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机电专业虚拟仿真实验教学应用

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:

1FULID-H1

()通过软件构建液压回路图。如图所示,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,

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