計效率?？梢灶A(yù)見，把虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于機電類專業(yè)課程教學(xué)，是教學(xué)發(fā)展的必然趨勢，也為實驗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，也會不斷推進實驗室的發(fā)展和實驗教學(xué)改革。近年來，我校在實驗實踐教學(xué)中不斷引入