基于虛擬仿真技術的收割機零部件智能化裝配研究

李權，陳慶

（1.婁底職業技術學院 機電工程學院，婁底 417000；2.昆明理工大學 機電工程學院，昆明 650000）

裝配在制造領域具有舉足輕重的地位[1-4]，尤其對構造冗雜的收割機零部件，實現對收割機零部件的智能化裝配不僅可以大大降低生產時長，還可節約人力資本，提升裝配效率。為此眾多學者對收割機零部件智能化裝配展開大量調查研究：文獻[5]提出基于IWOA-LSSVM 的收割機零部件智能化裝配方法，但裝配的實際效果不理想，裝配路徑規劃較為繁瑣；文獻[6]提出基于機器視覺的收割機零部件智能化裝配方法，該方法在提升收割機零部件智能化裝配用時的同時，也暴露該方法適用范圍較小的弊端；文獻[7]提出基于三維點云的收割機零部件智能化裝配方法，該方法雖然可準確挑選并裝配收割機零部件，但裝配效率較低[8]。

虛擬仿真技術又稱模擬決策技術，該技術先建立待解決問題模型，其次對該模型進行動態試驗，最終根據所得結果完成待解決問題的優選與評估。因此本文提出基于虛擬仿真技術的收割機零部件智能化裝配，實現對收割機零部件的準確智能化裝配。

1 收割機零部件智能化裝配

1.1 基于Pro/E 的收割機零部件三維建模

利用操控簡易、建模性能強大的Pro/E 軟件，實現對收割機零部件三維模型的構建，為后續收割機零部件智能化裝配奠定基礎，利用Pro/E 軟件對收割機零部件構建三維模型時，應先確定收割機零部件制作意向，設定零部件核心方位尺寸，繪制零部件草圖，以此為基礎完成收割機零部件二維圖像的繪制，其次利用相關操作構建收割機零部件三維立體模型，此后可根據構建的收割機零部件三維模型，通過收割機零部件智能化裝配結構樹模型實現收割機零部件的虛擬智能化裝配。在智能化裝配流程中可選取恰當的零部件約束關聯，對裝配結束的收割機零部件運動屬性以及力學屬性完成仿真，詳細過程如圖1 所示。

圖1 收割機零部件三維虛擬仿真設計過程Fig.1 3D virtual simulation design process of harvester parts

1.2 收割機零部件虛擬裝配

1.2.1 收割機零部件智能化裝配過程

收割機零部件智能化裝配過程主要由以下3個方面構成：

（1）確立收割機的標準零部件以及裝配零部件：收割機標準零部件屬于假設對應不變的零部件，通常選擇位于收割機零部件裝配樹層次中，和數量最大的子裝配體或者零部件具備關聯以及匹配聯系的子裝配體或者零部件，而收割機裝配零部件具有可運動特點。

（2）基于三維虛擬仿真空間構建收割機零部件的裝配約束關系：零部件轉動約束、零部件轉動角度總和約束與最小距離約束等較為常見的收割機零部件約束關系。

（3）安置收割機裝配零部件于大概方位：將收割機裝配零部件安置于標準零部件相近的恰當方位，收割機智能化裝配體系會直接辨識并判定操控者對收割機零部件的裝配意向，便于收割機零部件的高效、正確智能化裝配。

1.2.2 構建收割機零部件智能化裝配結構樹模型

收割機零部件智能化裝配結構具有層級聯系，每個收割機成品由各個層級的子裝配體以及零部件構成，而每個子裝配體又由多個子裝配體和零部件構成，以此反映某種層級關系。一般通過收割機零部件裝配樹的構成，表達收割機零部件裝配體、子裝配體以及零部件間的層級關聯，反映收割機與零部件間的父子關聯屬性，如圖2 所示。使用裝配樹來描述收割機成品的結構，在裝配樹中，根節點表示收割機的總裝配體，中間節點表示子裝配體，葉節點則代表構成收割機成品的不同零部件。通過裝配樹，可以清晰地展示收割機的組成部分以及它們之間的層次關系，幫助工程師進行裝配路徑的規劃和優化。

圖2 收割機零部件智能化裝配結構樹Fig.2 Intelligent assembly structure tree of harvester parts

1.2.3 基于三維虛擬仿真空間的零部件裝配約束

三維虛擬仿真空間可以提供可視化的界面，使設計師能夠直觀地觀察和分析零部件的裝配過程。設計師可以通過旋轉、縮放和移動虛擬模型來進行交互操作，從而更好地理解裝配約束，檢測可能的沖突并進行調整。基于三維虛擬仿真空間進行收割機零部件裝配約束，包括零部件轉動約束、零部件轉動角度總和約束與最小距離約束。

零部件轉動約束：為了確保收割機零部件在轉動過程中不發生相互干涉，并且轉動累加的角度最小，式（1）描述了零部件轉動累加的角度。

式中：θ 和f1（θ）分別為收割機零部件的轉角以及轉動累加的角度；θi和θ′分別為第i 個零部件的開始旋轉角度以及第i 個零部件抵達目標方位的旋轉角度。

零部件轉動角度總和約束：為了實現收割機零部件智能化裝配流程中零部件的穩定性，并確保所有零部件的旋轉角度方位相同且轉動角度總和最小，式（2）描述了零部件轉動角度總和的計量，其中懲罰參數和進化系數用于調節約束的權重[9]。

式中：ξi為懲罰參數與進化系數。如果收割機零部件鄰近旋轉角的轉動方位相同，則ξi=1；如果收割機零部件鄰近旋轉角的轉動方位不相同，則（t 表示進化系數）。懲罰參數會隨著進化系數的增大而增加，此時選取收割機零部件鄰近旋轉角度θi-θi-1的平方之和，計量收割機零部件智能化裝配的流暢度。

最小距離約束：為了確保收割機零部件裝配流程中的零部件穩定，需要檢查零部件與其他障礙物體之間的最小距離是否比設定的安全距離ds大，使用式（3）描述：

1.2.4 收割機零部件智能化裝配路徑規劃

基于上述設定的約束條件，進行收割機零部件智能化裝配路徑規劃，通過式（4）描述本文對收割機零部件智能化裝配路徑的規劃：

式中：x、D（x）、f1（θ）、f2（θ）分別為起始點至終止點的路徑以及尋優目標。

為使收割機零部件智能化裝配路徑距離最小，應先優化收割機零部件智能化裝配路徑全部距離D（x），通過式（5）描述收割機零部件智能化裝配路徑距離計量函數：

式中：N、Ai分別為收割機零部件智能化裝配路徑的節點數量、裝配路徑中的第i 個節點；（xi，yi，zi）、d（Ai，Ai+1）分別為Ai的坐標以及鄰近節點Ai和Ai+1間的距離。

1.3 收割機零部件智能化裝配規劃路徑求解

為了解決收割機零部件智能化裝配中路徑規劃不準確、路徑規劃耗時較長的問題，本文選取遺傳蟻群算法實現收割機零部件智能化裝配規劃路徑求解[10]，遺傳蟻群算法能夠全局搜索最優解，避免陷入局部最優，同時還能保持種群的多樣性，避免過早收斂導致的規劃路徑無效問題。

2 結果與分析

選取某公司生產的TB60 型號收割機為本文實驗對象，該收割機具體參數如表1 所示。

表1 TB60 型號收割機參數Tab.1 TB60 model harvester parameters

應用本文方法對選取的TB60 型號收割機中的零部件進行三維建模，以主軸箱傳動零件為例，得到其三維建模圖如圖3 所示。

圖3 TB60 型號收割機主軸箱傳動零件三維建模Fig.3 3D modeling of spindle box drive parts of TB60 harvester

從圖3 中可以看出，本文應用虛擬仿真技術較為精準地還原了TB60 型號收割機中主軸箱傳動系統的零部件構造，所得到的三維建模圖與實際零部件基本符合。應用本文方法對收割機零部件的智能化裝配效果如圖4 所示，可以看出本文方法可獲取準確的收割機中零部件的裝配體信息，展現了對TB60型號收割機進行裝配的分步驟具體過程，能夠清楚準確地給出裝配方案和不同零件間的安裝位置及次序，能夠較好地實現對收割機零件的智能化裝配過程。

圖4 TB60 型號收割機智能化裝配過程Fig.4 TB60 type of harvester intelligent assembly process

為了評估本文所提方法中的算法性能，通過對規劃路徑的求解進行分析，探究本文方法對收割機零部件智能化裝配規劃路徑的求解效果，本文以不同遺傳蟻群算法迭代數量為基礎，應用該算法得到的求解結果如圖5 所示。分析圖5 可知，在迭代數量大約為45 次時，本文方法可獲取收割機零部件智能化規劃裝配最短路徑僅為14 cm 左右，同時可行解的數量在35 個附近，說明本文方法可實現收割機零部件智能化規劃裝配路徑求解。

圖5 智能化裝配規劃路徑求解結果Fig.5 Intelligent assembly planning path solution results

應用前文步驟，通過仿真實驗的方式對TB60型號收割機零部件智能化裝配的路徑進行規劃，生成以工作臺為操作范圍的二維坐標圖和相應的規劃路線。采用本文方法后得到的裝配路徑如圖6 所示，圖中S 和G 分別表示收割機零部件智能化裝配路徑的起始點以及終止點，I 代表對收割機零部件智能化裝配空間的劃分。對本文方法應用下得到的收割機零部件智能化裝配的路徑規劃結果進行分析可知，本文方法規劃的路徑距離短，在裝配過程中可以避免不必要的彎曲和繞行，能夠確保零部件裝配過程中的安裝精準度和裝配效率，說明本文方法可規劃出最佳的收割機零部件智能化裝配路徑。

圖6 收割機零部件智能化裝配路徑規劃Fig.6 Intelligent assembly path planning of harvester parts

最后，為了探究對TB60 型號收割機零部件智能化裝配的操作效率，分析本文方法應用下的收割機零部件裝配速度，如圖7 所示。分析圖7 可知，當時間為0.15 s 時，本文方法的收割機割臺切割速度為560 mm/s 左右，且隨著零部件裝配工作的推進，速度仍維持在550 mm/s。以上結果說明，利用本文方法完成收割機零部件智能化裝配具有較高的裝配速度，為提升收割機零件裝配作業效率創造有利條件。

圖7 收割機零部件裝配速度結果Fig.7 Harvester parts assembly speed result

3 結語

研究基于虛擬仿真技術的收割機零部件智能化裝配，不僅可實現收割機零部件準確智能化裝配，還可獲取收割機零部件智能化裝配的最優路徑，為提高現代化農業機器效率奠定有力基礎，本文方法對未來收割機零部件智能化裝配具有借鑒意義。