FluidSIM-H在“液压传动”课程教学中的应用

赵 双 漆玉轩

重庆邮电大学先进制造工程学院 重庆 400065

液压传动作为四大传动方式之一,在冶金工程、建筑工程、航空航天等工程领域有着非常广泛的应用,在大国重器中也发挥着重要的作用。“液压传动”作为一门融合了机械、电子、控制等多学科的课程,是机械类专业的一门重要专业基础课程。液压传动课程内容理论性和实践性都很强,传统课堂理论教学再加上学生缺乏工程实践经验,势必造成知识抽象、理解困难、学习枯燥乏味,教学效果难以保证。教学中引入FluidSIM-H软件进行理实一体化教学,激发了学生的学习兴趣,提高了学习的主动参与性与创造性,培养了分析和解决问题的能力[1-2]。

1 FluidSIM-H软件简介

FluidSIM软件由德国Festo公司和Paderborn大学联合开发,专门用于液压、气动及电气回路设计与仿真的软件,包含液压系统设计子软件FluidSIM-H和气动系统设计子软件FluidSIM-P,两者使用方法基本相同,下面简要介绍一下FluidSIM-H软件。

FluidSIM-H软件包括三个主要模块:绘图功能模块、系统模拟仿真功能模块及综合演示功能模块,其软件界面如图1所示。FluidSIM-H提供电气、液压元件库,可以形象地仿真液压回路和电气控制回路的动作,并实时显示油液流动方向及执行机构运动动作,还可以观察液压系统中的各元件的物理量值,如液压缸的运动速度、输出力、油路压力、流量阀的开口度等。通过FluidSIM-H设计和仿真,便于用户进行液压系统的设计、验证、方案优化、分析与研究等[3-4]。

图1 FluidSIM-H软件界面

2 FluidSIM-H软件在教学应用中的案例

完成一个系统首先需要明确设计需求和目标,分析系统工况,确定系统的主要参数,选择合适的液压元件和回路,拟订设计方案和系统原理图,对设计方案进行验证和优化,继而进行实验验证,分析实验结果。在此过程中锻炼了学生利用先进工具进行数字化设计的能力、融合多学科知识进行创新创造的能力、分析和解决复杂工程问题的能力等。同时教学案例以小组为单位完成设计任务,需要组员通力合作完成,在此过程中培养了自主学习和协作学习能力,以及团队合作精神和集体荣誉感。

下面通过“基于液压传动的传送带物料自动分拣系统”教学应用案例,介绍一下基于FluidSIM-H的液压传动课程理实一体化教学模式实施。

2.1 案例任务分析

自动分拣系统主要实现驱动带液压马达转动和液压缸推出退回,由输送装置、分类装置、控制装置和分拣道口组成。本教学案例主要完成输送装置和分类装置的设计,其中输送装置主要组成部分是传送带或输送机,其主要作用是使待分拣商品贯通过控制装置、分类装置,并输送装置的两侧,一般要连接若干分拣道口,使分好类的商品滑下主输送机(或主传送带)以便进行后续作业。分类作用是根据控制装置发出的分拣指示,当具有相同分拣信号的商品经过该装置时,该装置动作,使改变在输送装置上的运行方向进入其他输送机或进入分拣道口。在案例任务分析环节,需要同学们进行相关文献资料的查阅,小组分析和讨论设计任务及设计方案,分配小组任务等。

传送带物料自动分拣系统工作流程为:光电传感器先检测物品是否出现,当检测到物品出现后,液压马达驱动传送带运动带动物品向前行进。达到电感传感器时物品种类被识别出,缸筒固定的液压缸随即选择是否推出相应物品,完成物品分类,最后液压缸推杆退回等待下一待识别物品。

2.2 液压系统设计

基于液压传动的传送带物料自动分拣系统主要进行物料的传输及分类,设计中需要综合考虑功能、结构、成本、节能等因素,各组发挥创新思维和创造力,进行原理设计,在此过程中培养了学生的工程素养、先进工具使用的能力和创新思维。

比如,有的小组所设计的液压系统包括调速回路、速度换接回路、方向控制回路、压力控制回路等几部分,在FluidSIM-H环境下设计的液压系统原理图如图2所示。

1.液压泵;2.溢流阀;3、4.三位四通电磁换向阀;5、6、7、8.节流阀;9、10.二位二通电磁换向阀;11、12、15、16.液控单向阀;13.液压缸;14.液压马达

2.3 电器控制电路设计及仿真

项目案例培养了学生融合控制科学、电子电路等多学科知识进行综合设计和应用的能力,此案例中需要进行电磁阀的控制电路设计,以便后续编写控制程序。

根据传送带物料自动分拣系统功能设计电磁铁工作顺序表如下表所示。

电磁铁工作顺序表

物料经过电感传感器时系统进入识别阶段,若经过的物料是木块,则液压缸不做任何动作,传送带将继续带着木块前进,直到被传送到木块收集区。若经过的物料是金属块,则金属块被传送带向前传动,到达液压缸处被定好时间的液压缸推出。

以液压缸推出动作为例,当金属块到达液压缸处KT1延时闭合继电器计时完成,KT1常开触点闭合,系统进入推出阶段。此时1YA、2YA、3YA、5YA失电,4YA、6YA得电,阀3、阀4右位工作,阀10、阀9左位工作,液压缸推杆向前推出将金属块推出传送带。

液压马达进油路1:1→4→7→10→12→14。

液压马达回油路1:14→16→4→油箱。

液压缸进油路2:1→3→5→9→11→13。

液压缸回油路2:13→15→3→油箱。

FluidSIM-H环境下系统的电气控制和液压回路仿真如图3(a)、(b)所示。

(a)物料自动分拣系统推出阶段电气控制回路

2.4 机电液一体化实物模拟实验

在前期仿真设计的基础上,继续在实验台上进行项目案例的实物模拟实验,此过程培养了学生动手实践能力、规范安全的实验操作能力、求真务实的科学素养以及勇于挑战的工匠精神等。

根据液压系统需要完成的动作循环,对系统所需的变量进行定义以及地址的分配,根据电气控制图编写PLC控制程序,最后通过液压缸和液压马达动作,完成液压系统的循环自动分拣功能,如图4所示。经实物模拟实验,实验结果和仿真结果一致,验证了所设计液压系统的正确性和可行性。

图4 实物模拟实验

结语

在“液压传动”课程教学中使用FluidSIM-H进行设计和仿真教学,使原本枯燥抽象的液压基本回路变得直观生动,过程可观察、参数可显现、结果可分析、设计可优化。经理实一体化教学实践表明,融入FluidSIM-H的教学模式能够使学生综合运用液压传动技术、电气控制技术、PLC可编程控制技术、传感器技术等多学科知识,进行机电一体化设计和工程应用,提高了学生学习的积极性、创新性和挑战度,提高了学生的专业技能和教学效果。