Automation Studio在液压与气动课程项目教学中的应用

谢宝智,高 松

(1.常州轻工职业技术学院机械工程系,江苏 常州 213164;2.柏林工业大学职业教育系,柏林 10587)

基于行动导向的项目教学法是目前国内高职课程教学改革的一个重要方向,这一方法能充分调动学生的学习积极性,让学生在做中学、学中做,培养了学生的专业能力、社会能力与方法能力,大大提高了教学效果,而且减轻了老师的教学负担[1]。对于液压与气动课程实施项目教学法,普遍要求建立一体化教室,让学生行动起来。但是,由于我国高职院校大多采用大班化授课,即使经济发达地区的国家级示范性高职院校,硬件设施也不能满足教学需求,生均资源比较低。此外,由于某些原因,学校与企业之间的合作仍处于低级阶段,深度不够,对学校教学也不能提供强有力的硬件支持。这些因素严重制约了项目教学法的推广与实施。许多老师也往往以缺乏硬件为借口,停止了教改的步伐。

液压仿真通过计算机仿真技术,对所设计的液压系统进行整体的分析和评估,没有传统液压系统实验设备投资大、维护难的问题,为项目教学带来了希望。本文阐述了利用Automation Studio仿真软件进行液压与气动课程项目教学的实施办法,这使得项目教学能正常有效开展。并为学生在将来能进行液压与气动系统的设计、维护、故障诊断等工作、学习使用功能更加强大的如AMESim液压系统仿真设计软件打下了基础。

1 液压与气动课程项目教学简介

高职院校大部分液压与气动课程的老师,都在积极采用德国的行动导向教学法,希望以此来提高学生的学习兴趣,较好的完成教学目标,培养学生知识、技能和素质。但是在计划或实施的过程中,发现有两个最大的困难。一是硬件设施不足,由于液压实验设备的要求高、投入大,一般的职业学校没有能力建立能满足项目教学的一体化教室;二是学生自学能力不够,动手能力差,缺少独立学习能力的培养,不能独立完成工作任务,需要老师大量的讲解。这些困难让老师又回到了习惯的传统教学方法。于是常常会出现,学生认为教师教的不好而对课程缺乏兴趣,同时教师抱怨学生不愿学习的现状。

针对这些问题,我们进行了液压与气动课程的教学改革。对于液压与气动课程,要采用项目教学或实际的工作任务为导向,就必须用一个完整的液压或气动系统作为载体。必要的理论知识储备是开展项目教学的前提和基础。在没有任何基础的前提下,学生根本没有办法独立开展学习。因此结合本课程的特点,如表1所示,在教学计划中先安排了18课时的入门项目,通过 “老师讲授示范学生跟练”的教学方法,帮助学生掌握液压传动的基本概念五个组成部分、基本回路和仿真软件的使用;为独立完成后续的三个项目打下基础。在项目的实施阶段,充分利用学生的笔记本电脑和Automation Studio仿真软件去让学生行动起来,使得项目成果可视化。

表1 液压与气动课程项目教学计划表

2 项目教学的实施保障

德国的行动导向教学法强调实施的真实性与成果的可视化。我院液压与气动的实验条件是有两个实验室：一个是液压元件拆装实验室,可以完成齿轮泵与先导式溢流阀的拆装;另一个是液压系统分析实验室,有三台试验台。但是年久失修,已不能开展实验。这一现状显然不能满足项目教学中学生行动的教学要求。

项目教学法在于调动学生自主学习的积极性。关键是让学生行动起来!让他们自主学习!面对学校硬件设施薄弱这一客观事实,我们展开了调查研究。发现所授班级开设液压与气动课程的时间,一般是在第三学期。此时,学生普遍拥有自己的笔记本电脑,至少可以保证三人一台电脑,学生可以通过电脑来完成项目教学。

目前液压与气动仿真软件主要有：德国FESTO公司的FluidSIM软件、加拿大贝加莱公司的Automation Studio软件、法国IMAGINE公司的AMESim软件以及美国 MathWorks公司的 MATLAB/SIMULINK软件等。这些软件从功能上讲,各有特点。其中,FluidSIM与Automation Studio由于直观易学,在高职院校课程教学中被广泛使用。与Fluid SIM软件相比,Automation Studio更加面向工程实际,同时具有与电气PLC控制联合仿真功能[2-4]。

于是在液压与气动课程项目实施过程中,我们借助学生的个人电脑,选择了Automation Studio仿真软件作为液压与气动项目教学实施的平台,代替实际液压与气动系统的组装与分析实验。没有给学校增加一点负担,成功解决了硬件条件阻碍项目实施的难题。

3 Automation Studio在项目实施中的具体应用

以表1中的入门项目磨床工作台液压传动系统的仿真与分析为例,讲解Automation Studio仿真软件在项目教学实施过程中的应用方法。该项目结束后可使学生掌握液压传动必要的专业知识与仿真软件的使用能力、项目实施的基本步骤与方法,为独立完成后续项目做好准备。

3.1 构建液压系统仿真模型

根据磨床液压系统原理图,利用软件自带的丰富的液压与气动元件库,可以方便地建立如图1所示的仿真模型。在模型的建立过程中,可以让学生掌握液压系统的五个组成部分、常用元件的图形符号、功能与重要参数、软件的基本使用方法等。

3.2 进行仿真分析

3.2.1 液压元件工作过程仿真分析

图1 磨床工作台液压系统仿真模型

仿真过程中右击任一元件,在快捷菜单中选择“Animation”即可动态仿真该元件的动态工作过程。如图2所示,是油箱、手动三位四通换向阀的工作过程仿真截图。通过形象的动态过程,可以帮助学生理解抽象的元件工作过程与工作原理,大大提高了学生的学习兴趣与课堂教学的效率。

3.2.2 系统各个动作仿真分析

单击换向阀的三个工作位置,如图3,可以直观地观察到液压泵、液压缸、溢流阀等元件的动作、液压油的流动方向,实现磨床工作台向右、停止和向左的运动控制。

图2 液压元件工作过程动画

图3 磨床工作台运动仿真

3.2.3 利用压力表、流量计观察分析

利用压力表可以观察分析泵的出口压力、缸的工作压力在运动过程不同阶段的变化。如图4-a所示,是缸向左运动时,需要的工作压力是0.1MPa(由于缸没有设定阻力),泵的出口压力是8.09MPa(基于等于溢流阀的调定压力8MPa);流向液压缸与溢流阀的流量总和约等于定量泵的流量120LPM。这可以帮助学生通过具体的数据,理解不同的阀 (控制元件),在液压系统中对执行元件输出力、速度和方向的控制。

3.2.4 修改参数观察分析

可以修改泵、溢流阀、节流阀、液压缸的相关参数,运行仿真,通过压力表、流量计观察变化,分析其中的原因。如图5所示,双击液压缸,修改外伸的阻力为1000N,仿真结果发生了变化,液压缸的工作压力从0.1MPa增大到0.22MPa,流量从116.86LPM减小到115.96LPM,如图4-b所示。

图4 工作台阻力不同时压力与流量的变化图

图5 液压缸参数修改窗口

3.2.5 利用Plotter功能动态分析记录测试参数的变化

打开Plotter窗口,拖动需要动态观察的元件至Plotter窗口,松开鼠标会出现该元件可以动态观察的参数选择窗口,选择需要的参数。如图6所示,选择了液压缸的速度、液压缸无杆腔的流量、节流阀与换向阀之间流量计的流量、泵的流量为观察参数,运行仿真后得到的曲线。从曲线可以看出,在缸向右运动过程中,泵的流量是一恒定值,保持不变;其它三个参数的变化规律基本相同。这与理论分析的结果是一致的。

图6 液压缸速度-流量仿真曲线

4 实施效果

由于解决了硬件不足,项目实施的难题,使得液压与气动课程的项目教学能够正常开展并取得了一定的成绩。大部分同学都能围绕给定的任务,利用Automation Studio仿真软件学习液压与气动专业知识,上网检索相关资料、去图书馆借参考书、在多媒体教室展示自己的成果、进行激烈的争论,顺利地完成了工作任务与学习任务。课程结束之后,同学都表示喜欢液压与气动课程的这一教学方法,不仅掌握了专业知识和专业技能,还提高了语言表达能力、组织能力、软件操作、上网检索、团队协作等其他方面的能力。

5 结 语

采用仿真软件代替实际液压与气动系统的组装与调试,是目前教学硬件设置不足情况下,实施项目教学法,提高教学质量的一个有效途径。实践证明,该软件生动逼真的仿真效果和强大的分析功能,有效地吸引了学生的注意力,激发了学生对液压传动课程专业知识的学习兴趣,保证了项目的有效实施,实现了教学目标。基于Automation Studio仿真软件进行液压与气动课程的项目教学,是符合中国高职院校与学生实际情况的教学方法,供大家参考。

[1]徐琳.德国职业学校专业教学法研究[D].天津：天津大学,2009.

[2]黄小毛,袁胜发,肖新棉.结合Automation Studio软件《液压传动》课程教学实践[J].装备制造技术,2011,(9)：250-252.

[3]孙成通,陈国华,蒋学华,等.液压系统仿真技术与仿真软件研究[J].机床与液压,2008,36(10)：140-142.

[4]Famic Technologies Inc..AUTOMATION STUDIO User′sGuide[M].Canada：Famic Technologies Inc.,2005.

[5]钱振华.基于FluidSIM的液压与气动课程仿真教学研究[J].液压气动与密封,2009,(4)：25-27.