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FluidSIM在液压与气压传动课程多媒体教学中的应用

摘要:介绍了德国Festo公司FluidSIM软件的CAD和电气-液压(气压)回路仿真功能。结合实例说明了FuidSIM软件在液压与气压传动课程多媒体教学中的应用。通过让学生在课堂上听讲或课后实际操作的方式参与到液压与气压传动回路设计和仿真的整个过程,激发学生的学习兴趣,提高学习效果。
前言:
《液压与气压传动》课程是机械类专业一门重要的专业基础课,但是液压与气压传动元件结构复杂,系统过程抽象,在教学中如何让静止、抽象的内容转变为主动形象的知识,加深学生对内容的理解和掌握,一直是这门课程教学的难题之一。以往的教学主要采用粉笔加挂图的方式,随着计算机技术应用于教学中,老师们逐渐开始用多媒体课件及图片和影像的方式来展现液压元件和液压回路的工作过程。这些方式在一定程度上提高了学生的学习兴趣,但是这些多媒体课件都是老师在上课前预先做好的,在课堂上学生是被动的接受,能不能采用一种更主动的方式,让老师和学生共同参与设计并仿真一些回路呢?笔者应用Festo公司的FluidSIM软件进行回路设计与仿真教学,提高了学生的学习兴趣和学习效果。
1 FuidSIM软件介绍:
FluidSIM软件是由德国Festo公司 Didactic 教学部门和Paderborn大学联合开发,是专门用于
液压与气压传动的教学软件,FuidSIM软件分两个软件,其中FluidSIM-H用于液压传动教学,而FluidSIM-P用于气压传动教学。
FluidSIM软件的主要特征是:
(1)CAD功能和仿真功能紧密联系在一起。FluidSIM软件符合DIN电气—液压(气压)回路图绘制标准,CAD功能是专门针对流体而专门设计的,例如在绘图过程中,FluidSIM软件将检查各元件之间的连接是否可行。最重要的是可对基于元件物理模型的回路图进行实际仿真,并有元件的状态图显示,这样就使回路图绘制和相应液压(气压)系统仿真相一致,从而能够在设计完回路后,验证设计的正确性,并演示回路的动作过程。
(2)系统学习的概念。FluidSIM软件可用于自学和教学。液压(气压)元件可以通过文本说明、图形以及介绍其工作原理的动画来描述;各种练习和教学影片则讲授了重要回路和液压(气压)元件的使用方法。
(3)可设计和
液压气动回路相配套的电气控制回路。弥补了以前液压与气压教学中,学生只见液压(气压)回路不见电气回路,从而不明白各种开关和阀门动作过程的弊病。电气-液压(气压)回路设计与仿真同时进行,可以提高学生对电气动、电液压的认识和实际应用能力。
FluidSIM软件用户界面直观,采用类似画图软件似的图形操作界面,拖拉图标进行设计,面向对象设置参数,易于学习,用户可以很快地学会绘制电气—液压(气压)回路图,并对其进行仿真。
2、FuidSIM软件在液压与气压传动课程多媒体教学中的应用:
2.1 设计和仿真液压(气压)回路:
由于FluidSIM-H和 FluidSIM-P用户界面完全一致,操作类似,因此以FluidSIM-H软件为例来介绍。先看一下它的主界面,
我们可以看到界面非常直观,元件库在左半部分,设计界面在右半部分,我们可以直接用鼠标从左边的元件库中拖拉液压元件放在右边的设计区进行设计,回路可以课前设计,也可在课堂上现场设计。界面上已经设计了一个液压回路,图中黑色线条为油管,主要液压元件为溢流阀(设计工作压力为5Mpa)、手动三位四通换向阀、卸荷阀(设计工作压力2Mpa)、单作用
液压缸、液压源(额定流量2l/min)和三个压力表,在设计的回路图旁边有一个状态图,显示单作用缸和卸荷阀的状态,那么我们现在点击界面上部的黑色三角型仿真按钮进行仿真,并用鼠标点动换向阀到左位,回路仿真过程中动态截屏。
从图中我们看到,深红色的线条为压力油,浅褐色线条为常压油,手动换向阀在左位,液压源压力超过卸荷阀的工作压力2Mpa,卸荷阀打开,液压油流入液压缸的左腔,液压缸的活塞杆目前已经运动到缸的最右端,速度为零,此时溢流阀也已经打开实现溢流定压,三个压力表显示的压力分别为:进油腔压力5Mpa,回油腔压力0Mpa,液压源压力和溢流阀进口压力5Mpa。在回路右边的单双作用缸和换向阀的状态图中已经清晰的显示出单作用缸的工作行程和时间的关系,换向阀阀位和时间的关系。
   我们可以在任何过程中,暂停仿真过程,查看各个元件的状态和参数,如鼠标右键点击液压源和溢流阀符号,在右键菜单中选择“属性”,则显示对应元件当前的压力和流量参数,
通过这个回路的运动仿真和元件状态的实时显示,能够清晰的反映各元件在回路的各个运动阶段的工作过程,加深学生对元件和回路原理的理解。
2.2 系统的补充液压知识:
软件本身自带和液压传动有关的元件说明、插图、图片和影像,如我们右键点击上图的三位五通换向阀,在右键菜单中选择“图片”,则可显示此元件的图片,如图4;在右键菜单中选择“插图”,则显示此元件的插图,如图5;在右键菜单中选择“元件说明”,则显示此元件的技术说明,如图6。
此软件有配套的教学录像光碟,点击“教学”菜单选择“教学影片”,就可在讲课过程中播放配有中文讲解的教学录像,如图7。这样可以让学生在学习回路设计的基础上,进一步系统的学习液压传动的基础知识。
   2.3设计电气控制回路:
FuidSIM-H软件有丰富的电控元件供选择,如:24V电源正负极、各种主令开关、接近开关、继电器线圈、各种触点等,能够设计和液压传动回路配套的电气控制回路,并能同时进行电气和液压的回路仿真。
笔者设计了一个电控的双作用液压缸往复动作回路,仿真图如图7所示。
笔者设计了两个点动开关SA1和SA2,由它们控制两个继电器KA1和KA2,通过继电器KA1和KA2的常开触点来控制电磁阀Y1和Y2的通断,进而控制电磁换向阀的阀位,使气路转换,实现液压缸活塞杆的前伸和回缩。若电气控制回路和液压回路设计完毕,可立刻进行联合仿真。如果电气回路不符合电气原理,软件会自动提示,仿真中断。笔者在给那些需要加强电子液压和电子气动知识的专业的学生(如:机电一体化技术专业和数控技术专业)讲课时,设计回路前先给学生补充电控的知识,或者在课堂和习题课上现场设计电气和液压回路,或者从网上下载免费的试用版软件,让学生复制回去在宿舍中利用自己的计算机进行设计,使学生进行电气和液压的综合训练,提高学生机电液综合应用能力。
  在连续三届学生的
液压与气压传动理论教学中,尝试使用FuidSIM软件辅助教学。在指导液压回路课程设计时,用电脑演示各个学生的设计结果,现场分析优劣,对学生的思路有很大启发。
从学院网络教学平台上学生对液压与气压传动教学评价中,可以看到大部分学生都认为采用FuidSIM软件教学直观生动,教学内容易接受,学习效果好。

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