脫粒機構數字孿生系統構建與應用

摘 要： 農業脫粒機構結構復雜、工況惡劣，在進行實物研究時耗時費力。采用數字孿生系統可以實時監控脫粒機構的工作狀態，預測故障，積累數據并提供解決方案。對脫粒機構數字孿生系統的研究表明，選取脫粒滾筒扭矩、滾筒轉速、軸承溫度、振動加速度及消耗功率作為關鍵參數可對脫粒機構物理實體進行準確地狀態判斷， 運用Unity 軟件和AMESim 軟件構建物理實體的數字孿生系統可用于虛擬仿真，使用ZigBee 無線通信方式進行數據交互能夠滿足數字孿生系統數據交互的需求。

關鍵詞：數字孿生系統；脫粒機構；脫粒滾筒；數字建模；數據交互

中圖分類號：S24 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）08-0034-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.08.006

0 引言

數字孿生系統作為一種新興的技術，近年來受到廣泛關注。數字孿生系統運用數字化技術建立物理實體的虛擬模型，以實現對物理實體的實時監控和仿真分析的技術。數字孿生系統的發展過程可以追溯到20世紀80 年代，當時主要應用于飛行器的仿真分析。目前數字孿生系統已經進入多種領域，如制造業、能源、建筑等，為實體的優化設計、運行管理、故障診斷等提供了新的思路和方法[1-4]。在制造業中，數字孿生系統可以用于產品設計和制造過程的仿真，提高生產效率和產品質量[5-6]。在能源領域，數字孿生系統可以用于電力系統的仿真分析和優化運行，提高能源利用效率和可靠性[7]。隨著計算機技術和傳感器技術的不斷發展，數字孿生系統逐漸發展成熟，成為助力現實設計的一項重要技術，為實體的設計、運行管理、故障診斷等提供新的思路和方法[8-11]。

近年來，數字孿生系統在農業機械領域也有一定的發展。在農機裝備的運行管理方面，數字孿生系統可以實時監控農機裝備的運行狀態，預測故障并提供解決方案，提高農機裝備的使用效率和可靠性。在農機裝備的維修保養方面，數字孿生系統可以通過建立農機裝備的虛擬模型，實現對農機裝備的維修保養和故障排除[12-13]。在農機裝備尤其是脫粒機構設計方面，由于其結構復雜、執行機構繁多等因素，導致在研究設計過程中缺乏高效手段，同時在其作業過程中缺少實時監測方法，不利于后期的故障分析與設計迭代升級[14-15]。在脫粒機構研究中使用數字孿生系統可有效地克服這些問題。

1 脫粒機構結構分析

1.1 工作原理與結構

農業機械中的脫粒機構是用于將作物籽粒從穗中脫離出來的裝置。其基本原理是利用機械力和摩擦力使籽粒脫離穗，主要包括進料口、脫粒滾筒、脫粒凹板、傳動系統、調節機構及籽粒收集系統，結構如圖1 所示。

進料口用于不同類型作物的喂入。脫粒滾筒是脫粒機構的核心部件，通過旋轉滾筒將谷穗壓在滾筒表面，通過滾筒表面的脫粒部件對谷穗進行擠搓、拍打，實現對籽粒的脫離。脫粒凹板位于脫粒滾筒的出料端，通過凹板的孔徑大小和形狀將脫粒后的籽粒與殘留物分離。作物籽粒由凹板縫隙在重力作用下落入下方的籽粒收集系統內；脫粒后的雜物如稻殼或玉米芯等由脫粒滾筒尾部排出。脫粒機構傳動系統包括電機、減速機、傳動軸等，通過傳動系統將滾筒和篩板帶動旋轉，實現脫粒功能。調整機構用于調整滾筒和篩板的位置和角度，以適應不同作物的籽粒大小和形狀；在谷物喂入量過大時，通過調整機構也可防止堵塞情況的發生。

1.2 關鍵參數及監測方法

由于脫粒機構體積龐大、結構復雜，從外部難以確定其工作情況。選取合理的監測參數，實時獲取脫粒機構的工作狀態，可以有效地確定各部件的作業情況。另外存儲檢測參數后形成歷史數據，通過數據分析還可以對故障進行預測。在監測脫粒機構的作業狀態時，選取的重要參數有以下5 個。

（1）滾筒扭矩與轉速。監測整個脫粒滾筒系統輸入端的滾筒扭矩和轉速，由滾筒扭矩可以獲得當前脫粒滾筒的轉動阻力，對滾筒扭矩變化率的監控還能及時預測滾筒的堵塞發生情況；而滾筒轉速反映脫粒效率與脫粒質量，對于脫粒系統的安全運行及控制脫粒的破損率至關重要。采用在驅動軸上串接扭矩和轉速傳感器的方法得到滾筒扭矩與轉速。

（2）溫度。監測脫粒機構的溫度，如傳動軸軸承溫度、脫粒滾筒軸承溫度，可以判斷其是否正常運行。如果溫度過高，可能是由于潤滑失效、堵塞等原因導致的過載，需要進行檢查和調整。溫度測量采用埋設熱電阻的方法進行，溫度測量范圍?100～600 °C、誤差0.1 °C，可以滿足實時監控的需要。

（3）振動加速度。監測脫粒機構的振動加速度情況可以判斷其是否有零部件松動或損壞。如果振動加速度過大，需要及時停機檢查。部件的振動加速度測量使用加速度計，固定于支撐軸承座底部。對于振動加速度信號的采集，不僅能夠獲得脫粒系統不同部位的振動強度，而且對信號進行快速傅里葉變換后，獲得振動的頻域分布及不同頻率上的振動能量分布，可以得到更直觀的機構狀態信息。

（4）消耗功率。監測脫粒機構的消耗功率可以統計其工作效率，為后續的節能設計提供參考數據，同時也能判斷脫粒機構是否正常運行。如果消耗功率過大，可能是由于過載或故障等原因導致的，需要進行檢查和調整。消耗功率的測量采用在驅動系統電源上增加功率計的方法實現。

2 數字孿生系統設計與構建

聯合使用Unity 和AMESim 軟件，可以實現對脫粒機構數字孿生系統的建模和物理仿真，并且能夠實現對脫粒機構的虛擬優化和可視化展示。

2.1 脫粒機構數字孿生系統可視化模型構建

脫粒機構數字孿生系統的三維可視化模型是在虛擬世界中與其實體物理系統緊密對應的虛擬模型，虛擬模型是通過對實體物理系統的數據進行采集、處理和建模而得到的。虛擬模型中的可視化模型可用Unity軟件實現，它在進行數字孿生系統的三維可視化建模時有4 方面優點。

（1）可視化建模。Unity 軟件提供了可視化建模工具，使得用戶可以直觀地創建、編輯和調整可視化模型，避免了傳統建模方式中繁瑣的手動建模過程。

（2）實時渲染。Unity 軟件支持實時渲染，可以在模型構建的同時實時預覽模型效果，從而快速發現和修復問題。

（3）物理仿真。Unity 軟件的物理引擎可以對可視化虛擬模型進行物理仿真，包括碰撞檢測、重力模擬、動力學等，更真實地模擬實際物理場景。

（4）多平臺支持。Unity 軟件支持多平臺發布，可以將可視化虛擬模型導出到多種平臺，如PC、移動設備、Web 等，方便用戶在不同平臺上查看和使用可視化虛擬模型。

利用Unity 軟件對脫粒機構物理實體進行可視化虛擬建模，如圖2 所示，可視化虛擬模型按照其工作狀態可自由運動。根據物理實體的輸入數據，可以直觀了解脫粒機構的運行狀態。

2.2 脫粒機構物理仿真模型構建

脫粒機構控制系統及物理仿真模型使用AMESim軟件實現。AMESim 軟件是一種多領域仿真平臺，它基于動態建模方法建立物理元件的數學模型，提供面向眾多學科領域的專業應用庫，包括控制、熱、液壓、多相流、電氣電子系統、電磁、機械與動力傳動及動力學等。將脫粒系統按動力執行機構、控制系統分解后，即可創建使用AMESim 軟件的內置子模型設計出完整的仿真模型，并通過導入傳感器數據，對系統進行穩態、瞬態或頻響計算，分析系統性能。

脫粒機構的物理仿真模型主要由調節機構模塊、驅動系統模塊、傳動系統模塊、脫粒滾筒變載模塊和數據存儲模塊組成，系統模型如圖3 所示。

調節機構模塊由數據輸入模型、調節驅動電機模型、凸輪模型和彈性接觸模型組成。將物理實體中測量到的電機速度作為輸入，通過子模型組合，最終輸出調節機構的位移量。

驅動系統模塊以實體結構的測量轉速作為輸入，接入電動機模型后，通過扭矩轉速傳感器模塊及變速機構，將動力傳輸至傳動系統。同時，仿真模型將轉速、扭矩信號輸出，結合調節機構模型輸出的位移量，構成神經網絡的輸入。

傳動系統模塊主要由輸入端阻尼模塊、傳動慣量及輸出端阻尼模塊組成。主要功能是傳遞電機的扭矩，并能夠按照轉速變化對傳遞過程中產生的庫倫摩擦阻力和黏滯摩擦阻力進行仿真模擬。

脫粒滾筒變載模塊由脫粒滾筒慣量、可變旋轉阻尼、可變旋轉彈性系數及阻力系統構成。在脫粒過程中，由于作物谷穗的運動狀態與受力狀態變化巨大，難以使用簡單的數學模型或已有的軟件子模塊進行仿真。因此，本研究通過一種具有隱藏層的受限前饋神經網絡模型對脫粒滾筒進行仿真。與脫粒狀態有直接關聯的3 個主要參數：滾筒轉速、滾動轉矩和調節機構位移量，通過神經元接入神經網絡模型，并將可變旋轉阻尼和可變旋轉彈性系數作為神經網絡的輸出。將前期試驗得到的歷史數據進行預處理，對其進行標準化后，統一其范圍至[?1， 1]，以便于后期神經網絡實現快速收斂。設計神經網絡的隱藏層及激活函數后，通過數據訓練和模型檢測對神經網絡進行調整和優化，最終應用在AMESim 模型中。

數據存儲模塊將仿真得到的可變旋轉阻尼和可變旋轉彈性系數進行記錄，使用信號記錄子模型將數據以ASCII 碼格式進行存儲，便于后期使用和優化。

3 數字孿生系統數據傳輸與應用

脫粒機構的物理實體和數字孿生系統的可視化虛擬模型只有通過數據交換才能實現兩者之間的相互映射和動態交互。在物理實體上設置的多種傳感器數據需要通過適合的傳輸方式，進入可視化虛擬模型。

在傳輸方式上選擇無線傳輸，具有靈活性大、易于擴展和抗干擾能力強的優點。無線傳輸不需要布線，因此可以方便地在脫粒機構各個位置上快速布置，實現靈活的數據交換。無線傳輸可以通過增加節點數量來擴展網絡規模，非常適合需要大量設備的數據傳輸場景。此外，在某些惡劣的環境條件下，無線傳輸可以克服有線傳輸的局限性，實現穩定的數據傳輸。

在多種無線通信方式中，ZigBee 是一種基于IEEE802.15.4 標準的低功耗無線通信技術，具有低功耗、低成本、短距離通信及可靠的數據傳輸等優點，并且ZigBee 網絡可以方便地擴展到多個設備，適用于需要連接多個設備的場景，可以滿足在數字孿生系統中的應用。

部署無線傳感器網絡：將安裝在脫粒機構物理實體上的滾筒扭矩信號、滾筒轉速信號、軸承溫度信號、振動加速度信號和消耗功率信號數據，經過模數轉換后，連接到ZigBee 節點，這些節點可以監測和收集物理實體的各種數據。這些傳感器節點通過無線方式與存放可視化虛擬模型的匯聚節點通信，將數據發送到數字孿生系統。

設計數據傳輸協議：為了保證數據的可靠傳輸和實時性，需要設計合適的數據傳輸協議。傳輸協議需要定義數據包格式、傳輸速率、通信時序等。

實現數據接收與處理：在數字孿生系統中，需要實現數據接收與處理功能。這包括建立無線接收模塊，用于接收來自傳感器網絡的數據，并對數據進行解碼、校驗等處理。同時，還需要實現數據存儲和分析功能，將處理后的數據用于Unity 模型和AMESim 仿真模型。

實現數據交互與控制：在數字孿生系統中，可以通過界面查看物理實體的實時數據和歷史數據，并進行遠程控制。為了實現這一功能，需要設計合適的界面和交互邏輯，使用戶能夠方便地查看和操作數據。

測試與優化：在完成上述步驟后，需要對整個系統進行測試和優化。這包括測試無線傳輸的穩定性、數據傳輸的實時性、數字孿生系統的準確性等。根據測試結果，可以對脫粒機構數字模型進行優化和改進，以提高系統的性能和穩定性。

4 結束語

（1）選擇脫粒機構滾筒扭矩與轉速、軸承溫度、振動加速度及消耗功率等關鍵的測量參數，可以對脫粒機構物理實體進行準確地狀態判斷，可用于數字孿生系統的數據交互。

（2）使用Unity 軟件設計的脫粒機構數字孿生系統的虛擬模型和使用AMESim 軟件設計的脫粒機構仿真模型可構建物理實體的數字孿生系統用于虛擬仿真。

（3）采用ZigBee 無線通信方式，可以方便地在脫粒機構各個位置上布置傳感器節點，設計傳輸協議后能夠實現靈活的數據交換，滿足數字孿生系統的數據交互需求。

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