基于虛擬仿真技術(shù)的收割機(jī)零部件智能化裝配研究

李權(quán)，陳慶

（1.婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，婁底 417000；2.昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650000）

裝配在制造領(lǐng)域具有舉足輕重的地位[1-4]，尤其對(duì)構(gòu)造冗雜的收割機(jī)零部件，實(shí)現(xiàn)對(duì)收割機(jī)零部件的智能化裝配不僅可以大大降低生產(chǎn)時(shí)長(zhǎng)，還可節(jié)約人力資本，提升裝配效率。為此眾多學(xué)者對(duì)收割機(jī)零部件智能化裝配展開(kāi)大量調(diào)查研究：文獻(xiàn)[5]提出基于IWOA-LSSVM 的收割機(jī)零部件智能化裝配方法，但裝配的實(shí)際效果不理想，裝配路徑規(guī)劃較為繁瑣；文獻(xiàn)[6]提出基于機(jī)器視覺(jué)的收割機(jī)零部件智能化裝配方法，該方法在提升收割機(jī)零部件智能化裝配用時(shí)的同時(shí)，也暴露該方法適用范圍較小的弊端；文獻(xiàn)[7]提出基于三維點(diǎn)云的收割機(jī)零部件智能化裝配方法，該方法雖然可準(zhǔn)確挑選并裝配收割機(jī)零部件，但裝配效率較低[8]。

虛擬仿真技術(shù)又稱模擬決策技術(shù)，該技術(shù)先建立待解決問(wèn)題模型，其次對(duì)該模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，最終根據(jù)所得結(jié)果完成待解決問(wèn)題的優(yōu)選與評(píng)估。因此本文提出基于虛擬仿真技術(shù)的收割機(jī)零部件智能化裝配，實(shí)現(xiàn)對(duì)收割機(jī)零部件的準(zhǔn)確智能化裝配。

1 收割機(jī)零部件智能化裝配

1.1 基于Pro/E 的收割機(jī)零部件三維建模

利用操控簡(jiǎn)易、建模性能強(qiáng)大的Pro/E 軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)收割機(jī)零部件三維模型的構(gòu)建，為后續(xù)收割機(jī)零部件智能化裝配奠定基礎(chǔ)，利用Pro/E 軟件對(duì)收割機(jī)零部件構(gòu)建三維模型時(shí)，應(yīng)先確定收割機(jī)零部件制作意向，設(shè)定零部件核心方位尺寸，繪制零部件草圖，以此為基礎(chǔ)完成收割機(jī)零部件二維圖像的繪制，其次利用相關(guān)操作構(gòu)建收割機(jī)零部件三維立體模型，此后可根據(jù)構(gòu)建的收割機(jī)零部件三維模型，通過(guò)收割機(jī)零部件智能化裝配結(jié)構(gòu)樹(shù)模型實(shí)現(xiàn)收割機(jī)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(dāng)?shù)牧悴考s束關(guān)聯(lián)，對(duì)裝配結(jié)束的收割機(jī)零部件運(yùn)動(dòng)屬性以及力學(xué)屬性完成仿真，詳細(xì)過(guò)程如圖1 所示。

圖1 收割機(jī)零部件三維虛擬仿真設(shè)計(jì)過(guò)程Fig.1 3D virtual simulation design process of harvester parts

1.2 收割機(jī)零部件虛擬裝配

1.2.1 收割機(jī)零部件智能化裝配過(guò)程

收割機(jī)零部件智能化裝配過(guò)程主要由以下3個(gè)方面構(gòu)成：

（1）確立收割機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)零部件以及裝配零部件：收割機(jī)標(biāo)準(zhǔn)零部件屬于假設(shè)對(duì)應(yīng)不變的零部件，通常選擇位于收割機(jī)零部件裝配樹(shù)層次中，和數(shù)量最大的子裝配體或者零部件具備關(guān)聯(lián)以及匹配聯(lián)系的子裝配體或者零部件，而收割機(jī)裝配零部件具有可運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。

（2）基于三維虛擬仿真空間構(gòu)建收割機(jī)零部件的裝配約束關(guān)系：零部件轉(zhuǎn)動(dòng)約束、零部件轉(zhuǎn)動(dòng)角度總和約束與最小距離約束等較為常見(jiàn)的收割機(jī)零部件約束關(guān)系。

（3）安置收割機(jī)裝配零部件于大概方位：將收割機(jī)裝配零部件安置于標(biāo)準(zhǔn)零部件相近的恰當(dāng)方位，收割機(jī)智能化裝配體系會(huì)直接辨識(shí)并判定操控者對(duì)收割機(jī)零部件的裝配意向，便于收割機(jī)零部件的高效、正確智能化裝配。

1.2.2 構(gòu)建收割機(jī)零部件智能化裝配結(jié)構(gòu)樹(shù)模型

收割機(jī)零部件智能化裝配結(jié)構(gòu)具有層級(jí)聯(lián)系，每個(gè)收割機(jī)成品由各個(gè)層級(jí)的子裝配體以及零部件構(gòu)成，而每個(gè)子裝配體又由多個(gè)子裝配體和零部件構(gòu)成，以此反映某種層級(jí)關(guān)系。一般通過(guò)收割機(jī)零部件裝配樹(shù)的構(gòu)成，表達(dá)收割機(jī)零部件裝配體、子裝配體以及零部件間的層級(jí)關(guān)聯(lián)，反映收割機(jī)與零部件間的父子關(guān)聯(lián)屬性，如圖2 所示。使用裝配樹(shù)來(lái)描述收割機(jī)成品的結(jié)構(gòu)，在裝配樹(shù)中，根節(jié)點(diǎn)表示收割機(jī)的總裝配體，中間節(jié)點(diǎn)表示子裝配體，葉節(jié)點(diǎn)則代表構(gòu)成收割機(jī)成品的不同零部件。通過(guò)裝配樹(shù)，可以清晰地展示收割機(jī)的組成部分以及它們之間的層次關(guān)系，幫助工程師進(jìn)行裝配路徑的規(guī)劃和優(yōu)化。

圖2 收割機(jī)零部件智能化裝配結(jié)構(gòu)樹(shù)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(shè)計(jì)師能夠直觀地觀察和分析零部件的裝配過(guò)程。設(shè)計(jì)師可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)、縮放和移動(dòng)虛擬模型來(lái)進(jìn)行交互操作，從而更好地理解裝配約束，檢測(cè)可能的沖突并進(jìn)行調(diào)整。基于三維虛擬仿真空間進(jìn)行收割機(jī)零部件裝配約束，包括零部件轉(zhuǎn)動(dòng)約束、零部件轉(zhuǎn)動(dòng)角度總和約束與最小距離約束。

零部件轉(zhuǎn)動(dòng)約束：為了確保收割機(jī)零部件在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生相互干涉，并且轉(zhuǎn)動(dòng)累加的角度最小，式（1）描述了零部件轉(zhuǎn)動(dòng)累加的角度。

式中：θ 和f1（θ）分別為收割機(jī)零部件的轉(zhuǎn)角以及轉(zhuǎn)動(dòng)累加的角度；θi和θ′分別為第i 個(gè)零部件的開(kāi)始旋轉(zhuǎn)角度以及第i 個(gè)零部件抵達(dá)目標(biāo)方位的旋轉(zhuǎn)角度。

零部件轉(zhuǎn)動(dòng)角度總和約束：為了實(shí)現(xiàn)收割機(jī)零部件智能化裝配流程中零部件的穩(wěn)定性，并確保所有零部件的旋轉(zhuǎn)角度方位相同且轉(zhuǎn)動(dòng)角度總和最小，式（2）描述了零部件轉(zhuǎn)動(dòng)角度總和的計(jì)量，其中懲罰參數(shù)和進(jìn)化系數(shù)用于調(diào)節(jié)約束的權(quán)重[9]。

式中：ξi為懲罰參數(shù)與進(jìn)化系數(shù)。如果收割機(jī)零部件鄰近旋轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)動(dòng)方位相同，則ξi=1；如果收割機(jī)零部件鄰近旋轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)動(dòng)方位不相同，則（t 表示進(jìn)化系數(shù)）。懲罰參數(shù)會(huì)隨著進(jìn)化系數(shù)的增大而增加，此時(shí)選取收割機(jī)零部件鄰近旋轉(zhuǎn)角度θi-θi-1的平方之和，計(jì)量收割機(jī)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(jī)零部件裝配流程中的零部件穩(wěn)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(shè)定的安全距離ds大，使用式（3）描述：

1.2.4 收割機(jī)零部件智能化裝配路徑規(guī)劃

基于上述設(shè)定的約束條件，進(jìn)行收割機(jī)零部件智能化裝配路徑規(guī)劃，通過(guò)式（4）描述本文對(duì)收割機(jī)零部件智能化裝配路徑的規(guī)劃：

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

為使收割機(jī)零部件智能化裝配路徑距離最小，應(yīng)先優(yōu)化收割機(jī)零部件智能化裝配路徑全部距離D（x），通過(guò)式（5）描述收割機(jī)零部件智能化裝配路徑距離計(jì)量函數(shù)：

式中：N、Ai分別為收割機(jī)零部件智能化裝配路徑的節(jié)點(diǎn)數(shù)量、裝配路徑中的第i 個(gè)節(jié)點(diǎn)；（xi，yi，zi）、d（Ai，Ai+1）分別為Ai的坐標(biāo)以及鄰近節(jié)點(diǎn)Ai和Ai+1間的距離。

1.3 收割機(jī)零部件智能化裝配規(guī)劃路徑求解

為了解決收割機(jī)零部件智能化裝配中路徑規(guī)劃不準(zhǔn)確、路徑規(guī)劃耗時(shí)較長(zhǎng)的問(wèn)題，本文選取遺傳蟻群算法實(shí)現(xiàn)收割機(jī)零部件智能化裝配規(guī)劃路徑求解[10]，遺傳蟻群算法能夠全局搜索最優(yōu)解，避免陷入局部最優(yōu)，同時(shí)還能保持種群的多樣性，避免過(guò)早收斂導(dǎo)致的規(guī)劃路徑無(wú)效問(wèn)題。

2 結(jié)果與分析

選取某公司生產(chǎn)的TB60 型號(hào)收割機(jī)為本文實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該收割機(jī)具體參數(shù)如表1 所示。

表1 TB60 型號(hào)收割機(jī)參數(shù)Tab.1 TB60 model harvester parameters

應(yīng)用本文方法對(duì)選取的TB60 型號(hào)收割機(jī)中的零部件進(jìn)行三維建模，以主軸箱傳動(dòng)零件為例，得到其三維建模圖如圖3 所示。

圖3 TB60 型號(hào)收割機(jī)主軸箱傳動(dòng)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(yīng)用虛擬仿真技術(shù)較為精準(zhǔn)地還原了TB60 型號(hào)收割機(jī)中主軸箱傳動(dòng)系統(tǒng)的零部件構(gòu)造，所得到的三維建模圖與實(shí)際零部件基本符合。應(yīng)用本文方法對(duì)收割機(jī)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(zhǔn)確的收割機(jī)中零部件的裝配體信息，展現(xiàn)了對(duì)TB60型號(hào)收割機(jī)進(jìn)行裝配的分步驟具體過(guò)程，能夠清楚準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)對(duì)收割機(jī)零件的智能化裝配過(guò)程。

圖4 TB60 型號(hào)收割機(jī)智能化裝配過(guò)程Fig.4 TB60 type of harvester intelligent assembly process

為了評(píng)估本文所提方法中的算法性能，通過(guò)對(duì)規(guī)劃路徑的求解進(jìn)行分析，探究本文方法對(duì)收割機(jī)零部件智能化裝配規(guī)劃路徑的求解效果，本文以不同遺傳蟻群算法迭代數(shù)量為基礎(chǔ)，應(yīng)用該算法得到的求解結(jié)果如圖5 所示。分析圖5 可知，在迭代數(shù)量大約為45 次時(shí)，本文方法可獲取收割機(jī)零部件智能化規(guī)劃裝配最短路徑僅為14 cm 左右，同時(shí)可行解的數(shù)量在35 個(gè)附近，說(shuō)明本文方法可實(shí)現(xiàn)收割機(jī)零部件智能化規(guī)劃裝配路徑求解。

圖5 智能化裝配規(guī)劃路徑求解結(jié)果Fig.5 Intelligent assembly planning path solution results

應(yīng)用前文步驟，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)TB60型號(hào)收割機(jī)零部件智能化裝配的路徑進(jìn)行規(guī)劃，生成以工作臺(tái)為操作范圍的二維坐標(biāo)圖和相應(yīng)的規(guī)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(jī)零部件智能化裝配路徑的起始點(diǎn)以及終止點(diǎn)，I 代表對(duì)收割機(jī)零部件智能化裝配空間的劃分。對(duì)本文方法應(yīng)用下得到的收割機(jī)零部件智能化裝配的路徑規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行分析可知，本文方法規(guī)劃的路徑距離短，在裝配過(guò)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(guò)程中的安裝精準(zhǔn)度和裝配效率，說(shuō)明本文方法可規(guī)劃出最佳的收割機(jī)零部件智能化裝配路徑。

圖6 收割機(jī)零部件智能化裝配路徑規(guī)劃Fig.6 Intelligent assembly path planning of harvester parts

最后，為了探究對(duì)TB60 型號(hào)收割機(jī)零部件智能化裝配的操作效率，分析本文方法應(yīng)用下的收割機(jī)零部件裝配速度，如圖7 所示。分析圖7 可知，當(dāng)時(shí)間為0.15 s 時(shí)，本文方法的收割機(jī)割臺(tái)切割速度為560 mm/s 左右，且隨著零部件裝配工作的推進(jìn)，速度仍維持在550 mm/s。以上結(jié)果說(shuō)明，利用本文方法完成收割機(jī)零部件智能化裝配具有較高的裝配速度，為提升收割機(jī)零件裝配作業(yè)效率創(chuàng)造有利條件。

圖7 收割機(jī)零部件裝配速度結(jié)果Fig.7 Harvester parts assembly speed result

3 結(jié)語(yǔ)

研究基于虛擬仿真技術(shù)的收割機(jī)零部件智能化裝配，不僅可實(shí)現(xiàn)收割機(jī)零部件準(zhǔn)確智能化裝配，還可獲取收割機(jī)零部件智能化裝配的最優(yōu)路徑，為提高現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)機(jī)器效率奠定有力基礎(chǔ)，本文方法對(duì)未來(lái)收割機(jī)零部件智能化裝配具有借鑒意義。