虚拟仿真在联合收割机构造与维修实践教学中的应用

李 伟,赵梦龙,张东凤,缪士贵,王平会

(1.江苏农林职业技术学院,江苏 句容 212400;2.江苏省现代农业装备工程中心,江苏 句容 212400)

0 引言

2017年,教育部印发了“关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知”,计划到2020年遴选出1 000项示范性虚拟仿真实验教学项目[1]。在全国范围内引起了广泛关注,国内高校掀起了积极开发应用虚拟仿真教学项目的热潮。中国农业大学建立了机械与农业工程虚拟仿真实验教学中心[2];中国科技大学开发了几何光学虚拟仿真实验平台[3];山东农业大学建立了国家级农业机械化及其自动化虚拟仿真实验教学中心[4];九江职业技术学院开发了船体结构虚拟仿真实训平台[5]。

近年来,虚拟仿真向着多元化、个性化、跨学科应用、技术融合与创新、实验和实践结合,以及促进教育公平等方向发展。未来,虚拟仿真将更加注重学习者的体验和参与,为教育带来更多可能性。

联合收割机构造与维修是现代农业装备应用技术专业的核心课程,是整个专业课程非常重要的一环。传统课程教学中的课程资源仅限课件、教案、视频等二维资源和部分三维动画,而联合收割机结构尺寸大、重量大、内部结构复杂,导致联合收割机构造原理和故障诊断与排除教学中存在结构不清晰、技能操作难开展等突出问题,课堂教学效果不理想,难以激发学生的学习兴趣。此外,联合收割机作业部分检修,如割刀对中、割刀间隙检查与调整、动刀片更换等;底盘部分检修,如履带张紧度检查与调整、履带更换等,在技能操作时存在安全隐患,操作不当会造成人身伤害事故[6-7]。借助虚拟仿真技术,开展虚拟仿真教学平台建设,与理论教学相结合,为学生营造沉浸、交互、感知、智能的学习体验氛围,可有效提升学生学习效果。

1 虚拟仿真在实践教学中的作用

虚拟仿真已成为高校实践教学的重要组成部分。随着多媒体技术、信息技术、网络教学的兴起,高校各学科的教学模式发生了巨大变化,信息化教育已引发高校教育理念和教学模式的深刻变革。虚拟仿真技术在现代农业装备应用技术专业实践教学中有着突出优势。

1)虚拟仿真技术将实践教学中难以展现的结构和存在危险的实践教学环节,以数字动态模型和三维虚拟仿真形式呈现,不再担心学生安全问题,让学生不受时间和空间的限制进行练习[8],有效解决了学生只能观看、不能动手实操的尴尬处境,使学生能够更好地掌握联合收割机的构造、功用和整体布局。

2)通过联合收割机虚拟仿真实训系统,能够清晰展示联合收割机工作原理,进行零部件的组装、技术参数的检查与调整、联合收割机故障诊断与排除等虚拟操作,学生对所学专业知识有更加深刻的理解并综合运用,培养学生在生产实践中分析和解决各种问题的能力。

2 虚拟仿真实训平台建设

考虑到联合收割机的复杂程度,运用Unity三维虚拟仿真技术结合VR等相关设备,将信息化、数字化、可视化技术引入联合收割机构造与维修实训教学中,通过漫游功能使学生在虚拟的全喂入联合收割机上,进行现实场景的沉浸式体验,提高学生在联合收割机构造与维修实训中,对场景和设备的正确认识,从而增强学生实际操作的正确率,避免重复性错误。

首先,规划设计履带式全喂入联合收割机故障诊断与排除虚拟仿真实训系统的功能要素,包括结构认知、故障诊断与排除和综合考核;其次,准备和收集仿真系统相关素材,包括图片、文字、音乐、视频、动画等,对素材进行筛选并重新创作,保证素材符合仿真系统的标准和设计要求;然后,用三维建模工具3Dmax,把联合收割机的故障诊断与排除实验实训中的环境和操作对象进行建模,还原现实场景,导出符合联合收割机相关标准的模型,模拟真实工作环境;最后,基于Unity整合所有素材和资源,并进行设计操作的交互方式,对系统进行优化和发布测试。履带式全喂入联合收割机故障诊断与排除虚拟仿真实训系统如图1、图2所示。

图1 履带式全喂入联合收割机虚拟仿真实训系统模型

图2 履带式全喂入联合收割机故障诊断与排除虚拟仿真实训系统室内实训场景

3 虚拟仿真在实训中的应用

3.1 虚拟仿真实训内容

联合收割机构造与维修授课对象为现代农业装备应用技术专业三年级学生,学生已经学习了农用发动机构造与维修、农机底盘构造与维修、耕种机械构造与维修、田间管理机械构造与维修,对典型农业机械的构造、原理、使用与维护有一定的基础。为了更好地展示履带式全喂入联合收割机结构与技能操作要领,虚拟仿真内容从两个方面进行设置:1)联合收割机的构造及工作过程;2)联合收割机典型故障与排除。

通过信息化仿真手段展示联合收割机整体构造及工作过程,实现拨禾喂入部分、输送部分、脱粒清选部分、底盘部分典型故障虚拟诊断及排除,丰富教学内容、增加师生互动、调动积极性、提高教学的安全性、节约教学成本、激发学生创新积极性、提高学生对履带式全喂入联合收割机故障与排除相关知识及技能的认识,为“虚实结合”联合收割机真机实训做好铺垫,提升教学效果、节省教学损耗、降低安全风险、提高教学效率[9]。

3.2 虚拟仿真实训过程

打开履带式全喂入联合收割机故障诊断与排除虚拟仿真实训软件,单击“开始实验”,如图3所示,进入实验模块。首先单击联合收割机整机结构及工作过程模块,如图4所示,对发动机、驾驶室、割台、输送装置、脱粒清选部分、粮仓、卸粮筒、底盘部分、液压系统和电气系统进行结构认知,通过功能演示熟悉各部分的工作原理,通过稻麦收获作业工艺流程演示,熟悉联合收割机的动力传递路线、工作原理及各部件之间的衔接配合情况,如图5所示。

图3 履带式全喂入联合收割机故障诊断与排除虚拟仿真实训系统界面

图4 履带式全喂入联合收割机故障诊断与排除虚拟仿真实训系统功能模块

图5 联合收割机整机结构及工作过程认知实验界面

完成联合收割机整机结构及工作过程认知后,即可进行第二个模块的学习。同样方法,单击联合收割机典型故障及排除模块,进入虚拟故障排除界面后,再可分模块进行各部分技术参数的检查与调整,项目操作前会提示佩戴安全护具,培养学生安全意识。操作时,界面会弹出该项目的标准技术参数和目前的实际参数值,学生根据操作内容选择合适的工量具,在进行技术参数调整时会严格按照拟定的操作规程进行,当出现操作步骤错误或工具使用错误时,界面会弹出错误提示,帮助学生养成规范操作意识。各模块完成后,进行履带式联合收割机综合故障诊断与排除虚拟练习。

以拨禾喂入部分虚拟检修为例进行说明。进入检修模块,选中割台部分,单击拨禾喂入部分检修模块,如图6所示。作业前进入准备工作,弹出安全护具选择界面,选中工作服、劳保靴、头盔,然后启动发动机,将割台降至地面,拨禾轮降至最低位置,熄火。光标放至拨禾轮,右击鼠标,在下拉菜单里选中拨禾轮高度检查与调整,在工具车选择合适检修工具,单击右侧提示按钮,查看拨禾轮高度基准值,检查目前拨禾轮高度的实际情况,参照基准值进行调整。调整时要注意,左右两侧高度要一致,确保拨禾轮水平。调整结束后,进行复查,再次检查左右两侧拨禾轮升降油缸高度情况,直至符合技术要求再拧紧、锁紧螺母。

图6 履带式全喂入联合收割机故障诊断与排除虚拟仿真实训系统拨禾喂入部分检修

3.3 虚拟仿真应用成效

从2020年开始,江苏农林职业技术学院建成并开始投入使用联合收割机虚拟仿真实训系统,进行联合收割机构造与维修实践教学。从课堂教学效果来看,学生学习自主性和积极性明显增强、学习成效显著。三年来,学生综合成绩较2020年以前平均提升了28%,2022年学生参加学院技能大赛联合收割机维修赛项获一等奖,学生就业后技能水平、工作能力受到用人单位的高度认可。

教师教学能力显著提升。2022年团队成员制作的“履带式全喂入联合收割机切割器的检修”获全国农机使用技能培训优秀课件;“履带式全喂入联合收割机动力传动与脱粒清选部分检修--以东华4LZ-5.2和久保田PRO988Q 等为例”获江苏省农民培训优秀教学资源(视频)评比一等奖;2023年教学团队参加江苏省职业院校教学能力比赛荣获二等奖。

4 结语

虚拟仿真可将复杂的机械结构进行可视化重构,学生可在机械未解体的状况下,清晰地看到联合收割机复杂部件的内部构造、连接情况、工作原理。通过虚拟仿真软件对联合收割机各工作部件的技术状态进行虚拟检修,降低了实际教学中的耗材成本,同时大大降低了实操练习中的安全隐患,此技术具有很好的教学应用价值。