農業機械設計中虛擬拆裝技術的研究

邢 奇 張 杰

（新鄉學院，河南 新鄉 453000）

隨著信息技術、計算機技術以及人工智能等技術快速發展，農業機械的設計也在不斷創新，虛擬拆裝技術的應用較為廣泛，該技術對零部件裝配模型進行虛擬還原，使產品的裝配和拆卸更方便。同時，該技術還具有在設計過程中對零部件進行重復使用、可維護性強以及拆卸過程不容易損壞等優點。在農業機械設計中應用虛擬拆裝技術可以有效提高設計質量，避免因產品設計和裝配過程中的不合理而導致產品在使用過程中存在較多問題，提高產品的實用性和安全性。因此，該文對虛擬拆裝技術進行分析，希望能為農業機械設計提供參考。

1 農業機械設計中虛擬拆裝的方案設計

1.1 構建虛擬拆裝系統

為了使拆裝過程更具真實性，在系統開發中采用虛擬現實技術。虛擬現實技術是一種將計算機圖形圖像處理、人機界面、傳感器以及多媒體等多種技術結合的綜合性技術。它通過計算機來創建一個模擬環境，使用戶具有身臨其境的感覺，并通過與虛擬環境的交互來完成特定任務。虛擬拆裝系統具有虛擬拆裝和虛擬運動2個模塊，該系統可以為用戶提供一個虛擬操作環境，從而快速構建產品模型。用戶可以通過該系統進行拆卸操作，也可以在拆卸前先進行虛擬拆裝。在虛擬拆裝過程中，用戶可以觀察零部件的拆卸過程，并了解零件的具體結構。在完成拆卸任務后，用戶可以將其重新組裝成新零件。在產品裝配過程中，為了保證用戶與零部件的交互和操作安全，需要在用戶與零部件間建立有效的接口[1]。

1.2 功能設計

農機虛擬拆解系統由3個模塊組成，即裝備認知模塊、拆卸模塊和組裝模塊[2]。裝備認知模塊能夠了解農業機械設備中的零件知識，并具備多種功能，例如對虛擬零件進行縮放、旋轉以及多視角觀察，實時顯示零件名稱和工作原理說明等。拆卸和組裝模塊分為演示、練習和提示3個部分，可以展示和訓練農業機械的拆卸、組裝技巧。

在建模過程中，存在2個判定，即刀具判定和零件判定。這2個判定可以以串行或并行的方式進行組合。構建的子體操作-響應模型的基本結構如圖1、圖2所示。

圖1 以并行方式判斷

圖2 以串行方式判斷

在獨立的子體操作-響應模式下，父體操作-響應模式將所有拆裝組件的子體模式串連起來，每個子體操作-響應模式通過自身的包裝界面進行信息傳輸和交流，而父體操作-響應模式是對整個拆裝過程進行控制的。

1.3 拆卸過程的實現

為了對虛擬拆裝進行運動模擬，將拆裝過程分為3個部分，即拆卸、移裝和復位[3]。拆卸是指對產品的零部件進行拆卸操作，在虛擬環境中可以自動識別、定位零部件，再采用碰撞檢測技術對其進行拆卸操作。移裝是指將零件從產品上移開，同時在虛擬環境中模擬真實的運動過程。復位是指在完成拆卸和移裝后，將產品恢復到原來的位置（拆卸是關鍵步驟）。以拖拉機為例，在完成零部件的識別和定位任務后，對零部件的拆卸進行仿真模擬。首先，自動識別和定位零部件，通過三維掃描獲得零部件的三維模型數據，通過坐標變換將其轉換為坐標系上的二維坐標系，并建立該零件與三維模型之間的關系。其次，根據零件的運動信息以及空間關系等數據信息對其進行識別和定位，生成零部件的三維坐標。

1.4 拆卸過程

從對拆卸過程的研究可以看出，拆卸過程可以看成是由拆卸工作構成的。在這些工作中，單人作業任務包括2種類型，分別是拆裝任務和檢查任務。拆裝任務須對零部件進行操作，從而改變其位姿，拆裝操作可以分為2種類型，分別是單手操作任務和雙手操作任務。以零部件是否被限制為依據，還可以對零部件進行細分。在實際拆裝行動中，零部件受限制的操作任務包括對零部件進行推、拉、插、拔、提、使用螺絲刀工具擰螺釘、手動旋轉閥門類零件、使用扳手擰螺栓、開關門、開關蓋以及罩類零件等。零部件不受限制的操作任務以搬運零部件為主，而檢查任務則與環境是否清潔、設備是否正常、連接是否緊固、有無漏油、有無異響以及進行注油等操作對應。多人作業任務包括2種類型，一種是協同配合任務，另一種是分工作業任務。根據是否對同一個零部件進行操作，協同配合任務可以被劃分為協同操作任務和作業配合任務。協同操作任務與實際拆裝動作中協同搬運大型設備、協同轉動零部件以及協同推動零部件等對應，協同配合任務是指多個人員同時進行單人作業任務，但是作業對象間存在配合關系，例如1個人固定零部件1個人作業、指揮人員與作業人員互相配合等。分工作業任務是指當作業時間較苛刻時，由多個人員分別完成拆裝任務。

拆卸時一般要考慮拆卸次序和扭矩要求。如果拆裝次序不正確，就可能會造成非常嚴重的后果，例如發動機氣缸頭部螺栓拆除安裝需要沿對角線進行，如果胡亂拆除，就會造成滲漏、漏氣以及漏油等后果。扭矩需求是指在較復雜的裝備上對零件進行緊固往往有特定的扭矩要求，扭矩太大或者太小都會對零件造成破壞。

2 拆裝模型設計

2.1 邏輯判斷規則

要完成完整的虛擬拆裝任務，就需要考慮以下因素：拆裝工具（正確選取）、要拆裝的部件（正確部件）、角色動作（動作相應）以及拆裝順序（時序正確）。在虛擬現實系統中，通過邏輯關系對信號發送開關進行控制，以保證拆裝操作的正確性。在整個拆裝過程中，存在許多可能的判斷（True or False），每個消息的發送都遵循特定的規律。使用者必須經過謹慎處理才能確保信息的發送符合實際拆裝的意圖[4]。

2.2 操作-響應模型

對邏輯判規則進行探討只是給虛擬拆裝帶來了一個完整的邏輯思路，該邏輯思路是隨著相關人員在現實拆裝過程中所遇到的拆卸規律而形成的。

在實際應用中，通過組合拆裝規程、邏輯關系描述和狀態描述來構建生成式系統的規則，并根據拆裝行為的特點合理決定生成式系統的邏輯控制策略，從而構成系統的操作-響應模型。當虛擬拆裝系統中的拆卸過程比較穩定時，可以使用該算法進行拆卸。拆裝操作-響應模型的建立與拆裝行為特點是緊密相關的。由于待開發的體系中的分解和組裝都是通過信息流來描述的，因此，在信息流中加入若干分支，從而建立一個“操作-響應”的模型，即通過分析“開關”變化來構建該模型。

2.3 子體操作-響應模型

子體操作-響應模型（Substrate Operation of Response）是一種基于拆裝工具、待拆卸零件以及角色行為3個元素提出的模型，該模型可以較好地解釋使用者的拆卸行為與機械反應行為的因果聯系，其基本原則如下：只有選擇合適的拆裝工具并正確拆裝零件，系統才會做出響應并播放對應的角色動作和零件。如果只選定其中1項，那么系統將無法做出響應。同時，將子體模型包裝起來，使其與父體操作-響應模型匹配。因此，該系統中的子體操作-響應應模型僅適用于某個環節中的單一組件，且在該環節中不會對其他環節的組件造成任何影響，而在完成該環節后，將會在某種程度上影響父體動作-反應模式。

當建立模型時，有2次判定，即刀具判定和零部件判定，這2次判定（Test01、Test02）可以采用串聯和平行方式。通過2種結合方法建立的子體操作一響應模型的基本結構圖如圖3、圖4所示。

圖3 以并行方式進行判斷

圖4 以串行方式進行判斷

2.4 父體操作-響應模型

該文提出了一種基于“父體操作”的響應模型，該模型可以解決用戶和對象交互順序的問題。假設子單元“動作-反應”模式獨立，父單元“動作-反應”模式將各拆卸部件的“動作”模式串連在一起，使各拆卸部件間可以通過其封裝界面傳遞、交互數據，還可以從全局角度對拆卸部件“動作”進行控制。其中，父體操作-響應模型的運行規律必須以機械裝置的真實運行過程為依據。父體操作-響應模型的基本構成如圖5所示。

圖5 父體操作-響應模型

3 試驗驗證

該文以排種器為例，通過虛擬現實軟件對其進行建模，并在Unity3D平臺上進行拆卸和互動操作，完成對象添加刪除、位置移動、材質更換、碰撞檢測以及動作觸發等互動操作。該文設計最顯著的特點就是可以完整且唯一地表達物體并包括設計中的完整信息，該設計方法可以更好地輔助機械制造，確保滿足加工零件的精度要求。機械制圖（CAXA）具有單一數據庫的特性，整體組件間具有相關性，當某個組件被更改時，其相應組件會被自動替換，并且可以及時地反應組件的動態變化。虛擬拆裝仿真排種器的結構如圖6所示，主要部件包括殼體、排種盤、殼蓋、風嘴、排種軸、出風口以及退種刀等。該排種器是一種氣吹式窩眼精密排種器，主要用于播種大顆粒種子。

圖6 排種器

當工作時，排種器的驅動輪通過地輪驅動排種軸，排種盤隨之旋轉。窩眼在充種區內充種，然后移至正壓風嘴下方進行清種。在排種區內，退種刀和重力共同作用，從而排出種子。

CAXA實體模型無法直接導入Unity3D中。盡管Unity3D支持多種外部模型格式，例如mb格式、mal格式以及maxl格式等，但是3DMax支持FBX格式，3DStudio支持3ds格式，并不兼容CAXA格式。因此，必須先在3DMax中對CAXA的實體模型進行處理，再導入到Unity3D中使用。

在加工期間，不對材料進行任何改動，以FBX格式導出模型，并將該文件導入Unity3D中。在導入過程中可能會出現一些問題，例如x軸的偏移、材質和縮放因子等（建立的模型如圖7所示）。

圖7 建立模型

x軸偏移問題可能是由將3DMax導出的3ds或者FBX文件導入Unity3D時存在的差異引起的。針對材質問題，無論通過何種方式將模型導入Unity3D中，都可能導致材質無法顯示。因此，需要重新設置材質。針對縮放因子問題，Unity3D中的單位是FBX文件中單位的100倍，如果希望在Unity3D中使用的單位為1 m，就需要在3DMax中將單位設置為厘米（1 cm=0.01 m），以此類推。

通過以上處理，可以在Unity3D中使用經過3DMax處理的CAXA實體模型。然而，需要注意解決可能出現的x軸偏移、重新設置材質和調整縮放因子等問題，確保模型在Unity3D中可以正確顯示和使用。

4 三維交互界面的設計

4.1 虛擬拆裝技術

采用虛擬拆裝技術可以解決在傳統裝配過程中出現的問題。將產品數字化并進行虛擬拆裝，通過檢測裝配順序、路徑及裝配精度，可以得到裝配的相關信息并對裝配效果進行評價。

同時，該系統可以與使用者實時互動，根據組裝過程中得到的組裝結果快速對產品進行優化，保證產品在設計過程中的匹配度和可組裝性。在該基礎上，該文提出了一種基于人機交互的虛擬組裝方法，保證組裝的合理性、正確性，從而達到高品質組裝的目的。

未來，虛擬組裝技術將會是一種主要的組裝方法，為傳統裝配帶來更高效、精確和可靠的解決方案。設計者采用虛擬裝配技術在設計階段就可以評估裝配性能，提前發現和解決潛在問題，從而節省時間和成本，進而提高產品質量。

4.2 排種器組裝次序及零件位移和修改

虛擬拆卸是指利用鼠標或手柄在一個虛擬的環境中完成拆卸工作的交互式系統。當組裝時，零部件的組裝次序非常關鍵。確定組裝次序的方法一般可以分為2類：1） 根據組裝工藝確定組裝次序。2） 根據拆卸工藝確定組裝次序。對各部件的排列順序進行排序，形成不同的組裝次序[5]。

在選定一個零件后，對應的拆裝順序檢測模塊會對其進行分析，從而判定選定零件的編號與系統預先確定的編號是否相符，或者通過零件間位置的制約關系來判定選定的零件能否被移動，最后確定是否進行拆裝操作。

該文采用拆卸和安裝工藝是從裝配體中拆除零件并將其移出裝配體。排種器的拆裝順序如圖8所示。通過虛擬拆裝技術可以有效地模擬并指導實際的拆裝過程，提高裝配的效率和準確性。

圖8 排種器拆裝順序圖

5 結語

該文提出了一種基于虛擬現實技術的農業機械虛擬拆裝系統的總體結構，對系統各模塊功能進行詳細介紹，并根據實際需求對系統的界面設計、虛擬場景構建、虛擬拆裝及拆卸等主要功能進行深入分析。根據農業機械的特點，該文開發了一個人機交互良好、操作簡便的農業機械虛擬拆裝系統。該系統能夠實現用戶與虛擬拆裝場景間的交互式操作，且能夠對仿真結果進行實時顯示和動畫演示，達到了預期的效果。綜上所述，該系統為農業機械的設計提供了一個方便快捷的方法，利用該系統可以對農業機械進行虛擬拆裝，提高了工作效率，降低了成本，縮短了產品開發周期。