水稻插秧機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

劉兆朋 ，黎 靜 ，劉 斌 ，劉俊安 ，劉木華 ，陳雄飛 ，張齊隆 ，侯偉明

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，江西 南昌 330045）

0 引言

虛擬仿真系統(tǒng)因打破了時(shí)間和空間等諸多因素的限制，能在作業(yè)環(huán)境危險(xiǎn)、教學(xué)資源不充裕、時(shí)令調(diào)節(jié)難以滿足的情況下能盡可能地滿足教學(xué)要求，受到不同學(xué)科的重視[1-3]。農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)在實(shí)踐中因受空間、時(shí)令、資源的限制，難以較好地保證教學(xué)均質(zhì)化，近年來基于虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)不斷被開發(fā)，取得了良好的教學(xué)效應(yīng)和社會(huì)效應(yīng)[4-6]。

高速乘坐式水稻插秧機(jī)是水稻機(jī)械化種植的重要作業(yè)機(jī)械，其結(jié)構(gòu)組成、工作原理及作業(yè)調(diào)節(jié)方法等知識(shí)點(diǎn)是農(nóng)業(yè)機(jī)械類專業(yè)相關(guān)課程的重要內(nèi)容。為加強(qiáng)相關(guān)課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)建設(shè)，解決插秧機(jī)主要結(jié)構(gòu)原理、操作與調(diào)節(jié)等知識(shí)技能的講授受資源、環(huán)境等影響存在“老師難講、學(xué)生難懂”的問題，開發(fā)水稻插秧機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[7-9]。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 插秧機(jī)結(jié)構(gòu)組成

乘坐式插秧機(jī)主要由底盤、操縱系統(tǒng)、栽秧臺(tái)和調(diào)整系統(tǒng)四部分組成，如圖1 所示。插秧機(jī)底盤通過操縱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)行駛和栽秧臺(tái)升降，并通過PTO 向栽秧臺(tái)傳遞動(dòng)力；栽秧臺(tái)通過橫、縱向送秧和分插機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)插秧，通過調(diào)整系統(tǒng)調(diào)節(jié)送秧量、取秧量、栽插深度、穴距和軟硬敏感度等。因此，插秧機(jī)的結(jié)構(gòu)組成、傳動(dòng)系統(tǒng)、工作原理較為復(fù)雜，知識(shí)內(nèi)容豐富。

1.2 插秧機(jī)主要工作原理

栽秧臺(tái)是實(shí)現(xiàn)插秧作業(yè)的主要部件，其中橫、縱向送秧和分插機(jī)構(gòu)工作原理是難點(diǎn)，學(xué)生不容易理解。結(jié)合如圖2、圖3 所示的教材插圖[10]，在工作原理上，分析如下。

圖1 高速乘坐式水稻插秧機(jī)

圖2 《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)》教材水稻插秧機(jī)橫向送秧機(jī)構(gòu)插圖

圖3 《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)》教材水稻插秧機(jī)偏心齒輪行星系分插機(jī)構(gòu)示意圖

1）橫、縱向送秧機(jī)構(gòu)：橫向送秧機(jī)構(gòu)如圖2 所示，主要由螺紋軸（螺旋凸輪軸20）、指銷（19）、指銷座（6）組成。螺紋軸兩端有主動(dòng)凸輪（14），中間為一段兩條交叉、方向相反的螺紋槽，端部有過渡槽使兩條槽線閉合；指銷為一節(jié)短銷，末端有一截與螺紋槽相配合的螺紋；指銷座用以把指銷、秧箱和螺紋軸裝配在一起，其軸向套在螺紋軸上，徑向內(nèi)嵌指銷并約束指銷與螺紋槽可靠配合，側(cè)向有連接件與秧箱聯(lián)接。秧箱起承載毯壯苗作用，其底部有滑臺(tái)和支撐臺(tái)以約束秧箱只能左右運(yùn)動(dòng)，秧箱上有縱向送秧機(jī)構(gòu)，圖2 中的從動(dòng)凸輪（4、7）即為縱向送秧機(jī)構(gòu)的主傳動(dòng)件。作業(yè)時(shí)，螺紋軸轉(zhuǎn)動(dòng)，正向螺紋槽（假設(shè)）驅(qū)動(dòng)，與之配合的指銷在指銷座和秧箱約束下一起沿螺旋軸橫向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)指銷運(yùn)動(dòng)到螺紋槽末端，會(huì)在過渡螺紋槽引導(dǎo)下向反向螺紋槽切入，在這一過程秧箱上的縱向送秧機(jī)構(gòu)的間歇機(jī)構(gòu)從動(dòng)凸輪（4、7）正好移動(dòng)到螺紋軸端部主動(dòng)凸輪（14）處嚙合；主動(dòng)凸輪（14）此時(shí)作為縱向送秧機(jī)構(gòu)的主動(dòng)件，驅(qū)動(dòng)縱向送秧皮帶帶動(dòng)秧箱內(nèi)的秧盤向下運(yùn)動(dòng)一段距離，即在一個(gè)橫向送秧過程完成時(shí)執(zhí)行一次縱向送秧，隨后指銷進(jìn)入反向螺紋槽并驅(qū)動(dòng)秧箱反方向橫向運(yùn)動(dòng)，主、從動(dòng)凸輪隨即脫離嚙合。周期性地，在反向完成一次送秧后再一次執(zhí)行縱向送秧，指銷再切回正向螺紋槽，實(shí)現(xiàn)秧箱的左右往復(fù)送秧和縱向間隙送秧。

2）分插機(jī)構(gòu)：分插機(jī)構(gòu)主要有曲柄搖桿式和偏心齒輪行星系式兩種，后者因具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期可完成兩次插秧且高速穩(wěn)定的特點(diǎn)被廣泛采用。如圖3 所示，偏心齒輪行星系式分插機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)箱（齒輪箱7）和分插器（1 至6）組成，旋轉(zhuǎn)箱中間為偏心太陽輪即齒輪Ⅰ（10），太陽輪兩邊對稱布置一套中間偏心齒輪和偏心行星齒輪，分別為齒輪Ⅱ（9）與齒輪Ⅲ（8）。作業(yè)時(shí)，旋轉(zhuǎn)箱旋轉(zhuǎn)、太陽輪固定。在旋轉(zhuǎn)箱帶動(dòng)下，太陽輪兩邊的中間齒輪和行星齒輪繞太陽輪公轉(zhuǎn)；同時(shí)，中間齒輪和行星齒輪各繞自身偏心軸自轉(zhuǎn)，即行星齒輪的運(yùn)動(dòng)軌跡為繞太陽輪公轉(zhuǎn)和繞自身偏心軸自轉(zhuǎn)的合成軌跡。行星齒輪與分插器固定連接，驅(qū)動(dòng)分插器完成鐮刀型的插秧軌跡。分插器由分插組件和推秧組件組成，分插組件的秧針在鐮刀型運(yùn)動(dòng)軌跡過程中總體完成分秧（取秧）和插秧，推秧組件完成栽秧。推秧組件由凸輪（推秧凸輪1）、連桿（2撥叉）、彈簧和推秧?xiàng)U（推秧器5）組成。凸輪與行星輪軸固定繞太陽輪公轉(zhuǎn)，連桿一端鉸接并有撥叉與凸輪接觸、另一端與推秧?xiàng)U滑動(dòng)接觸，推秧?xiàng)U頂端為壓縮彈簧。凸輪從下止點(diǎn)起轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)撥叉繞鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿另一端沿轉(zhuǎn)動(dòng)方向推動(dòng)推秧?xiàng)U向頂端運(yùn)動(dòng)并壓縮彈簧；當(dāng)凸輪上止點(diǎn)接觸到連桿撥叉時(shí)，彈簧被壓縮至極限、推桿復(fù)位；隨后，凸輪因缺口立刻進(jìn)入下止點(diǎn)并脫離撥叉，彈簧預(yù)緊力完全釋放并快速推出推秧?xiàng)U，秧苗被推出秧針栽入泥層，完成栽秧。

通過以上闡述可知，插秧機(jī)橫、縱向送秧機(jī)構(gòu)和分插機(jī)構(gòu)工作結(jié)構(gòu)和原理較為復(fù)雜，僅依靠教材圖片難以完整呈現(xiàn)，原理講解難度大，教學(xué)效果欠佳。因此，本虛擬仿真系統(tǒng)著重強(qiáng)化了該部分的結(jié)構(gòu)和原理展示，并適當(dāng)補(bǔ)充了局部動(dòng)畫，以便學(xué)生快速理解和掌握。

1.3 插秧機(jī)生產(chǎn)作業(yè)調(diào)整內(nèi)容

插秧機(jī)生產(chǎn)作業(yè)調(diào)整內(nèi)容包括橫向送秧量、縱向取秧量、栽插深度、穴距和軟硬敏感度5 個(gè)部分。其工作原理如下。

1）橫向送秧量調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)栽秧臺(tái)變速箱擋位改變秧箱的橫向移動(dòng)速度，在分插機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)箱旋轉(zhuǎn)速度不變條件下，秧箱橫向移動(dòng)速度越快橫向送秧量越小。

2）縱向取秧量調(diào)整是通過改變秧箱在縱向與秧針的距離來實(shí)現(xiàn)的，秧箱沿縱向上升時(shí)縱向取秧量減小。

3）栽插深度調(diào)節(jié)是通過改變栽秧臺(tái)的秧船離地間隙實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)秧船離地越遠(yuǎn)，栽秧臺(tái)越貼近泥面，栽插深度越大。

4）穴距調(diào)節(jié)是通過改變底盤二級變速箱擋位調(diào)節(jié)PTO 輸出速比來實(shí)現(xiàn)的，最終改變的是插秧機(jī)前進(jìn)速度與旋轉(zhuǎn)箱旋轉(zhuǎn)速度之比，二級變速箱輸出速比越大，穴距越小。

5）軟硬敏感度用以改變栽秧臺(tái)仿地形的敏感程度，在插秧機(jī)栽秧臺(tái)升降液壓系統(tǒng)中體現(xiàn)在仿形控制閥滑閥的有效行程。軟泥面田適宜高敏感度，此時(shí)仿形升降液壓系統(tǒng)會(huì)快速跟隨栽秧臺(tái)秧舟的升降同步升降，可防止泥軟時(shí)秧舟雍泥；硬犁底層適宜低敏感度，此時(shí)仿形升降液壓系統(tǒng)在秧舟升降一定范圍內(nèi)不響應(yīng)，可保證插深基本保持一致。

通過分析，插秧機(jī)生產(chǎn)作業(yè)調(diào)整內(nèi)容所涵蓋的結(jié)構(gòu)和原理性知識(shí)除了栽秧臺(tái)之外，還包括插秧機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)，因此在虛擬仿真功能模塊上需要加強(qiáng)對整機(jī)的結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)和對傳動(dòng)系統(tǒng)的闡述，并輔以液壓系統(tǒng)的講解。

基于上述分析，為向?qū)W生完整展示插秧機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和調(diào)整內(nèi)容，虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)置了以下模塊：1）插秧機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)認(rèn)知；2）插秧機(jī)插植部件工作原理；3）插秧機(jī)作業(yè)流程操作；4）插秧機(jī)插植部件調(diào)節(jié)方法；5）插秧機(jī)插植部件拆裝。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

水稻插秧機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)可依托網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器多機(jī)運(yùn)行，也可單機(jī)運(yùn)行。既能保證用戶能夠隨時(shí)隨地通過瀏覽器訪問，又可單機(jī)自主練習(xí)。軟件系統(tǒng)包括學(xué)生端、教師管理端、后臺(tái)服務(wù)端，如圖4所示。

1）學(xué)生端用于學(xué)生、行業(yè)內(nèi)參與學(xué)習(xí)或培訓(xùn)使用人員的虛擬實(shí)驗(yàn)或考核，包括個(gè)人中心、課程中心和考核中心三部分。個(gè)人中心主要是學(xué)生用于管理個(gè)人信息，查詢個(gè)人學(xué)習(xí)記錄和考核記錄等；課程中心是依托乘坐式插秧機(jī)插植總成結(jié)構(gòu)多功能虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)軟件，包括三維數(shù)字化插秧機(jī)結(jié)構(gòu)認(rèn)知、插秧機(jī)插植部件工作原理仿真、插秧機(jī)作業(yè)流程虛擬操作、插秧機(jī)插植部件調(diào)節(jié)虛擬仿真、插秧機(jī)插植部件虛擬拆裝，共5個(gè)模塊。

2）教師管理端主要是協(xié)助教師進(jìn)行簡單的教學(xué)管理，包括學(xué)生權(quán)限的管理、組織結(jié)構(gòu)管理、課程類別和模塊管理、考核管理等等。

3）后臺(tái)服務(wù)端主要是面向系統(tǒng)管理員或軟件技術(shù)服務(wù)人員對虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)維護(hù)。

圖4 水稻插秧機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)示意圖

2.2 系統(tǒng)主要功能模塊

2.2.1 知識(shí)模塊

水稻插秧機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)上的知識(shí)模塊展示如圖5所示。

1）三維數(shù)字化插秧機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)虛擬認(rèn)知。主要利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的真實(shí)再現(xiàn)讓學(xué)生對高速乘坐式插秧機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行沉浸式的認(rèn)知學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生了解插秧機(jī)的外形、結(jié)構(gòu)，并對關(guān)鍵部件進(jìn)行文字說明，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中了解插秧機(jī)的送秧機(jī)構(gòu)、插植機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其他部件的構(gòu)造與工作原理。

2）插秧機(jī)插植部件工作原理仿真。該仿真模塊主要通過動(dòng)態(tài)仿真演示并結(jié)合虛擬透視觀察，讓學(xué)生在虛擬動(dòng)畫的慢鏡頭下明確插秧機(jī)構(gòu)的取秧、插秧的工作過程，幫助學(xué)生理解其結(jié)構(gòu)和工作原理。

3）插秧機(jī)作業(yè)流程虛擬操作。該仿真模塊主要模擬操作插秧過程，熟悉機(jī)械化插秧作業(yè)的操作流程，了解插秧過程中需要注意的問題，進(jìn)而達(dá)到讓學(xué)生基本掌握機(jī)械化插秧操作規(guī)范的目標(biāo)。

4）插秧機(jī)插植部件調(diào)節(jié)方法虛擬仿真。該模塊主要是幫助學(xué)生了解插秧機(jī)作業(yè)過程是如何根據(jù)作業(yè)要求和作業(yè)速度調(diào)節(jié)秧苗的株距、插植深度、取秧量和軟硬地面適應(yīng)調(diào)節(jié)任務(wù)的，以掌握調(diào)節(jié)方法和工作原理。

5）插秧機(jī)插植部件虛擬拆裝。主要是讓學(xué)生掌握高速乘坐式插秧機(jī)插值總成結(jié)構(gòu)的正確拆裝步驟、必要的拆裝工具。實(shí)現(xiàn)插秧機(jī)關(guān)鍵功能零部件的拆裝，進(jìn)而深入地學(xué)習(xí)典型農(nóng)業(yè)機(jī)械的結(jié)構(gòu)與工作原理。

2.2.2 考核模塊

1）結(jié)構(gòu)認(rèn)知考核。主要考核插秧機(jī)操縱機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)、栽秧臺(tái)結(jié)構(gòu)、輔助機(jī)構(gòu)4 類27 個(gè)零部件，采用對具體部件填寫部件名稱代號的形式考查學(xué)生對零部件的認(rèn)知水平。

2）工作原理考核。主要考核插秧機(jī)操縱、栽秧臺(tái)橫縱向送秧和插植機(jī)構(gòu)的工作原理。其中，對插秧機(jī)操縱考核采用的是考查操縱零部件的順序和規(guī)范，對栽秧臺(tái)橫縱向送秧和插植機(jī)構(gòu)的工作原理考核采用的是問答判斷考核方式。

3）調(diào)整方法考核。主要考核5 大調(diào)整內(nèi)容，通過設(shè)定場景，學(xué)生可判斷、計(jì)算獲得不同調(diào)整內(nèi)容的調(diào)整目標(biāo)，并通過調(diào)節(jié)虛擬操縱桿完成考核。

3 教學(xué)應(yīng)用

水稻插秧機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)已應(yīng)用于江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化專業(yè)本科生“農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)”“農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)學(xué)”“農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)綜合實(shí)習(xí)”等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，已在江西省高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享服務(wù)平臺(tái)運(yùn)行，并通過江西省省級認(rèn)定。

圖5 水稻插秧機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)內(nèi)容截圖

在日常教學(xué)中，依托虛擬仿真平臺(tái)，將視頻、動(dòng)畫、仿真有機(jī)集成，豐富了教學(xué)資源，拓展了課堂設(shè)計(jì)空間和教學(xué)手段，顯著增強(qiáng)了學(xué)生對課堂設(shè)計(jì)的參與感。在“農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)”“農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)學(xué)”課程的考試成績分析中，設(shè)計(jì)插秧機(jī)工作結(jié)構(gòu)和工作原理的考試得分明顯提高，在“農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)綜合實(shí)習(xí)”課程的實(shí)操教學(xué)中，通過事先仿真實(shí)驗(yàn)溫習(xí)顯著提高了學(xué)生對實(shí)操的接受能力和操作水平，取得了積極的教學(xué)效果和應(yīng)用效應(yīng)。

本系統(tǒng)上線以來，已面向在校學(xué)生3 個(gè)年級共計(jì)300 多人次，社會(huì)人員400 多人次開放，取得了良好的教學(xué)效果和社會(huì)效應(yīng)，水稻插秧機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)圖如圖6所示。

圖6 水稻插秧機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)圖

4 結(jié)語

1）本項(xiàng)目通過創(chuàng)建基于虛擬仿真的乘坐式插秧機(jī)插植總成結(jié)構(gòu)原理與拆裝實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，通過三維動(dòng)畫視頻演示、仿真實(shí)訓(xùn)操作、在線考評、課件資源等教學(xué)功能，對插秧機(jī)插植總成和送秧、分插秧機(jī)構(gòu)的工作原理與模擬拆裝過程進(jìn)行綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)，可以縮短插秧機(jī)插植總成的拆裝實(shí)訓(xùn)課時(shí)，加強(qiáng)學(xué)員對插秧機(jī)工作原理和拆裝流程及工藝的認(rèn)識(shí)和理解，減少對真實(shí)農(nóng)機(jī)實(shí)訓(xùn)拆裝的磨損，降低學(xué)員實(shí)訓(xùn)事故風(fēng)險(xiǎn)，提高教學(xué)效率。

2）該軟件項(xiàng)目使用可有效提升學(xué)習(xí)者關(guān)于水稻插秧機(jī)的專業(yè)知識(shí)、實(shí)踐能力，有利于綜合素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。在承擔(dān)正常教學(xué)應(yīng)用的同時(shí)，通過借助江西省虛擬仿真共享平臺(tái)可實(shí)時(shí)面向社會(huì)服務(wù)，社會(huì)價(jià)值和效用良好。