液压原理图数据可视化在液压教学实验中的应用

李磊 仇立波 高伟 陈立娟 伍儒康

摘要：针对《液压传动与控制》课程在教学工作中的不足，本文自主研发了一套液压油路图数据可视化平台，该平台能够建立液压符号与实体之间的数字化映射，根据实验原理，实现了让液压油路图中元件按照逻辑顺序“动起来”的直观效果，激发了学生的学习兴趣，让学生更加透彻地理解液压实验台的测试的步骤和原理。

关键词：教学;数据可视化;液压实验;组态

中图分类号：G642     文献标识码：A

0引言

液压与气压传动相关课程是机械设计制造及其自动化专业流体传动与控制方向的一门主要专业课，是一门理论和实际结合非常紧密的一门课程。其目的是使学生了解液压控制系统的基本结构，掌握液压元件的测试理论和原理、基本分析方法和基本实验技能。但是该课程由于油液的不确定性和液压元件内部的不可观察性，决定了该课程演示内容具有抽象和不易掌握的特点。基于此，目前该课程配套的实验课程存在以下几点不足：（1）重点不够突出，以“液压控制阀综合性能参数测试”为例，该实验重点是让学生掌握液压元件测试步骤和控制回路原理，目前教学模式主要是教师参考实验教材，对照试验台硬件进行讲解，学生对软件界面进行点击操作，最后等待软件自动出具实验数据，此流程走下来，学生很难直接将操作动作和实验原理联系起来;（2）直观性差，教学中的油路图以文字和静态图片在教材中给出，液压部分元件处于试验台内部，学生感知不到液压元件的切换动作和油液的流动状态，因此教师和学生在回路讲解和元件动作的理解上存在困难;（3）数据展现形式单一，目前软件界面展示传感器的数据主要是以曲线和文本框为主，液压元件动作顺序和油液流动方向无法在测试中直接体现出来。

目前，针对以上不足，有一些高校和研究所开始对液压CAT设备进行探索和改进。第一种是组态软件法，即有部分实验教师采用组态软件（例如MCGS，KingView等）作为上位机，与作为下位机的PLC进行通信，如图 1所示，MCGS上位机软件界面可以虽然生动地展示液压元件的变化过程，能够克服传统教学直观性差的缺陷，但是由于元件库的缺失，出现展示风格不够统一、元件较为混乱、原理图原貌无法还原、元件模拟动作也不到位等问题。第二种是印刷面板法，如图 2所示，某航天院的试验人员尝试将液压油路图印刷在金属面板上，然后再把物理指示灯嵌入在面板中，指示灯能够实时关联油路中的阀门开闭和油滤堵塞状态，这样加快了操作人员对系统整体的判断，虽然油路图原理简约清晰、整体性好，但是由于硬件上的制约，还是存在着实现成本高，灵活性差的问题。

从以上两点可以看到，目前所做解决问题的方向均集中在油路和液壓元件数据可视化方向上。但是由于展示方法和软件的制约，在数据展示效果、灵活性还是存在上述的不足。

1液压原理图数据可视化平台概述

虽然国内外的CAD绘图软件如CAXA、visio等能够绘制出丰富的液压原理图，但是由于驱动液压图形元件的接口并没有开放，用户无法用数据直接驱动和操作绘制的原理图中的液压元件。因此，作者研发了一种专门的液压可视化平台的软件，在原理图绘制上的操作方法类似以上介绍的CAD绘图软件，使用者能够通过简单的鼠标拖拽方式实现标准液压元件的放置和油路连接，并能将绘制的原理图存储到硬盘。更重要地是，作为一款独立的可视化平台，该平台并不参与系统逻辑控制，仅通过开放各个标准元件的数据接口，其他测控软件能够轻松地通过数据驱动液压原理图中的元件，抑或液压原理图中的元件将用户交互事件反馈给其他测控软件。

如图 3所示，该液压可视化平台采用python开发，具有很好的跨平台特性。作为独立的界面平台，其与和传统的控件开发流程不同，该平台的实现策略具有以下优点：（1）符合“强内聚， 弱耦合”核心思想，实现了油路图的界面“前端”和业务逻辑“后端”的完全分离，平台界面在以太网上使用JSON数据与业务逻辑之间通过约定好的接口进行交互，设计的界面具有良好的灵活性、可重用性和独立可测试性。业务逻辑实现部分可以是工控机或者PLC，仅需要做好数据接口即可。（2）可拓展性，由于本平台采用python Qt开发，元件库中的标准元件可以很方便地得到丰富扩展，不仅仅能用于液压测控系统界面，也可用其他仿真软件的开发。

2液压教学实验系统范例

目前，我校机械工程学院的液压实验设备主要是《液压伺服阀性能测试试验台YYSFT》和《液压伺服系统综合性能试验台YYSFX》，前者重点是让学生掌握伺服阀静态特性的测试方法，后者是重点让学生理解阀控缸的原理和控制参数的影响。两者从实验操作上都很适合液压原理图数据可视化教学试点。在本案例中以较为简单的项目《液压伺服系统综合性能试验台YYSFX》为例，该试验台的实物装置图 4所示。

3液压可视化测控界面数据接口

液压可视化平台软件界面由元件库区、绘图区和菜单区组成。元件区中的液压基本元件可以分为显示组件和控制类组件：显示组件仅用来显示物理量的变化，如液压缸、液位指示油箱、指示仪表盘等组件;控制类组件需要鼠标点击等事件或者属性赋值操作来驱动硬件的输出，如截止阀、伺服阀等组件。和传统的静态组件不同，液压组件不仅能展示出元器件本身，而且还能实现元件的动态显示，例如油箱元件的液位像素高度能够关联液位传感器，完成实时位置更新的动画效果。

可视化平台中的每个液压元件都具有自己的属性，用户可以自己在属性区进行手动修改，同时绘图区元件会自动更新元件的UI。例如，手动修改油箱的属性中的最大值、最小值或者当前值均会触发油路中的油箱动态显示效果，图5展示不同液位下的油箱界面。

4结束语

本文主要重点介绍一种液压原理图可视化CAT在液压教学实验中应用方法，结论可归纳如下：

采用“前后端”分离模式的液压油路图数据可视化平台后，动态油路图既能展现液压元件测试原理，又能实时监控液压元件的实时运行状态。该平台将抽象的油液和液压元件内部展示出来，能够加深学生的对测试原理和液压回路的理解，提高学生的学习兴趣，目前已经初步应用到我校机械工程学院的液压伺服控制实验课中，取得良好的教学效果。

基金项目：南京工程学院引进人才科研启动基金项目（项目编号：YKJ201945）。

参考文献

[1]毛汉颖，范健文.虚拟现实技术在液压实验教学中的应用[J].中国科教创新导刊，2009（13）：57.

[2]常芳.组态技术在液压传动仿真教学中的应用[J].职业，2014（17）：170.