水稻插秧機虛擬仿真實驗教學系統設計與應用*

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

（江西農業大學，江西 南昌 330045）

0 引言

虛擬仿真系統因打破了時間和空間等諸多因素的限制，能在作業環境危險、教學資源不充裕、時令調節難以滿足的情況下能盡可能地滿足教學要求，受到不同學科的重視[1-3]。農業機械實驗教學在實踐中因受空間、時令、資源的限制，難以較好地保證教學均質化，近年來基于虛擬仿真的實驗教學系統不斷被開發，取得了良好的教學效應和社會效應[4-6]。

高速乘坐式水稻插秧機是水稻機械化種植的重要作業機械，其結構組成、工作原理及作業調節方法等知識點是農業機械類專業相關課程的重要內容。為加強相關課程教學和實驗環節建設，解決插秧機主要結構原理、操作與調節等知識技能的講授受資源、環境等影響存在“老師難講、學生難懂”的問題，開發水稻插秧機虛擬仿真實驗系統[7-9]。

1 實驗原理

1.1 插秧機結構組成

乘坐式插秧機主要由底盤、操縱系統、栽秧臺和調整系統四部分組成，如圖1 所示。插秧機底盤通過操縱系統實現行駛和栽秧臺升降，并通過PTO 向栽秧臺傳遞動力；栽秧臺通過橫、縱向送秧和分插機構實現插秧，通過調整系統調節送秧量、取秧量、栽插深度、穴距和軟硬敏感度等。因此，插秧機的結構組成、傳動系統、工作原理較為復雜，知識內容豐富。

1.2 插秧機主要工作原理

栽秧臺是實現插秧作業的主要部件，其中橫、縱向送秧和分插機構工作原理是難點，學生不容易理解。結合如圖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

圖2 《農業機械學》教材水稻插秧機橫向送秧機構插圖

圖3 《農業機械學》教材水稻插秧機偏心齒輪行星系分插機構示意圖

1）橫、縱向送秧機構：橫向送秧機構如圖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，徑向內嵌指銷并約束指銷與螺紋槽可靠配合，側向有連接件與秧箱聯接。秧箱起承載毯壯苗作用，其底部有滑臺和支撐臺以約束秧箱只能左右運動，秧箱上有縱向送秧機構，圖2 中的從動凸輪（4、7）即為縱向送秧機構的主傳動件。作業時，螺紋軸轉動，正向螺紋槽（假設）驅動，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動；當指銷運動到螺紋槽末端，會在過渡螺紋槽引導下向反向螺紋槽切入，在這一過程秧箱上的縱向送秧機構的間歇機構從動凸輪（4、7）正好移動到螺紋軸端部主動凸輪（14）處嚙合；主動凸輪（14）此時作為縱向送秧機構的主動件，驅動縱向送秧皮帶帶動秧箱內的秧盤向下運動一段距離，即在一個橫向送秧過程完成時執行一次縱向送秧，隨后指銷進入反向螺紋槽并驅動秧箱反方向橫向運動，主、從動凸輪隨即脫離嚙合。周期性地，在反向完成一次送秧后再一次執行縱向送秧，指銷再切回正向螺紋槽，實現秧箱的左右往復送秧和縱向間隙送秧。

2）分插機構：分插機構主要有曲柄搖桿式和偏心齒輪行星系式兩種，后者因具有一個旋轉周期可完成兩次插秧且高速穩定的特點被廣泛采用。如圖3 所示，偏心齒輪行星系式分插機構由旋轉箱（齒輪箱7）和分插器（1 至6）組成，旋轉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）。作業時，旋轉箱旋轉、太陽輪固定。在旋轉箱帶動下，太陽輪兩邊的中間齒輪和行星齒輪繞太陽輪公轉；同時，中間齒輪和行星齒輪各繞自身偏心軸自轉，即行星齒輪的運動軌跡為繞太陽輪公轉和繞自身偏心軸自轉的合成軌跡。行星齒輪與分插器固定連接，驅動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動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）、彈簧和推秧桿（推秧器5）組成。凸輪與行星輪軸固定繞太陽輪公轉，連桿一端鉸接并有撥叉與凸輪接觸、另一端與推秧桿滑動接觸，推秧桿頂端為壓縮彈簧。凸輪從下止點起轉動，驅動撥叉繞鉸接點轉動，連桿另一端沿轉動方向推動推秧桿向頂端運動并壓縮彈簧；當凸輪上止點接觸到連桿撥叉時，彈簧被壓縮至極限、推桿復位；隨后，凸輪因缺口立刻進入下止點并脫離撥叉，彈簧預緊力完全釋放并快速推出推秧桿，秧苗被推出秧針栽入泥層，完成栽秧。

通過以上闡述可知，插秧機橫、縱向送秧機構和分插機構工作結構和原理較為復雜，僅依靠教材圖片難以完整呈現，原理講解難度大，教學效果欠佳。因此，本虛擬仿真系統著重強化了該部分的結構和原理展示，并適當補充了局部動畫，以便學生快速理解和掌握。

1.3 插秧機生產作業調整內容

插秧機生產作業調整內容包括橫向送秧量、縱向取秧量、栽插深度、穴距和軟硬敏感度5 個部分。其工作原理如下。

1）橫向送秧量調節是通過調節栽秧臺變速箱擋位改變秧箱的橫向移動速度，在分插機構旋轉箱旋轉速度不變條件下，秧箱橫向移動速度越快橫向送秧量越小。

2）縱向取秧量調整是通過改變秧箱在縱向與秧針的距離來實現的，秧箱沿縱向上升時縱向取秧量減小。

3）栽插深度調節是通過改變栽秧臺的秧船離地間隙實現的，當秧船離地越遠，栽秧臺越貼近泥面，栽插深度越大。

4）穴距調節是通過改變底盤二級變速箱擋位調節PTO 輸出速比來實現的，最終改變的是插秧機前進速度與旋轉箱旋轉速度之比，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仿地形的敏感程度，在插秧機栽秧臺升降液壓系統中體現在仿形控制閥滑閥的有效行程。軟泥面田適宜高敏感度，此時仿形升降液壓系統會快速跟隨栽秧臺秧舟的升降同步升降，可防止泥軟時秧舟雍泥；硬犁底層適宜低敏感度，此時仿形升降液壓系統在秧舟升降一定范圍內不響應，可保證插深基本保持一致。

通過分析，插秧機生產作業調整內容所涵蓋的結構和原理性知識除了栽秧臺之外，還包括插秧機傳動系統和液壓系統相關知識，因此在虛擬仿真功能模塊上需要加強對整機的結構認識和對傳動系統的闡述，并輔以液壓系統的講解。

基于上述分析，為向學生完整展示插秧機的結構、工作原理和調整內容，虛擬仿真系統設置了以下模塊：1）插秧機整機結構認知；2）插秧機插植部件工作原理；3）插秧機作業流程操作；4）插秧機插植部件調節方法；5）插秧機插植部件拆裝。

2 虛擬仿真實驗教學系統設計

2.1 系統架構

水稻插秧機虛擬仿真實驗教學系統可依托網絡服務器多機運行，也可單機運行。既能保證用戶能夠隨時隨地通過瀏覽器訪問，又可單機自主練習。軟件系統包括學生端、教師管理端、后臺服務端，如圖4所示。

1）學生端用于學生、行業內參與學習或培訓使用人員的虛擬實驗或考核，包括個人中心、課程中心和考核中心三部分。個人中心主要是學生用于管理個人信息，查詢個人學習記錄和考核記錄等；課程中心是依托乘坐式插秧機插植總成結構多功能虛擬仿真實訓系統軟件，包括三維數字化插秧機結構認知、插秧機插植部件工作原理仿真、插秧機作業流程虛擬操作、插秧機插植部件調節虛擬仿真、插秧機插植部件虛擬拆裝，共5個模塊。

2）教師管理端主要是協助教師進行簡單的教學管理，包括學生權限的管理、組織結構管理、課程類別和模塊管理、考核管理等等。

3）后臺服務端主要是面向系統管理員或軟件技術服務人員對虛擬實訓系統的數據維護。

圖4 水稻插秧機虛擬仿真實驗教學系統總體設計示意圖

2.2 系統主要功能模塊

2.2.1 知識模塊

水稻插秧機虛擬仿真實驗教學系統上的知識模塊展示如圖5所示。

1）三維數字化插秧機整機結構虛擬認知。主要利用虛擬現實技術的真實再現讓學生對高速乘坐式插秧機整機結構進行沉浸式的認知學習，幫助學生了解插秧機的外形、結構，并對關鍵部件進行文字說明，使學生在虛擬環境中了解插秧機的送秧機構、插植機構、傳動機構及其他部件的構造與工作原理。

2）插秧機插植部件工作原理仿真。該仿真模塊主要通過動態仿真演示并結合虛擬透視觀察，讓學生在虛擬動畫的慢鏡頭下明確插秧機構的取秧、插秧的工作過程，幫助學生理解其結構和工作原理。

3）插秧機作業流程虛擬操作。該仿真模塊主要模擬操作插秧過程，熟悉機械化插秧作業的操作流程，了解插秧過程中需要注意的問題，進而達到讓學生基本掌握機械化插秧操作規范的目標。

4）插秧機插植部件調節方法虛擬仿真。該模塊主要是幫助學生了解插秧機作業過程是如何根據作業要求和作業速度調節秧苗的株距、插植深度、取秧量和軟硬地面適應調節任務的，以掌握調節方法和工作原理。

5）插秧機插植部件虛擬拆裝。主要是讓學生掌握高速乘坐式插秧機插值總成結構的正確拆裝步驟、必要的拆裝工具。實現插秧機關鍵功能零部件的拆裝，進而深入地學習典型農業機械的結構與工作原理。

2.2.2 考核模塊

1）結構認知考核。主要考核插秧機操縱機構、傳動系統、栽秧臺結構、輔助機構4 類27 個零部件，采用對具體部件填寫部件名稱代號的形式考查學生對零部件的認知水平。

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

3）調整方法考核。主要考核5 大調整內容，通過設定場景，學生可判斷、計算獲得不同調整內容的調整目標，并通過調節虛擬操縱桿完成考核。

3 教學應用

水稻插秧機虛擬仿真實驗教學系統已應用于江西農業大學農業機械化及其自動化專業本科生“農業機械學”“農業機械化生產學”“農業機械生產綜合實習”等課程的實驗教學，已在江西省高校虛擬仿真實驗教學共享服務平臺運行，并通過江西省省級認定。

圖5 水稻插秧機虛擬仿真實驗教學系統內容截圖

在日常教學中，依托虛擬仿真平臺，將視頻、動畫、仿真有機集成，豐富了教學資源，拓展了課堂設計空間和教學手段，顯著增強了學生對課堂設計的參與感。在“農業機械學”“農業機械化生產學”課程的考試成績分析中，設計插秧機工作結構和工作原理的考試得分明顯提高，在“農業機械生產綜合實習”課程的實操教學中，通過事先仿真實驗溫習顯著提高了學生對實操的接受能力和操作水平，取得了積極的教學效果和應用效應。

本系統上線以來，已面向在校學生3 個年級共計300 多人次，社會人員400 多人次開放，取得了良好的教學效果和社會效應，水稻插秧機虛擬仿真實驗教學系統應用統計圖如圖6所示。

圖6 水稻插秧機虛擬仿真實驗教學系統應用統計圖

4 結語

1）本項目通過創建基于虛擬仿真的乘坐式插秧機插植總成結構原理與拆裝實訓系統，通過三維動畫視頻演示、仿真實訓操作、在線考評、課件資源等教學功能，對插秧機插植總成和送秧、分插秧機構的工作原理與模擬拆裝過程進行綜合實訓教學，可以縮短插秧機插植總成的拆裝實訓課時，加強學員對插秧機工作原理和拆裝流程及工藝的認識和理解，減少對真實農機實訓拆裝的磨損，降低學員實訓事故風險，提高教學效率。

2）該軟件項目使用可有效提升學習者關于水稻插秧機的專業知識、實踐能力，有利于綜合素質的協調發展。在承擔正常教學應用的同時，通過借助江西省虛擬仿真共享平臺可實時面向社會服務，社會價值和效用良好。