液壓與氣壓傳動(dòng)作為三大動(dòng)力傳動(dòng)方式之一，在機(jī)械類(lèi)人才培養(yǎng)計(jì)劃中占有非常重要的位置，國(guó)內(nèi)各高校的機(jī)械工程及自動(dòng)化、車(chē)輛工程和機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)都將“液壓與氣動(dòng)技術(shù)”課程作為必修的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。
該門(mén)課程教學(xué)目的在于培養(yǎng)學(xué)生具有初步設(shè)計(jì)和應(yīng)用液壓與氣動(dòng)系統(tǒng)的能力，實(shí)踐性很強(qiáng)。為了達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，必須要有一定數(shù)量實(shí)踐課與理論課相結(jié)合。如何開(kāi)展并完善液壓與氣壓傳動(dòng)實(shí)踐教學(xué)，如何培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，是“液壓與氣動(dòng)技術(shù)”課程實(shí)踐教學(xué)中的一個(gè)重要內(nèi)容。
1 傳統(tǒng)液壓與氣動(dòng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題及開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的意義
實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等院校本科生教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分，是學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的一個(gè)重要途徑。
目前“液壓與氣動(dòng)技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)大多是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生僅僅按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)中步驟進(jìn)行操作，驗(yàn)證課堂中所講授的理論知識(shí)及數(shù)據(jù)結(jié)果。由于實(shí)驗(yàn)部分不做考試要求，因此部分學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課不夠重視，實(shí)驗(yàn)前不做好準(zhǔn)備，實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)所用方案的構(gòu)思和技巧基本沒(méi)有進(jìn)行過(guò)獨(dú)立思考，實(shí)驗(yàn)后處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也不認(rèn)真，并有互相抄襲實(shí)驗(yàn)報(bào)告的現(xiàn)象。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)對(duì)于加強(qiáng)理解和掌握課堂中的理論知識(shí)非常重要，但是沒(méi)有達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)性、創(chuàng)造性和科學(xué)思維方法的目的，對(duì)于學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng)沒(méi)有起到作用。
開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，不同之處主要在于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有很強(qiáng)的自主性和靈活性，更加突出學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的主體地位，體現(xiàn)了以人為本的教育理念。開(kāi)放實(shí)驗(yàn)中指導(dǎo)教師只提出開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目題目，學(xué)生根據(jù)興趣選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)而自己查閱資料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，經(jīng)指導(dǎo)教師審閱后再安裝調(diào)試、記錄處理數(shù)據(jù)，后提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在這一過(guò)程中，學(xué)生獨(dú)立思考，遇見(jiàn)問(wèn)題主動(dòng)查找資料，這一過(guò)程提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐能力，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和探索精神。
由于傳統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)受實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的限制，并且大型儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備臺(tái)套數(shù)較少，通常在實(shí)驗(yàn)時(shí)將學(xué)生5～7人分成一組，因此難免有一些學(xué)生沒(méi)有時(shí)間獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。而開(kāi)放實(shí)驗(yàn)在“內(nèi)容、時(shí)間、儀器”方面開(kāi)放的教學(xué)方式，使得學(xué)生能在不同時(shí)間進(jìn)行不同的實(shí)驗(yàn)，這樣不僅解決了大型儀器數(shù)量少和學(xué)生實(shí)驗(yàn)需求量大之間的矛盾，而且充分提高了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和儀器設(shè)備的利用率，使得大型儀器設(shè)備資源大限度地發(fā)揮效益。
2 液壓與氣壓技術(shù)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)
在現(xiàn)代自動(dòng)化工業(yè)工程中，液壓與氣壓傳動(dòng)由于具有輸出功率大、不受空間位置限制、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等許多突出的優(yōu)點(diǎn)，不僅應(yīng)用于機(jī)床、工程機(jī)械、冶金機(jī)械、半導(dǎo)體制造、汽車(chē)生產(chǎn)線、食品加工、醫(yī)藥等領(lǐng)域，在航空航天、軍工、核電、機(jī)器人等領(lǐng)域也有重要應(yīng)用。在生產(chǎn)過(guò)程中，液壓與氣壓技術(shù)常與繼電器控制、單片機(jī)控制、PLC控制技術(shù)等計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)緊密結(jié)合，在搬運(yùn)、送料、夾緊和定位、檢測(cè)、清掃等工序?qū)崿F(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化。因此，液壓與氣壓傳動(dòng)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容要緊跟工業(yè)發(fā)展需要，開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要將多課程知識(shí)進(jìn)行綜合應(yīng)用，鍛煉學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。
2．1實(shí)驗(yàn)設(shè)備概述
近年來(lái)，在教育部“985”項(xiàng)目等專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持下，我校引進(jìn)先進(jìn)的電液氣傳動(dòng)與控制教學(xué)設(shè)備，例如博士力士樂(lè)TS－DS4液壓教學(xué)系統(tǒng)、SMC氣壓傳動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)以及AutomationStudio軟件。這些實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了液壓與氣壓傳動(dòng)與電子技術(shù)、PLC技術(shù)的綜合集成，可進(jìn)行單模塊到全系統(tǒng)的綜合實(shí)驗(yàn)。
2．1．1液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備概述
博士力士樂(lè)TS－DS4液壓教學(xué)系統(tǒng)是一套采用工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)的可移動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示。TS－DS4液壓教學(xué)系統(tǒng)由1臺(tái)液壓動(dòng)力站、2個(gè)帶固定框架的網(wǎng)格板、1個(gè)集成式工具箱、1個(gè)玻璃量筒、1個(gè)軟管掛架組成。另外還配有多條可快速插拔液壓軟管，保證了實(shí)驗(yàn)快速安全地進(jìn)行。TS－DS4液壓教學(xué)系統(tǒng)上配有電氣支架，上嵌有電器單元，包含電源分配器單元，帶有常開(kāi)/常閉觸點(diǎn)的開(kāi)關(guān)單元、繼電器單元、時(shí)間繼電器單元、PID控制器單元等，這些電器單元用于控制電磁閥、比例閥等液壓元件。TS－DS4液壓教學(xué)系統(tǒng)配有種類(lèi)齊全的液壓元件，可以滿足本科生實(shí)驗(yàn)需求。
2．1．2氣壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備概述
SMC氣壓傳動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)主要由動(dòng)力源、實(shí)驗(yàn)臺(tái)架、實(shí)驗(yàn)回路連接板、元件箱、電氣控制模塊等組成，如圖2所示。動(dòng)力源是靜音空氣壓縮機(jī)，啟動(dòng)快，噪音小。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架底部有膠輪，可靈活移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)回路連接板用來(lái)插接氣壓元件。元件箱內(nèi)有種類(lèi)豐富的氣壓元件，可以滿足本科生的實(shí)驗(yàn)要求。電氣控制模塊有直流24V電源單元、常開(kāi)/常閉觸點(diǎn)的按鈕開(kāi)關(guān)單元、PLC單元等。學(xué)生可以根據(jù)需要選擇手動(dòng)控制、電動(dòng)控制和自動(dòng)控制等不同控制方式。
2．1．3軟件概述
AutomationStudio是一款用以進(jìn)行液壓/氣壓元件、回路設(shè)計(jì)以及電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模擬仿真軟件。該軟件包括六大標(biāo)準(zhǔn)模塊:液壓設(shè)計(jì)模塊、比例和伺服液壓模塊、氣動(dòng)設(shè)計(jì)模塊、流體傳動(dòng)組件編輯模塊、電氣控制模塊、可編程邏輯控制器梯形邏輯及數(shù)字電子模塊，在模擬時(shí)所有模塊可以交互使用，如圖3所示。AutomationStudio可以允許用戶創(chuàng)建模擬真實(shí)狀況下運(yùn)行的完整系統(tǒng)。使用者能夠使用AutomationStudio作設(shè)計(jì)、資料編制、模擬以及演示各種技術(shù)回路，包括液壓、氣動(dòng)、電路控制、可編程邏輯控制器(PLC)，順序功能圖以及其它多項(xiàng)技術(shù)。
在“液壓與氣動(dòng)技術(shù)”開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生使用該軟件完成液壓回路設(shè)計(jì)和電路控制回路設(shè)計(jì)。

圖3 AutomationStudio軟件界面
2．2實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目示例
在工業(yè)生產(chǎn)線的末端，需要從輸送帶上提起工件并放在貨盤(pán)內(nèi)，提升動(dòng)作通過(guò)一只液壓缸完成。為縮短時(shí)間周期，需要?jiǎng)幼餍蛄型瓿傻酶?。由于工件的重量在不斷變化，油缸提升時(shí)必須以明顯較低的速度完成剩余行程，并且速度不依賴(lài)于負(fù)載的大小。返回行程則必須盡可能快地完成。指導(dǎo)教師根據(jù)該工業(yè)應(yīng)用背景，設(shè)計(jì)了液壓缸的快速/慢速控制實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生完成液壓回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
應(yīng)用AutomationStudio軟件完成該實(shí)驗(yàn)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖4所示。該系統(tǒng)采用恒壓變量葉片泵供油，一只二位四通電磁換向閥控制液壓缸換向，利用另一只二位四通電磁換向閥控制活塞桿一側(cè)的油液經(jīng)流量控制閥流回油箱。通過(guò)控制流量控制閥，能改變液壓缸伸出速度且不依賴(lài)于負(fù)載的大小，并且液壓缸能以高的速度完成返回行程。液壓缸的動(dòng)作循環(huán)是:快進(jìn)—工進(jìn)—快退。
(1)快進(jìn)
按下啟動(dòng)按鈕S2，電磁鐵Y1得電，電磁換向閥3切換至左位。主油路的進(jìn)油路:泵1→電磁換向閥3左位→液壓缸下腔→電磁換向閥4右位→油箱。


(2)工進(jìn)
快進(jìn)到預(yù)定位置，液壓缸的活塞桿接觸到限位開(kāi)關(guān)B1，電磁鐵Y2得電，電磁換向閥4切換至左位。主油路的進(jìn)油路:泵1→電磁換向閥3左位→液壓缸下腔→流量控制閥5→油箱。
(3)快退
當(dāng)液壓缸以工進(jìn)速度運(yùn)動(dòng)到一定位置時(shí)，液壓缸的活塞桿接觸到限位開(kāi)關(guān)B2，電磁鐵Y1、Y2失電，電磁換向閥3、4切換至右位。主油路的進(jìn)油路:泵1→電磁換向閥3右位→電磁換向閥4右位→液壓缸上腔→油箱。
應(yīng)用AutomationStudio軟件完成該實(shí)驗(yàn)電氣接線系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖5所示。
2．3教學(xué)效果
目前已開(kāi)設(shè)的開(kāi)放綜合實(shí)驗(yàn)有:
(1)液壓缸的快速/慢速控制、使其不依賴(lài)于負(fù)載大小;
(2)壓力機(jī)上液壓缸工作系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)及組裝調(diào)試;
(3)飲料灌裝機(jī)氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。
這3個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生從液壓/氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、組裝調(diào)試到驗(yàn)證其可行性均自主完成。這一過(guò)程中學(xué)生將理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，既鍛煉了他們獲取知識(shí)的能力，又培養(yǎng)了他們的實(shí)踐動(dòng)手能力。經(jīng)過(guò)多個(gè)學(xué)期證明，學(xué)生容易接受且實(shí)驗(yàn)效果良好。

圖4 辨識(shí)模型仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比
3 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)開(kāi)設(shè)液壓與氣壓傳動(dòng)綜合性開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，補(bǔ)充擴(kuò)展了“液壓與氣動(dòng)技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)，滿足了學(xué)生興趣需求，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和實(shí)驗(yàn)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力。開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)提高了儀器設(shè)備的使用率，更加有效地發(fā)揮了實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有資源效益，實(shí)現(xiàn)資源共享，實(shí)驗(yàn)室得到可持續(xù)發(fā)展。