机电专业虚拟仿真实验教学应用

彭鹤 刘永 宋强

摘要：简述虚拟仿真系统在机电专业课程实验教学中的应用，以液压传动与控制、可编程逻辑控制器原理与应用、数控技术等课程为例，介绍了虚拟仿真实验在机电专业实验教学中如何被设计和实现的，虚拟仿真实验在实践教学环节中的作用日益显著，并取得了良好的教学效果。

关键词：虚拟仿真 机电课程 实验教学

一、引言

实验教学是高等教育培养学生获取专业知识和技能的必要环节，随着计算机虚拟技术和仿真技术在教育中的发展和应用，虚拟仿真实验的地位日益凸显。尤其在机电类专业中，虚拟仿真实验突破传统实验的限制，在液压、数控等专业课程的实验教学中发挥了重要的作用。

二、虚拟仿真系统在实验教学中的优势

机电专业课程集机械、电子、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合。在实际实验时，传统实验教学中用到的实验设备种类繁多、占地面积较大，由于实验室空间限制，单种设备往往数量比较少，学生想要动手实验需要分组轮流使用，实验设备因使用频繁元件极易损坏，更新换代缓慢，操作也比较复杂。为了弥补这些不足，我们通过虚拟仿真技术辅助完成实验。虚拟仿真实验是通过软件操作来模拟实验过程，得出仿真结果。与传统实验相比，虚拟仿真实验具有以下优势：

1.节省实验资源，降低实验成本。虚拟仿真实验通常只需要计算机就能进行，同一计算机可以完成不同课程多个实验项目的虚拟仿真。因此，能够替代或者减少实验设备，节省场地资源。此外，虚拟仿真实验不需要耗材，相对于专用的实验仪器设备，硬件设备出现故障和损坏的几率更小，极大地降低了实验的成本。

2.实验内容更加灵活。实际应用中的实物实验设备一般都具有体积大、易损坏、种类少等问题。将虚拟仿真软件应用于机电专业教学实验中，给学生的学习带来了极大的方便。使用虚拟仿真软件，学生可以根据自己的想法，设计自己所需要的实验坏境、实验目的，并以此为基础，完成整个实验，验证自己想法的正确性。

3.安全性高。学生在没有熟练掌握操作流程的情况下，实际操作很容易产生人机伤害。比如，在数控机床加工中，错误的操作可能会造成电机损伤、刀具折断甚至异物飞出，这样就给实验室带来了极大的安全隐患。虚拟仿真实验可以避免上述问题，虚拟的设备不会对人机造成任何伤害。虚拟系统会自动提示错误的操作，学生在实际操作前通过虚拟过程直观的了解了一些操作上的注意事项，在一定程度上指导了实际操作，规范了实际操作流程。

三、虚拟仿真系统在实验教学中的应用

（一）液压传动与控制

1.液压课程及仿真软件概述。液压传动与控制是研究以有压液体为能源介质实现各种机械传动与控制的学科。研究液压传动及其控制技术，就必须了解液压系统的工作原理、工作特点。但是仅仅通过课程理论学习对液压系统的了解具有很大的局限性，我们需要通过实验来分析验证液压系统和元件的工作特性。因此，液压传动与控制是一门与实验结合较为紧密的课程。

目前，我校有两套FESTO公司的液压电液压实验平台，每年约有120名学生进行实验。实验室利用现有的计算机设备，将虚拟仿真技术引入课程，开设了液压泵的性能实验、节流调速系统实验等项目。实验室以液压分析软件为平台，采用FluidSIM软件进行虚拟仿真，对仿真得到的数据进行分析处理，然后通过分组进行实验台操作，验证仿真得到的结果，从而提高了实验效率。

2.液压仿真实验实例。节流调速回路的基本功能是在三位四通换向阀的不同状态下，双作用液压缸做往复运动，调节节流阀的开口度，观察双作用液压缸的运动速度，记录数据，通过实验数据处理来验证理论知识的正确性。利用FLUID-H软件和FESTO电液实验台模拟液压系统，具体步骤如下：

（1）通过FULID-H软件构建液压回路图。如图1所示，该回路为进油路节流调速系统，实验中需要用到的液压元件有：双作用液压缸、压力表、液压源、三位四通换向阀。采用虚拟仿真软件操作，能够方便的改变实验参数，实验效率高。

（2）运行仿真系统。通过调节可调单向节流阀的开口度和液压缸的负载力，来分析在不同开口度、不同负载的情况下，液压缸的运动速度变化，记录仿真结果。将仿真得到的数据进行处理，生成节流调速回路特性曲线如图2所示，仿真结果与理论结果一致。

（3）在FESTO实物平台上搭建液压回路。参考液压仿真回路的设计，在实验台上搭建实物回路，验证仿真结果。

（二）可编程逻辑控制器原理与应用

1.PLC课程及虚拟组态软件概述。可编程控制器（简称PLC）作为工业自动化三大支柱之一，其应用几乎覆盖了所有工业企业，是工业现代化的一个重要标志。《可编程控制器原理及应用》课程面向我校机械本科生，是一门实用性、工程性和综合性都很强的课程，课程目的在于使学生学习和掌握顺序控制系统的设计方法，掌握设计原理与应用技术，以适应工业技术发展的状况和社会需要。通过实验提高学生的动手能力、分析问题解决问题的能力，加深对课程学习内容的理解。

使用组态软件设计PLC虚拟控制系统时。首先，了解需要实现的控制目标，然后通过变量设置，虚拟界面设计，动画设置，命令语言编写等来完成系统开发，这些工作主要由教师来开发。学生在熟悉面板和I/O分配的基础上，进行PLC指令编写，最终完成控制目标。虚拟系统可以通过动画效果展现实际工程动作，学生更加直观的了解PLC指令编写及运行产生的效果。

2.PLC虚拟控制实验实例。以水塔水位自动控制系统为例，水塔水位自动控制系统的基本功能是对水塔和水池中的水位进行检测，通过检测到的水位数据，做出相应的反应。要求学生通过PLC编程控制阀门1、阀门2和水泵的运行，其中水位的变化和水的流动通过组态软件编程和动画设置实现。

虚拟仿真系统主要设计步骤如下：

（1）上位机与PLC建立通讯。我校实验室采用松下FP∑系列PLC，通过RS232串口，选择合适的通讯设置，即可实现虚拟软件与PLC的实时通讯。

（2）设计图形界面。水塔水位控制的实验面板如图所示，面板元素及变量包括水塔、水塔水位、水罐、水罐水位、水塔出水口、水罐进水口、从水罐向水塔抽水的电机及水管、开关按钮等。

（3）变量定义及IO地址分配；

（4）画面属性命令语言的编写；

（5）编写PLC程序指令并下载到PLC中；

（6）运行调试。

系统运行以后，画面中能够清楚的显示水塔水位、水池水位的变化，管道内水的流动，指示灯随着水位的变化显示不同的颜色等效果，逼近实际工程效果。

（三）数控技术

1.数控技术与YHCNC软件概述。近几年来，数控机床在工业生产中的使用越来越普遍，数控技术也成为机械类专业学生必须要学习的课程之一，但是直接用昂贵的数控加工中心进行学习很难实现，为了满足教学使用的需要，数控机床的虚拟仿真教学系统的发展，具有重要的理论意义和实际价值。

我校现有YHCNC数控仿真系统十套，每年满足100多个学生的学习使用。YHCNC数控仿真系统可进行数控编程和加工仿真，具有很强的三维仿真功能，它是由三个窗口组成，每一个窗口分别执行独立的操作，并可以像实际机床一样在三个窗口之间相互交换信号。学生能够通过仿真任意设置工件尺寸、选择刀具，机床在切削运动过程中会有故障报警功能（碰撞、超程等），学生可以通过这些功能了解机床操作中可能会遇到的故障问题。软件采用对话框来简化刀具和功能的设置，切削路径和刀偏路径可以同时显示，通过编程输入将命令传给虚拟机床加工工件，并实时显示程序路径和三维工件图形这里是一个图片。

2.数控虚拟仿真实验实例。以齿轮加工为例，数控虚拟仿真操作步骤如下：

（1）在使用虚拟仿真之前，先将需要加工的模型程序写到文本文档中，并以NC文件格式保存，在使用虚拟仿真系统时，先将程序文件导入，作为加工程序待用。

（2）根据需要加工的模型的尺寸大小，设置合适的毛坯工件的尺寸，然后根据加工件的特性，选择使用合适的刀具。

（3）对刀，选择合适的加工原点，为下面的机床加工做准备

（4）系统开始运行。

（5）虚拟仿真顺利完成以后，根据虚拟操作流程，进行实际机床加工实验。

数控虚拟仿真机床的操作流程与实际机床的操作几乎一致，这样既达到了让学生熟悉机床操作的效果，也让学生了解了虚拟仿真的应用，并且能够根据自己的爱好，设计出自己想要的模型，并实现加工完成。

四、机电专业虚拟仿真实验体系的构建

随着计算机技术、网络技术和虚拟仿真技术的飞速发展，我校机电专业实践教学环节中的虚拟仿真实验的比重越来越大，除了应用于上述专业课程，在课程设计和部分毕业设计中都使用了的虚拟仿真系统。但对比于部分高校，我校机电专业虚拟仿真实验室建设还处在落后阶段。一方面，虚拟仿真系统在机械基础、机械制造等专业基础课程，以及机器人、汽车等专业特色课程中的应用还比较少，另一方面，现有的虚拟仿真实验开放性程度还不够。本着提高学生学习能力，丰富教学内容的原则，我校在现有一定数量虚拟仿真系统的基础上，正不断发展，为学生提供更多优秀的实验资源和平台。

五、结语

将虚拟仿真技术引入到机电专业教学中，可以促进教学方法的现代化和教学手段的多样化，让学生自主构建虚拟场景，激发学生的积极性和创新思维。虚拟仿真技术的应用，弥补了传统实验的不足，不但丰富了实验教学内容，而且使学生通过人机交互的方式获得逼真的体验，从中享受到学习的乐趣，变被动学习为主动学习，提高了学生分析问题的能力、设计实验的能力和设计效率。可以预见，把虚拟仿真技术应用于机电类专业课程教学，是教学发展的必然趋势，也为实验室的开放提供了一种行之有效的解决方案。虚拟仿真技术会不断发展，也会不断推进实验室的发展和实验教学改革。

近年来，我校在实验实践教学中不断引入和增加各类虚拟仿真平台，逐步建立机电液综合虚拟仿真实验室，极大的丰富了教学内容，提高了教学效率。虚拟仿真实验成为实践教学和研究中的有利工具，激发了学生的兴趣和学习主动性，提高了学生分析和解决实际工程问题的能力，取得了理想的教学效果。

我校正积极发展虚拟仿真实验系统的建设，为学习实践环节提供了极大的便利，相信在不断地探索与发展中，虚拟仿真系统建设将日趋完善，为我校师生教学实践活动提供更多地支持。

参考文献：

[1]赵玉华.基于组态技术的PLC虚拟仿真系统[J].应用科技，2005，32（12）.

[2]曹玉平，阎祥安.液压传动与控制[M].天津：天津大学出版社，2009.

[3]顾玉萍，郝静.自动编程及仿真软件在数控技术中的应用[J].现代制造工程，2007，（2）.

[4]吕明珠.虚拟仿真技术在液压与气动实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2015，32（4）.