农业机械设计中虚拟拆装技术的研究

邢 奇 张 杰

（新乡学院，河南 新乡 453000）

随着信息技术、计算机技术以及人工智能等技术快速发展，农业机械的设计也在不断创新，虚拟拆装技术的应用较为广泛，该技术对零部件装配模型进行虚拟还原，使产品的装配和拆卸更方便。同时，该技术还具有在设计过程中对零部件进行重复使用、可维护性强以及拆卸过程不容易损坏等优点。在农业机械设计中应用虚拟拆装技术可以有效提高设计质量，避免因产品设计和装配过程中的不合理而导致产品在使用过程中存在较多问题，提高产品的实用性和安全性。因此，该文对虚拟拆装技术进行分析，希望能为农业机械设计提供参考。

1 农业机械设计中虚拟拆装的方案设计

1.1 构建虚拟拆装系统

为了使拆装过程更具真实性，在系统开发中采用虚拟现实技术。虚拟现实技术是一种将计算机图形图像处理、人机界面、传感器以及多媒体等多种技术结合的综合性技术。它通过计算机来创建一个模拟环境，使用户具有身临其境的感觉，并通过与虚拟环境的交互来完成特定任务。虚拟拆装系统具有虚拟拆装和虚拟运动2个模块，该系统可以为用户提供一个虚拟操作环境，从而快速构建产品模型。用户可以通过该系统进行拆卸操作，也可以在拆卸前先进行虚拟拆装。在虚拟拆装过程中，用户可以观察零部件的拆卸过程，并了解零件的具体结构。在完成拆卸任务后，用户可以将其重新组装成新零件。在产品装配过程中，为了保证用户与零部件的交互和操作安全，需要在用户与零部件间建立有效的接口[1]。

1.2 功能设计

农机虚拟拆解系统由3个模块组成，即装备认知模块、拆卸模块和组装模块[2]。装备认知模块能够了解农业机械设备中的零件知识，并具备多种功能，例如对虚拟零件进行缩放、旋转以及多视角观察，实时显示零件名称和工作原理说明等。拆卸和组装模块分为演示、练习和提示3个部分，可以展示和训练农业机械的拆卸、组装技巧。

在建模过程中，存在2个判定，即刀具判定和零件判定。这2个判定可以以串行或并行的方式进行组合。构建的子体操作-响应模型的基本结构如图1、图2所示。

图1 以并行方式判断

图2 以串行方式判断

在独立的子体操作-响应模式下，父体操作-响应模式将所有拆装组件的子体模式串连起来，每个子体操作-响应模式通过自身的包装界面进行信息传输和交流，而父体操作-响应模式是对整个拆装过程进行控制的。

1.3 拆卸过程的实现

为了对虚拟拆装进行运动模拟，将拆装过程分为3个部分，即拆卸、移装和复位[3]。拆卸是指对产品的零部件进行拆卸操作，在虚拟环境中可以自动识别、定位零部件，再采用碰撞检测技术对其进行拆卸操作。移装是指将零件从产品上移开，同时在虚拟环境中模拟真实的运动过程。复位是指在完成拆卸和移装后，将产品恢复到原来的位置（拆卸是关键步骤）。以拖拉机为例，在完成零部件的识别和定位任务后，对零部件的拆卸进行仿真模拟。首先，自动识别和定位零部件，通过三维扫描获得零部件的三维模型数据，通过坐标变换将其转换为坐标系上的二维坐标系，并建立该零件与三维模型之间的关系。其次，根据零件的运动信息以及空间关系等数据信息对其进行识别和定位，生成零部件的三维坐标。

1.4 拆卸过程

从对拆卸过程的研究可以看出，拆卸过程可以看成是由拆卸工作构成的。在这些工作中，单人作业任务包括2种类型，分别是拆装任务和检查任务。拆装任务须对零部件进行操作，从而改变其位姿，拆装操作可以分为2种类型，分别是单手操作任务和双手操作任务。以零部件是否被限制为依据，还可以对零部件进行细分。在实际拆装行动中，零部件受限制的操作任务包括对零部件进行推、拉、插、拔、提、使用螺丝刀工具拧螺钉、手动旋转阀门类零件、使用扳手拧螺栓、开关门、开关盖以及罩类零件等。零部件不受限制的操作任务以搬运零部件为主，而检查任务则与环境是否清洁、设备是否正常、连接是否紧固、有无漏油、有无异响以及进行注油等操作对应。多人作业任务包括2种类型，一种是协同配合任务，另一种是分工作业任务。根据是否对同一个零部件进行操作，协同配合任务可以被划分为协同操作任务和作业配合任务。协同操作任务与实际拆装动作中协同搬运大型设备、协同转动零部件以及协同推动零部件等对应，协同配合任务是指多个人员同时进行单人作业任务，但是作业对象间存在配合关系，例如1个人固定零部件1个人作业、指挥人员与作业人员互相配合等。分工作业任务是指当作业时间较苛刻时，由多个人员分别完成拆装任务。

拆卸时一般要考虑拆卸次序和扭矩要求。如果拆装次序不正确，就可能会造成非常严重的后果，例如发动机气缸头部螺栓拆除安装需要沿对角线进行，如果胡乱拆除，就会造成渗漏、漏气以及漏油等后果。扭矩需求是指在较复杂的装备上对零件进行紧固往往有特定的扭矩要求，扭矩太大或者太小都会对零件造成破坏。

2 拆装模型设计

2.1 逻辑判断规则

要完成完整的虚拟拆装任务，就需要考虑以下因素：拆装工具（正确选取）、要拆装的部件（正确部件）、角色动作（动作相应）以及拆装顺序（时序正确）。在虚拟现实系统中，通过逻辑关系对信号发送开关进行控制，以保证拆装操作的正确性。在整个拆装过程中，存在许多可能的判断（True or False），每个消息的发送都遵循特定的规律。使用者必须经过谨慎处理才能确保信息的发送符合实际拆装的意图[4]。

2.2 操作-响应模型

对逻辑判规则进行探讨只是给虚拟拆装带来了一个完整的逻辑思路，该逻辑思路是随着相关人员在现实拆装过程中所遇到的拆卸规律而形成的。

在实际应用中，通过组合拆装规程、逻辑关系描述和状态描述来构建生成式系统的规则，并根据拆装行为的特点合理决定生成式系统的逻辑控制策略，从而构成系统的操作-响应模型。当虚拟拆装系统中的拆卸过程比较稳定时，可以使用该算法进行拆卸。拆装操作-响应模型的建立与拆装行为特点是紧密相关的。由于待开发的体系中的分解和组装都是通过信息流来描述的，因此，在信息流中加入若干分支，从而建立一个“操作-响应”的模型，即通过分析“开关”变化来构建该模型。

2.3 子体操作-响应模型

子体操作-响应模型（Substrate Operation of Response）是一种基于拆装工具、待拆卸零件以及角色行为3个元素提出的模型，该模型可以较好地解释使用者的拆卸行为与机械反应行为的因果联系，其基本原则如下：只有选择合适的拆装工具并正确拆装零件，系统才会做出响应并播放对应的角色动作和零件。如果只选定其中1项，那么系统将无法做出响应。同时，将子体模型包装起来，使其与父体操作-响应模型匹配。因此，该系统中的子体操作-响应应模型仅适用于某个环节中的单一组件，且在该环节中不会对其他环节的组件造成任何影响，而在完成该环节后，将会在某种程度上影响父体动作-反应模式。

当建立模型时，有2次判定，即刀具判定和零部件判定，这2次判定（Test01、Test02）可以采用串联和平行方式。通过2种结合方法建立的子体操作一响应模型的基本结构图如图3、图4所示。

图3 以并行方式进行判断

图4 以串行方式进行判断

2.4 父体操作-响应模型

该文提出了一种基于“父体操作”的响应模型，该模型可以解决用户和对象交互顺序的问题。假设子单元“动作-反应”模式独立，父单元“动作-反应”模式将各拆卸部件的“动作”模式串连在一起，使各拆卸部件间可以通过其封装界面传递、交互数据，还可以从全局角度对拆卸部件“动作”进行控制。其中，父体操作-响应模型的运行规律必须以机械装置的真实运行过程为依据。父体操作-响应模型的基本构成如图5所示。

图5 父体操作-响应模型

3 试验验证

该文以排种器为例，通过虚拟现实软件对其进行建模，并在Unity3D平台上进行拆卸和互动操作，完成对象添加删除、位置移动、材质更换、碰撞检测以及动作触发等互动操作。该文设计最显著的特点就是可以完整且唯一地表达物体并包括设计中的完整信息，该设计方法可以更好地辅助机械制造，确保满足加工零件的精度要求。机械制图（CAXA）具有单一数据库的特性，整体组件间具有相关性，当某个组件被更改时，其相应组件会被自动替换，并且可以及时地反应组件的动态变化。虚拟拆装仿真排种器的结构如图6所示，主要部件包括壳体、排种盘、壳盖、风嘴、排种轴、出风口以及退种刀等。该排种器是一种气吹式窝眼精密排种器，主要用于播种大颗粒种子。

图6 排种器

当工作时，排种器的驱动轮通过地轮驱动排种轴，排种盘随之旋转。窝眼在充种区内充种，然后移至正压风嘴下方进行清种。在排种区内，退种刀和重力共同作用，从而排出种子。

CAXA实体模型无法直接导入Unity3D中。尽管Unity3D支持多种外部模型格式，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，必须先在3DMax中对CAXA的实体模型进行处理，再导入到Unity3D中使用。

在加工期间，不对材料进行任何改动，以FBX格式导出模型，并将该文件导入Unity3D中。在导入过程中可能会出现一些问题，例如x轴的偏移、材质和缩放因子等（建立的模型如图7所示）。

图7 建立模型

x轴偏移问题可能是由将3DMax导出的3ds或者FBX文件导入Unity3D时存在的差异引起的。针对材质问题，无论通过何种方式将模型导入Unity3D中，都可能导致材质无法显示。因此，需要重新设置材质。针对缩放因子问题，Unity3D中的单位是FBX文件中单位的100倍，如果希望在Unity3D中使用的单位为1 m，就需要在3DMax中将单位设置为厘米（1 cm=0.01 m），以此类推。

通过以上处理，可以在Unity3D中使用经过3DMax处理的CAXA实体模型。然而，需要注意解决可能出现的x轴偏移、重新设置材质和调整缩放因子等问题，确保模型在Unity3D中可以正确显示和使用。

4 三维交互界面的设计

4.1 虚拟拆装技术

采用虚拟拆装技术可以解决在传统装配过程中出现的问题。将产品数字化并进行虚拟拆装，通过检测装配顺序、路径及装配精度，可以得到装配的相关信息并对装配效果进行评价。

同时，该系统可以与使用者实时互动，根据组装过程中得到的组装结果快速对产品进行优化，保证产品在设计过程中的匹配度和可组装性。在该基础上，该文提出了一种基于人机交互的虚拟组装方法，保证组装的合理性、正确性，从而达到高品质组装的目的。

未来，虚拟组装技术将会是一种主要的组装方法，为传统装配带来更高效、精确和可靠的解决方案。设计者采用虚拟装配技术在设计阶段就可以评估装配性能，提前发现和解决潜在问题，从而节省时间和成本，进而提高产品质量。

4.2 排种器组装次序及零件位移和修改

虚拟拆卸是指利用鼠标或手柄在一个虚拟的环境中完成拆卸工作的交互式系统。当组装时，零部件的组装次序非常关键。确定组装次序的方法一般可以分为2类：1） 根据组装工艺确定组装次序。2） 根据拆卸工艺确定组装次序。对各部件的排列顺序进行排序，形成不同的组装次序[5]。

在选定一个零件后，对应的拆装顺序检测模块会对其进行分析，从而判定选定零件的编号与系统预先确定的编号是否相符，或者通过零件间位置的制约关系来判定选定的零件能否被移动，最后确定是否进行拆装操作。

该文采用拆卸和安装工艺是从装配体中拆除零件并将其移出装配体。排种器的拆装顺序如图8所示。通过虚拟拆装技术可以有效地模拟并指导实际的拆装过程，提高装配的效率和准确性。

图8 排种器拆装顺序图

5 结语

该文提出了一种基于虚拟现实技术的农业机械虚拟拆装系统的总体结构，对系统各模块功能进行详细介绍，并根据实际需求对系统的界面设计、虚拟场景构建、虚拟拆装及拆卸等主要功能进行深入分析。根据农业机械的特点，该文开发了一个人机交互良好、操作简便的农业机械虚拟拆装系统。该系统能够实现用户与虚拟拆装场景间的交互式操作，且能够对仿真结果进行实时显示和动画演示，达到了预期的效果。综上所述，该系统为农业机械的设计提供了一个方便快捷的方法，利用该系统可以对农业机械进行虚拟拆装，提高了工作效率，降低了成本，缩短了产品开发周期。