基于Unity_3D的动力滑台液压系统虚拟实验设计_李欢欢.pdf

2023 年 2 月 25 日第 7 卷第 4 期现代信息科技Modern Information Technology Feb.2023 Vol.7 No.41841842023.022023.02收稿日期：2022-09-26基金项目：国家级实验教学示范中心联谊会机械类虚拟仿真实验教学平台建设项目；教育部高等教育司产学合作协同育人项目（201902152008）；教育部高等教育司产学合作协同育人项目（201902152009）；哈尔滨工业大学教育教学改革专题项目（XYZ2020012）基于 Unity 3D 的动力滑台液压系统虚拟实验设计李欢欢，向东，李松晶（哈尔滨工业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）摘 要：为了弥补传统液压传动实验教学中的不足，将虚拟技术应用于实验教学中，建立虚拟实验。以动力滑台液压系统实验为例，阐述了一条具有可行性建设虚拟实验的技术路线。采用 SolidWorks 三维建模软件构建动力滑台液压系统虚拟实验所需的液压元件及辅助元件，基于 C#语言的 Unity 3D 作为动力滑台液压系统虚拟实验开发平台，建立节流阀节流调速系统虚拟实验和调速阀调速系统虚拟实验，实现了动力滑台快进、工进、停留、快退、停止等工作循环。关键词：液压传动；动力滑台；虚拟实验；节流调速系统中图分类号：TP391.9；TH137.9 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）04-0184-05Virtual Experimental Design for Power Slide Hydraulic System Based on Unity 3DLI Huanhuan,XIANG Dong,LI Songjing(School of Mechatronics Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)Abstract:In order to make up for the shortcomings in the traditional hydraulic transmission experimental teaching,virtual technology is used in experimental teaching to establish a virtual experiment.Taking the power slide hydraulic system experiment as an example,in this paper we present a feasible technical route for constructing a virtual experiment.SolidWorks 3D modeling software is used to construct the hydraulic and auxiliary components,which are required for the virtual experiment of the power slide hydraulic system.Unity 3D based on the C#language is used as the virtual experiment development platform of the power slide hydraulic system to establish the virtual experiment of throttle valve throttle speed control system and the virtual experiment of speed control valve speed control system,realizing the working cycle of fast-forward,work-forward,stop,fast-rewind,and stop of the power slide.Keywords:hydraulic transmission;power slide;virtual experiment;throttle speed control system0 引 言液压传动课程是机械类专业学生必修的主干课程1，2，该课程具有实践性强，多学科交叉等特点3，4。实验教学是巩固理论教学、强化动手能力、培养实践创新能力的重要环节5，6。但液压传动课程的实验教学在特殊时期面临着实验无法开展、实验资源有限和缺乏交互性等问题，在一定程度上，束缚了学生的理解力和创作力7-9，而虚拟实验的设计和开发既能有效解决这一难题，又能拓展传统实验教学中教学内容的深度与广度、延伸实验教学的时间和空间10，11。动力滑台液压系统实验是液压传动课程实验教学内容之一，在已有的动力滑台液压系统实验台的基础上，采用虚拟技术12，13，建立动力滑台液压系统虚拟实验。在近两年的教学中，特别是在新冠疫情期间，开展了线上实验，其虚拟实验起到关键的作用。本文采用 SolidWorks 软件构建了动力滑台液压系统虚拟实验所需的液压元件三维模型，利用 C#DOI:10.19850/ki.2096-4706.2023.04.046语言在 Visual Studio 2017 集成开发环境中进行虚拟实验内部控制程序的设计，以 Unity 3D 交互引擎14作为动力滑台液压系统虚拟实验开发平台。采用虚拟方式开展实验内容，突破时间、空间的限制，是线下实验教学方式的有效补充，是线上实验教学的新途径15。1 动力滑台液压系统实验1.1 动力滑台液压系统实验工作循环动力滑台液压系统由多条节流调速回路组成，通过改变回路中节流阀和调速阀通流截面积的大小来控制流入滑台液压缸的流量，从而调节滑台液压缸移动速度，在电气和机械装置的配合下实现各种自动工作循环16。动力滑台液压系统实验如图 1 所示，其中图 1（a）为动力滑台液压系统实验原理图，图 1（b）为其自动工作循环，图 1（c）为其实验台实物图。此实验可实现快进、工进、停留、快退、停止工作循序，具体系统油液流动情况如下：（1）快速前进：换向阀 H1左位接入系统，由于系统压力不高，顺序阀X仍处于关系状态。这时液压缸做差动连接，液压泵输出最大流量。系统中油液的流动情况为：进油路：液压泵单向阀 I1换向阀 H1（左位）换向阀 H2（右位）滑台液压缸（左腔）。回油路：滑台液压缸（右腔）换向阀 H1（左位）单向阀 I2换向阀 H3（右位）滑台液压缸（左腔）。1851852023.022023.02第 4 期滑台液压缸负载液压缸P6YFP34YAQL25YA6YAY33YAI3I21YA2YAP2XP1BY17YAP4P5JL1Y2I1（a）动力滑台液压系统原理图快进工进快退原位停止（b）动力滑台液压系统自动工作循环（c）动力滑台液压系统实验图图 1 动力滑台液压系统实验（2）工作进给：在滑台前进到预定位置，挡块压下使电磁铁4YA通电时开始。这时系统压力升高，顺序阀X打开。系统中油液的流动情况为：进油路：液压泵单向阀 I1换向阀 H1（左位）换向阀 H2（左位实现调速阀节流调速系统，右位实现节流阀节流调速系统）滑台液压缸（左位）。回油路：滑台液压缸（右腔）换向阀 H1（左位）顺序阀 X溢流阀 B油箱。（3）停留：在滑台液压缸以工进的速度行进到碰上死挡块不再前进时开始，并在系统压力进一步升高、压力继电器 YF 经时间继电器按预定停留时间发出信号后终止。（4）快退：在时间继电器发出信号，换向阀 H1右位工作时开始，这时系统压力下降，液压泵流量又自动增大。（5）停止：在滑台快速退回到原位，当挡块压下终止开关，换向阀 H1处于中位，滑台液压缸两腔封闭，滑台停止运动。通过调节节流阀或调速阀的通流截面积的大小和改变负载力大小（溢流阀 Y3实现），进行节流阀和调速阀节流调速系统的对比实验，分析比较它们的速度与负载特性和系统效率特性等调速性能，并绘制调速回路的特性曲线。1.2 现有实验存在问题及虚拟实验的优势液压传动课程是机械类专业的基础课，由于机械类的学生人数众多、实验室资源有限和实验误操作引起的安全等因素，使得实验教学环节显得空洞而无效17。为突破传统液压实验教学方式的局限，充分利用虚拟技术构建液压虚拟实验，来提升实验教学效果。与传统实验相比，虚拟实验具有开放共享、人机交互、可扩展性以及安全性等特点。具体表现为：（1）在疫情等特殊环境下，由于液压传动课程实验在居家隔离地不具备实验条件，为解决实验教学无法开展的难题，采用虚拟实验的方式来补全在线教学中实验教学这一关键一环。（2）降低实验误操作引起的安全问题。借助虚拟实验资源，打破了实验资源的限制，学生可以反复练习，在一定程度上提高学生对实验仪器和实验操作步骤的熟悉程度，极大地降低实验误操作引起的安全问题，从而提高学生实验的积极性、主动性。（3）提升专业实验教学效果，培养学生创新能力。实操的液压传动实验能够让学生在连接好的液压传动实验系统上进行实验操作，记录实验数据并分析，但学生不能按照液压系统原理图进行自主创新实验，利用虚拟实验能够促进学生在液压传动课程中实践教学环节创新能力的培养；（4）构建并共享虚拟仿真实验资源，促进实验教学的发展。2 动力滑台液压系统虚拟实验2.1 虚拟实验总体框架及开发流程根据液压传动课程的教学要求，可以将动力滑台液压系统实验分为三部分：动力滑台液压系统实验的实验理论、液压元件（动力滑台液压系统中所含有的元件）和虚拟实验，如图 2 所示。在虚拟实验模块中，由已建模的液压元件组成动力滑台液压系统，对工进、快进半工作循环进行描述，由于动力滑台液压系统实验是由进口节流调速回路组成，所以，虚拟实验操作过程中模拟了进口调速阀调速系统虚拟实验和进口节流阀调速系统虚拟实验。实验目的实验原理实验步骤要求节流阀调速回路理论知识调速阀调速回路理论知识动力滑台液压系统实验虚拟实验实验理论描述快进工作循环描述工进工作循环节流阀调速系统虚拟实验调速阀调速系统虚拟实验液压元件建模、渲染等进口节流调速系统实验图 2 动力滑台液压系统实验总体框架李欢欢，等：基于 Unity 3D 的动力滑台液压系统虚拟实验设计1861862023.022023.02第 4 期现代信息科技动力滑台液压系统虚拟实验是基于 Unity 3D 虚拟交互引擎创建的交互操作界面，其虚拟实验开发流程及工具如图 3所示。采用三维软件 SolidWorks 对动力滑台液压系统虚拟实验所需的液压元件进行建模，并将其以 STEP 格式导入至 3DS Max 软件中，对元件模型进行渲染，制作纹理贴图和动画，再导入至 Unity 3D 中。Unity 3D 是由 Unity Technologies 公司开发的专业跨平台游戏开发及虚拟现实引擎，是本实验最关键的开发工具，完成虚拟实验的场景搭建、画布设计、节流阀调速系统虚拟实验制作和调速阀调速系统虚拟实验制作等部分。同时，利用 C#语言在 Visual Studio 2017 编辑器建立虚拟实验的脚本来实现场景切换、元件模型逻辑控制及运动控制等，以及用脚本响应用户的操作。最后，将动力滑台液压系统虚拟实验系统集成，并进行多次优化、试用反馈，选择Windows 系统形式，将动力滑台液压系统虚拟实验发布到电脑端，形成一个可执行的.exe文件和包含其所需资源的文件夹。2.2 虚拟实验内容功能模块图 4 为动力滑台液压系统虚拟实验的初始界面，虚拟实验内容包括动作循环和实验操作（按照实验步骤操控实验台）两部分，每部分都有详细的考核评分功能。SolidWorks3DS MaxUnity 3DVisual Studio 2017液压元件建模纹理贴图元件模型渲染动画场景搭建画布设计节流阀调速系统虚拟实验制作调速阀调速系统虚拟实验制作场景切换控制元件模型逻辑控制元件模型运动控制 系统优化系统发布 开发工具动力滑