基于VR技術的玉米收獲機機械結構設計

湯其建

(永城職業學院,河南 永城 476600)

0 引言

玉米收獲機作為重要的作業設備,特點在于能夠高效率地完成掰取、剝皮、粉碎秸稈等系列動作。近年來,隨著農業機械自動化的不斷應用,其各部件的協調性與可靠性日漸完善。為充分利用當前計算機技術,最大效能地減少玉米收獲機生產制造過程中出現的各種誤差與弊端,筆者查閱國內外相關技術文獻可知:歐美等國家的機械部件結構設計與裝配精度都具有明顯的參考優勢,而我國的玉米自動收割應用較晚。為適應我國地區玉米的生長差異性及優化收獲機整機的設計及裝配性能,擬采用VR技術針對YZB系列的玉米收獲機進行主體結構設計探討。

1 玉米收獲機原理及構成

玉米收獲機主要由摘穗箱體、剝皮裝置、輸送裝置及高速的旋轉割臺裝置組成,通過對待收獲的玉米秸稈進行整齊喂入,內外摘輥的高度差實現精準摘穗。由驅動與轉向變速裝置組成的穗莖兼收收獲機如圖1所示。工作原理:摘穗機構進行玉米垂直狀態摘取果穗,并分別通過秸稈輸送裝置與籽粒輸送裝置到達下一工序,實現自動玉米摘穗與秸稈粉碎。

表1為常用農田玉米收獲機的主要性能參數指標。由表1可知:在配備足夠動力的條件下,保證一定轉速的收獲機切碎轉速和拉莖輥部件的旋轉轉速,通過部件間的協調有序作業,可同步完成玉米秸稈的粉碎與玉米籽粒的剝離輸送,大大節約了人工作業時間。

表1 常用農田玉米收獲機主要性能參數

2 理論模型與結構設計

2.1 理論模型建立

通過計算機VR場景進行玉米收獲機結構部件設計,核心在于分配好參數的約束、裝配單元體及層級關系,以此建立VR技術應用機械設計理論模型API(裝配工藝信息模型)為

(1)

式中PDI—玉米收獲機裝配工藝基準;

PTI—玉米收獲機工裝設計;

ICI—玉米收獲機裝配互換協調;

PAI—玉米收獲機裝配工藝余量;

DMI—玉米收獲機裝配數字測量;

LDI—玉米收獲機定位基準;

ADI—玉米收獲機裝配基準;

TDD—玉米收獲機工裝設計基準;

LAF—玉米收獲機裝配布局;

LOF—玉米收獲機裝配定位;

CF—玉米收獲機裝配夾緊;

AF—玉米收獲機裝配輔助;

CICI—玉米收獲機部件協換;

SCICI—玉米收獲機裝配組件協換;

PICI—玉米收獲機零件協換。

為保證準確的收獲機各機械部件裝配關系,考慮各項制約因素,進行VR場景的核心零部件信息模型深入劃分和相應的配合約束定義,如表2所示。經周密工藝裝配規劃后實施虛擬化仿真,同時對裝配要求不符合的結構特征進行針對性修改,確保設計裝配合理有效。

表2 VR場景玉米收獲機核心零部件信息模型劃分及配合約束

虛擬空間下進行玉米收獲機的核心部件組裝,給出標準可行的結構設計流程,如圖2所示。首先,導入預先設計好的零部件工裝工具模型,進行收獲機主要結構模型的信息轉換,開始虛擬裝配工藝環節;通過機械裝配條件有效性檢查分析,按照一定的裝配路徑,得到并導出收獲機機械結構設計與裝配的信息文檔,完成一次VR操作。

圖2 基于VR技術的玉米收獲機結構設計流程簡圖

2.2 結構設計

考慮玉米收獲機的通用性及高適應性,零備件采用標準農機設計規范要求,將該玉米收獲機的機架底盤及割臺裝置重點加固,確保整機作業受力強度。尺寸特征確定后進行VR環境下的結構裝配分析,如圖3所示。將主體結構虛擬裝配系統劃分為設計裝配過程、功能結構仿真與整機工作原理仿真3大模塊展開虛擬裝配的影響因素與結構特性判定。

圖3 VR環境下玉米收獲機結構裝配分析簡圖

進行機械動力學與機構運動學的分析,以玉米收獲機實體裝配可視化為目標,建立如表3所示的核心機構模型運算方法列表。設定VR環境宏觀控制下的主要機體結構模型信息提取與干涉關系,主要包括零件的本質屬性編號與類型、自由度等幾何信息、裝配工具及順序等工藝信息、裝配體的結構特征及關系信息等4部分,從而形成完整的裝配序列。通過特征選取和類型判定,進行VR控制下的玉米收獲機裝配模型工藝處理,流程如圖4所示。

表3 玉米收獲機核心機構模型建立運算列表

圖4 VR場景下的玉米收獲機裝配模型工藝信息處理過程

2.3 裝配模型構建

工藝信息處理完成后,進行機械裝配模型構建。VR場景可充分為機械操作人員提供直觀性和調控性優勢條件,VR技術下需在選定參考方向和裝配工裝的前提下,著重考慮收獲機裝配體的位置與配合關系及各零部件間的正確連接方式與干涉關系等,經前期精密的數值分析計算與細致化干涉檢查等系列操作后,進行收獲機實體機構裝配仿真。

針對核心部件合理化搭建虛擬裝配的特征與后臺控制裝配語義關系(見圖5),就裝配零部件單體間的互為干涉著重處理,結合在VR場景下的零部件配合屬性信息設置表(如表4所示),采用如圖6所示的VR裝配處理流程,通過判定是否為最后一個零部件,從而集中同一方向進行位姿的對比與調整,遍及6個基本方位進行對比,實現干涉性分析。

表4 基于VR技術的玉米收獲機零部件配合屬性設置

圖6 進行玉米收獲機VR裝配干涉處理流程簡圖

3 結構設計VR試驗

3.1 條件設置

進行玉米收獲機的機械結構設計VR試驗,采用統一有效可測量的坐標系進行裝配,形成如圖7所示的結構虛擬裝配試驗條件簡要設置。經物理模型的數據格式轉換導入VR裝配軟件Virtools,實現在手動與自動的兩種模式下進行功能腳本編制和裝配操作程序執行前置條件準備。

圖7 玉米收獲機結構虛擬裝配試驗條件簡要設置

同時,滿足如下軟、硬件配備:①操作系統為2003SERVER以上;②Visual C++6.0以上開發軟件;③Pro/E2.0或UG6.0以上設計軟件;④高清晰圖像工作站點;⑤XML2.0文本編輯環境等。

3.2 過程分析

VR環境下進行裝配,可有效避免部件實體裝配的碰撞損傷,同時節省裝配時間,實現精準設計模型裝配干涉量控制。以點的位置移動和部件距離計算為數據支撐,設置收獲機部件間干涉處理部分程序代碼為:

…

Public Function::CAAMmr Get Part Form Product

(spChild.ospContainer.ospPar

tFromProduct);

…

CATIMovable_varpMoveProd= NULL_var;

spChild->Query Interface(IID_CATIMovable,

(void**)&pMoveProd;

…

spNurbs Result Sur->Set One Control Point

(I,j,AllMathPoint List[index+1]+_Editor()14->

Get Value()*Normal Vector);

{…

Test DisList. Append (MinDis);

Test ResultStrList. Append (“jianxi”);

}

else {…

Test DisList. Append (MinDis);

Test ResultStrList. Append (“guoying”);

…

經VR裝配試驗,得到玉米收獲機的相鄰部件裝配模型和主體底盤的整體裝配模型(見圖8),實現了虛擬機械零部件裝配的可視化與直觀化,可及時發現并修正機械設計及裝配過程中存在的誤差及風險問題,結果表明:通過VR軟件導出系列參數化數據與實際設計裝配吻合度較高,VR技術下的玉米收獲機機械結構設計與裝配可行。

(a) 相鄰部件裝配模型

4 結論

1) 以穗莖兼收玉米收獲機為研究對象,在深入分析其作業機理與主要結構組成的基礎上,充分考慮機械結構間的運動協調配合性,以摘穗、剝皮、輸送、秸稈粉碎等過程為工藝線路,結合系列機構參數對其進行裝配工藝分析。

2) 建立VR環境下玉米收獲機機械結構設計與裝配的理論模型,經結構實體設計與裝配工藝信息處理,設置虛擬裝配的特征約束條件與語義控制信息,進而利用計算機仿真進行VR裝配試驗。

3) VR試驗實現了農業機具裝配可視化設計裝配目標,在農機零部件裝配設計規劃領域可對實際生產制造提供參考指導,具有較大的推廣價值。