脱粒机构数字孪生系统构建与应用

摘 要： 农业脱粒机构结构复杂、工况恶劣，在进行实物研究时耗时费力。采用数字孪生系统可以实时监控脱粒机构的工作状态，预测故障，积累数据并提供解决方案。对脱粒机构数字孪生系统的研究表明，选取脱粒滚筒扭矩、滚筒转速、轴承温度、振动加速度及消耗功率作为关键参数可对脱粒机构物理实体进行准确地状态判断， 运用Unity 软件和AMESim 软件构建物理实体的数字孪生系统可用于虚拟仿真，使用ZigBee 无线通信方式进行数据交互能够满足数字孪生系统数据交互的需求。

关键词：数字孪生系统；脱粒机构；脱粒滚筒；数字建模；数据交互

中图分类号：S24 文献标识码：A 文章编号：2095-1795（2024）08-0034-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.08.006

0 引言

数字孪生系统作为一种新兴的技术，近年来受到广泛关注。数字孪生系统运用数字化技术建立物理实体的虚拟模型，以实现对物理实体的实时监控和仿真分析的技术。数字孪生系统的发展过程可以追溯到20世纪80 年代，当时主要应用于飞行器的仿真分析。目前数字孪生系统已经进入多种领域，如制造业、能源、建筑等，为实体的优化设计、运行管理、故障诊断等提供了新的思路和方法[1-4]。在制造业中，数字孪生系统可以用于产品设计和制造过程的仿真，提高生产效率和产品质量[5-6]。在能源领域，数字孪生系统可以用于电力系统的仿真分析和优化运行，提高能源利用效率和可靠性[7]。随着计算机技术和传感器技术的不断发展，数字孪生系统逐渐发展成熟，成为助力现实设计的一项重要技术，为实体的设计、运行管理、故障诊断等提供新的思路和方法[8-11]。

近年来，数字孪生系统在农业机械领域也有一定的发展。在农机装备的运行管理方面，数字孪生系统可以实时监控农机装备的运行状态，预测故障并提供解决方案，提高农机装备的使用效率和可靠性。在农机装备的维修保养方面，数字孪生系统可以通过建立农机装备的虚拟模型，实现对农机装备的维修保养和故障排除[12-13]。在农机装备尤其是脱粒机构设计方面，由于其结构复杂、执行机构繁多等因素，导致在研究设计过程中缺乏高效手段，同时在其作业过程中缺少实时监测方法，不利于后期的故障分析与设计迭代升级[14-15]。在脱粒机构研究中使用数字孪生系统可有效地克服这些问题。

1 脱粒机构结构分析

1.1 工作原理与结构

农业机械中的脱粒机构是用于将作物籽粒从穗中脱离出来的装置。其基本原理是利用机械力和摩擦力使籽粒脱离穗，主要包括进料口、脱粒滚筒、脱粒凹板、传动系统、调节机构及籽粒收集系统，结构如图1 所示。

进料口用于不同类型作物的喂入。脱粒滚筒是脱粒机构的核心部件，通过旋转滚筒将谷穗压在滚筒表面，通过滚筒表面的脱粒部件对谷穗进行挤搓、拍打，实现对籽粒的脱离。脱粒凹板位于脱粒滚筒的出料端，通过凹板的孔径大小和形状将脱粒后的籽粒与残留物分离。作物籽粒由凹板缝隙在重力作用下落入下方的籽粒收集系统内；脱粒后的杂物如稻壳或玉米芯等由脱粒滚筒尾部排出。脱粒机构传动系统包括电机、减速机、传动轴等，通过传动系统将滚筒和筛板带动旋转，实现脱粒功能。调整机构用于调整滚筒和筛板的位置和角度，以适应不同作物的籽粒大小和形状；在谷物喂入量过大时，通过调整机构也可防止堵塞情况的发生。

1.2 关键参数及监测方法

由于脱粒机构体积庞大、结构复杂，从外部难以确定其工作情况。选取合理的监测参数，实时获取脱粒机构的工作状态，可以有效地确定各部件的作业情况。另外存储检测参数后形成历史数据，通过数据分析还可以对故障进行预测。在监测脱粒机构的作业状态时，选取的重要参数有以下5 个。

（1）滚筒扭矩与转速。监测整个脱粒滚筒系统输入端的滚筒扭矩和转速，由滚筒扭矩可以获得当前脱粒滚筒的转动阻力，对滚筒扭矩变化率的监控还能及时预测滚筒的堵塞发生情况；而滚筒转速反映脱粒效率与脱粒质量，对于脱粒系统的安全运行及控制脱粒的破损率至关重要。采用在驱动轴上串接扭矩和转速传感器的方法得到滚筒扭矩与转速。

（2）温度。监测脱粒机构的温度，如传动轴轴承温度、脱粒滚筒轴承温度，可以判断其是否正常运行。如果温度过高，可能是由于润滑失效、堵塞等原因导致的过载，需要进行检查和调整。温度测量采用埋设热电阻的方法进行，温度测量范围−100～600 °C、误差0.1 °C，可以满足实时监控的需要。

（3）振动加速度。监测脱粒机构的振动加速度情况可以判断其是否有零部件松动或损坏。如果振动加速度过大，需要及时停机检查。部件的振动加速度测量使用加速度计，固定于支撑轴承座底部。对于振动加速度信号的采集，不仅能够获得脱粒系统不同部位的振动强度，而且对信号进行快速傅里叶变换后，获得振动的频域分布及不同频率上的振动能量分布，可以得到更直观的机构状态信息。

（4）消耗功率。监测脱粒机构的消耗功率可以统计其工作效率，为后续的节能设计提供参考数据，同时也能判断脱粒机构是否正常运行。如果消耗功率过大，可能是由于过载或故障等原因导致的，需要进行检查和调整。消耗功率的测量采用在驱动系统电源上增加功率计的方法实现。

2 数字孪生系统设计与构建

联合使用Unity 和AMESim 软件，可以实现对脱粒机构数字孪生系统的建模和物理仿真，并且能够实现对脱粒机构的虚拟优化和可视化展示。

2.1 脱粒机构数字孪生系统可视化模型构建

脱粒机构数字孪生系统的三维可视化模型是在虚拟世界中与其实体物理系统紧密对应的虚拟模型，虚拟模型是通过对实体物理系统的数据进行采集、处理和建模而得到的。虚拟模型中的可视化模型可用Unity软件实现，它在进行数字孪生系统的三维可视化建模时有4 方面优点。

（1）可视化建模。Unity 软件提供了可视化建模工具，使得用户可以直观地创建、编辑和调整可视化模型，避免了传统建模方式中繁琐的手动建模过程。

（2）实时渲染。Unity 软件支持实时渲染，可以在模型构建的同时实时预览模型效果，从而快速发现和修复问题。

（3）物理仿真。Unity 软件的物理引擎可以对可视化虚拟模型进行物理仿真，包括碰撞检测、重力模拟、动力学等，更真实地模拟实际物理场景。

（4）多平台支持。Unity 软件支持多平台发布，可以将可视化虚拟模型导出到多种平台，如PC、移动设备、Web 等，方便用户在不同平台上查看和使用可视化虚拟模型。

利用Unity 软件对脱粒机构物理实体进行可视化虚拟建模，如图2 所示，可视化虚拟模型按照其工作状态可自由运动。根据物理实体的输入数据，可以直观了解脱粒机构的运行状态。

2.2 脱粒机构物理仿真模型构建

脱粒机构控制系统及物理仿真模型使用AMESim软件实现。AMESim 软件是一种多领域仿真平台，它基于动态建模方法建立物理元件的数学模型，提供面向众多学科领域的专业应用库，包括控制、热、液压、多相流、电气电子系统、电磁、机械与动力传动及动力学等。将脱粒系统按动力执行机构、控制系统分解后，即可创建使用AMESim 软件的内置子模型设计出完整的仿真模型，并通过导入传感器数据，对系统进行稳态、瞬态或频响计算，分析系统性能。

脱粒机构的物理仿真模型主要由调节机构模块、驱动系统模块、传动系统模块、脱粒滚筒变载模块和数据存储模块组成，系统模型如图3 所示。

调节机构模块由数据输入模型、调节驱动电机模型、凸轮模型和弹性接触模型组成。将物理实体中测量到的电机速度作为输入，通过子模型组合，最终输出调节机构的位移量。

驱动系统模块以实体结构的测量转速作为输入，接入电动机模型后，通过扭矩转速传感器模块及变速机构，将动力传输至传动系统。同时，仿真模型将转速、扭矩信号输出，结合调节机构模型输出的位移量，构成神经网络的输入。

传动系统模块主要由输入端阻尼模块、传动惯量及输出端阻尼模块组成。主要功能是传递电机的扭矩，并能够按照转速变化对传递过程中产生的库伦摩擦阻力和黏滞摩擦阻力进行仿真模拟。

脱粒滚筒变载模块由脱粒滚筒惯量、可变旋转阻尼、可变旋转弹性系数及阻力系统构成。在脱粒过程中，由于作物谷穗的运动状态与受力状态变化巨大，难以使用简单的数学模型或已有的软件子模块进行仿真。因此，本研究通过一种具有隐藏层的受限前馈神经网络模型对脱粒滚筒进行仿真。与脱粒状态有直接关联的3 个主要参数：滚筒转速、滚动转矩和调节机构位移量，通过神经元接入神经网络模型，并将可变旋转阻尼和可变旋转弹性系数作为神经网络的输出。将前期试验得到的历史数据进行预处理，对其进行标准化后，统一其范围至[−1， 1]，以便于后期神经网络实现快速收敛。设计神经网络的隐藏层及激活函数后，通过数据训练和模型检测对神经网络进行调整和优化，最终应用在AMESim 模型中。

数据存储模块将仿真得到的可变旋转阻尼和可变旋转弹性系数进行记录，使用信号记录子模型将数据以ASCII 码格式进行存储，便于后期使用和优化。

3 数字孪生系统数据传输与应用

脱粒机构的物理实体和数字孪生系统的可视化虚拟模型只有通过数据交换才能实现两者之间的相互映射和动态交互。在物理实体上设置的多种传感器数据需要通过适合的传输方式，进入可视化虚拟模型。

在传输方式上选择无线传输，具有灵活性大、易于扩展和抗干扰能力强的优点。无线传输不需要布线，因此可以方便地在脱粒机构各个位置上快速布置，实现灵活的数据交换。无线传输可以通过增加节点数量来扩展网络规模，非常适合需要大量设备的数据传输场景。此外，在某些恶劣的环境条件下，无线传输可以克服有线传输的局限性，实现稳定的数据传输。

在多种无线通信方式中，ZigBee 是一种基于IEEE802.15.4 标准的低功耗无线通信技术，具有低功耗、低成本、短距离通信及可靠的数据传输等优点，并且ZigBee 网络可以方便地扩展到多个设备，适用于需要连接多个设备的场景，可以满足在数字孪生系统中的应用。

部署无线传感器网络：将安装在脱粒机构物理实体上的滚筒扭矩信号、滚筒转速信号、轴承温度信号、振动加速度信号和消耗功率信号数据，经过模数转换后，连接到ZigBee 节点，这些节点可以监测和收集物理实体的各种数据。这些传感器节点通过无线方式与存放可视化虚拟模型的汇聚节点通信，将数据发送到数字孪生系统。

设计数据传输协议：为了保证数据的可靠传输和实时性，需要设计合适的数据传输协议。传输协议需要定义数据包格式、传输速率、通信时序等。

实现数据接收与处理：在数字孪生系统中，需要实现数据接收与处理功能。这包括建立无线接收模块，用于接收来自传感器网络的数据，并对数据进行解码、校验等处理。同时，还需要实现数据存储和分析功能，将处理后的数据用于Unity 模型和AMESim 仿真模型。

实现数据交互与控制：在数字孪生系统中，可以通过界面查看物理实体的实时数据和历史数据，并进行远程控制。为了实现这一功能，需要设计合适的界面和交互逻辑，使用户能够方便地查看和操作数据。

测试与优化：在完成上述步骤后，需要对整个系统进行测试和优化。这包括测试无线传输的稳定性、数据传输的实时性、数字孪生系统的准确性等。根据测试结果，可以对脱粒机构数字模型进行优化和改进，以提高系统的性能和稳定性。

4 结束语

（1）选择脱粒机构滚筒扭矩与转速、轴承温度、振动加速度及消耗功率等关键的测量参数，可以对脱粒机构物理实体进行准确地状态判断，可用于数字孪生系统的数据交互。

（2）使用Unity 软件设计的脱粒机构数字孪生系统的虚拟模型和使用AMESim 软件设计的脱粒机构仿真模型可构建物理实体的数字孪生系统用于虚拟仿真。

（3）采用ZigBee 无线通信方式，可以方便地在脱粒机构各个位置上布置传感器节点，设计传输协议后能够实现灵活的数据交换，满足数字孪生系统的数据交互需求。

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