液壓與氣壓傳動作為三大動力傳動方式之一，在機械類人才培養(yǎng)計劃中占有非常重要的位置，國內(nèi)各高校的機械工程及自動化、車輛工程和機電類專業(yè)都將“液壓與氣動技術”課程作為必修的專業(yè)基礎課。
該門課程教學目的在于培養(yǎng)學生具有初步設計和應用液壓與氣動系統(tǒng)的能力，實踐性很強。為了達到教學目標，必須要有一定數(shù)量實踐課與理論課相結(jié)合。如何開展并完善液壓與氣壓傳動實踐教學，如何培養(yǎng)學生的實踐能力，提高實驗教學質(zhì)量，是“液壓與氣動技術”課程實踐教學中的一個重要內(nèi)容。
1 傳統(tǒng)液壓與氣動技術實驗教學存在的問題及開放實驗的意義
實驗教學是高等院校本科生教學環(huán)節(jié)的重要組成部分，是學生理論聯(lián)系實際的一個重要途徑。
目前“液壓與氣動技術”課程實驗大多是驗證性實驗，在實驗過程中，學生僅僅按照實驗指導書中步驟進行操作，驗證課堂中所講授的理論知識及數(shù)據(jù)結(jié)果。由于實驗部分不做考試要求，因此部分學生對實驗課不夠重視，實驗前不做好準備，實驗時對所用方案的構(gòu)思和技巧基本沒有進行過獨立思考，實驗后處理實驗數(shù)據(jù)也不認真，并有互相抄襲實驗報告的現(xiàn)象。驗證性實驗對于加強理解和掌握課堂中的理論知識非常重要，但是沒有達到培養(yǎng)學生的主動性、創(chuàng)造性和科學思維方法的目的，對于學生實驗能力和創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng)沒有起到作用。
開放實驗教學與傳統(tǒng)課程實驗教學相比，不同之處主要在于學生在實驗過程中有很強的自主性和靈活性，更加突出學生在實驗中的主體地位，體現(xiàn)了以人為本的教育理念。開放實驗中指導教師只提出開放實驗項目題目，學生根據(jù)興趣選擇實驗項目，進而自己查閱資料設計實驗方案，經(jīng)指導教師審閱后再安裝調(diào)試、記錄處理數(shù)據(jù)，后提交實驗報告。在這一過程中，學生獨立思考，遇見問題主動查找資料，這一過程提高了學生的學習興趣，加強了學生的實踐能力，培養(yǎng)了學生創(chuàng)新意識和探索精神。
由于傳統(tǒng)課程實驗教學受實驗學時的限制，并且大型儀器實驗教學設備臺套數(shù)較少，通常在實驗時將學生5～7人分成一組，因此難免有一些學生沒有時間獨立完成實驗內(nèi)容。而開放實驗在“內(nèi)容、時間、儀器”方面開放的教學方式，使得學生能在不同時間進行不同的實驗，這樣不僅解決了大型儀器數(shù)量少和學生實驗需求量大之間的矛盾，而且充分提高了實驗場地和儀器設備的利用率，使得大型儀器設備資源大限度地發(fā)揮效益。
2 液壓與氣壓技術開放實驗
在現(xiàn)代自動化工業(yè)工程中，液壓與氣壓傳動由于具有輸出功率大、不受空間位置限制、易于實現(xiàn)自動控制等許多突出的優(yōu)點，不僅應用于機床、工程機械、冶金機械、半導體制造、汽車生產(chǎn)線、食品加工、醫(yī)藥等領域，在航空航天、軍工、核電、機器人等領域也有重要應用。在生產(chǎn)過程中，液壓與氣壓技術常與繼電器控制、單片機控制、PLC控制技術等計算機和微電子技術緊密結(jié)合，在搬運、送料、夾緊和定位、檢測、清掃等工序?qū)崿F(xiàn)工業(yè)自動化。因此，液壓與氣壓傳動實踐教學內(nèi)容要緊跟工業(yè)發(fā)展需要，開放實驗項目要將多課程知識進行綜合應用，鍛煉學生分析問題、解決問題的能力。
2．1實驗設備概述
近年來，在教育部“985”項目等專項經(jīng)費支持下，我校引進先進的電液氣傳動與控制教學設備，例如博士力士樂TS－DS4液壓教學系統(tǒng)、SMC氣壓傳動教學系統(tǒng)以及AutomationStudio軟件。這些實驗裝置實現(xiàn)了液壓與氣壓傳動與電子技術、PLC技術的綜合集成，可進行單模塊到全系統(tǒng)的綜合實驗。
2．1．1液壓傳動實驗設備概述
博士力士樂TS－DS4液壓教學系統(tǒng)是一套采用工業(yè)化標準的可移動教學實驗平臺，如圖1所示。TS－DS4液壓教學系統(tǒng)由1臺液壓動力站、2個帶固定框架的網(wǎng)格板、1個集成式工具箱、1個玻璃量筒、1個軟管掛架組成。另外還配有多條可快速插拔液壓軟管，保證了實驗快速安全地進行。TS－DS4液壓教學系統(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/常閉觸點的開關單元、繼電器單元、時間繼電器單元、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液壓教學系統(tǒng)配有種類齊全的液壓元件，可以滿足本科生實驗需求。
2．1．2氣壓傳動實驗設備概述
SMC氣壓傳動教學系統(tǒng)主要由動力源、實驗臺架、實驗回路連接板、元件箱、電氣控制模塊等組成，如圖2所示。動力源是靜音空氣壓縮機，啟動快，噪音小。實驗臺架底部有膠輪，可靈活移動。實驗回路連接板用來插接氣壓元件。元件箱內(nèi)有種類豐富的氣壓元件，可以滿足本科生的實驗要求。電氣控制模塊有直流24V電源單元、常開/常閉觸點的按鈕開關單元、PLC單元等。學生可以根據(jù)需要選擇手動控制、電動控制和自動控制等不同控制方式。
2．1．3軟件概述
AutomationStudio是一款用以進行液壓/氣壓元件、回路設計以及電氣控制系統(tǒng)設計的模擬仿真軟件。該軟件包括六大標準模塊:液壓設計模塊、比例和伺服液壓模塊、氣動設計模塊、流體傳動組件編輯模塊、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)建模擬真實狀況下運行的完整系統(tǒng)。使用者能夠使用AutomationStudio作設計、資料編制、模擬以及演示各種技術回路，包括液壓、氣動、電路控制、可編程邏輯控制器(PLC)，順序功能圖以及其它多項技術。
在“液壓與氣動技術”開放實驗教學中，學生使用該軟件完成液壓回路設計和電路控制回路設計。

圖3 AutomationStudio軟件界面
2．2實驗項目示例
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內(nèi)，提升動作通過一只液壓缸完成。為縮短時間周期，需要動作序列完成得更快。由于工件的重量在不斷變化，油缸提升時必須以明顯較低的速度完成剩余行程，并且速度不依賴于負載的大小。返回行程則必須盡可能快地完成。指導教師根據(jù)該工業(yè)應用背景，設計了液壓缸的快速/慢速控制實驗，要求學生完成液壓回路系統(tǒng)設計。
應用AutomationStudio軟件完成該實驗液壓系統(tǒng)設計，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。通過控制流量控制閥，能改變液壓缸伸出速度且不依賴于負載的大小，并且液壓缸能以高的速度完成返回行程。液壓缸的動作循環(huán)是:快進—工進—快退。
(1)快進
按下啟動按鈕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
快進到預定位置，液壓缸的活塞桿接觸到限位開關B1，電磁鐵Y2得電，電磁換向閥4切換至左位。主油路的進油路: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
當液壓缸以工進速度運動到一定位置時，液壓缸的活塞桿接觸到限位開關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。
應用AutomationStudio軟件完成該實驗電氣接線系統(tǒng)設計，如圖5所示。
2．3教學效果
目前已開設的開放綜合實驗有:
(1)液壓缸的快速/慢速控制、使其不依賴于負載大小;
(2)壓力機上液壓缸工作系統(tǒng)回路設計及組裝調(diào)試;
(3)飲料灌裝機氣壓傳動系統(tǒng)回路設計實驗。
這3個綜合性實驗，學生從液壓/氣壓系統(tǒng)設計、組裝調(diào)試到驗證其可行性均自主完成。這一過程中學生將理論與實踐緊密結(jié)合，既鍛煉了他們獲取知識的能力，又培養(yǎng)了他們的實踐動手能力。經(jīng)過多個學期證明，學生容易接受且實驗效果良好。

圖4 辨識模型仿真與實驗數(shù)據(jù)對比
3 結(jié)語
通過開設液壓與氣壓傳動綜合性開放實驗項目，補充擴展了“液壓與氣動技術”課程實驗，滿足了學生興趣需求，激發(fā)了學生的學習主動性和實驗興趣，培養(yǎng)了學生實踐動手能力。開放性實驗提高了儀器設備的使用率，更加有效地發(fā)揮了實驗室現(xiàn)有資源效益，實現(xiàn)資源共享，實驗室得到可持續(xù)發(fā)展。