邢 奇 張 杰

（新鄉(xiāng)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

隨著信息技術(shù)、計算機技術(shù)以及人工智能等技術(shù)快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械的設(shè)計也在不斷創(chuàng)新，虛擬拆裝技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛，該技術(shù)對零部件裝配模型進(jìn)行虛擬還原，使產(chǎn)品的裝配和拆卸更方便。同時，該技術(shù)還具有在設(shè)計過程中對零部件進(jìn)行重復(fù)使用、可維護(hù)性強以及拆卸過程不容易損壞等優(yōu)點。在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中應(yīng)用虛擬拆裝技術(shù)可以有效提高設(shè)計質(zhì)量，避免因產(chǎn)品設(shè)計和裝配過程中的不合理而導(dǎo)致產(chǎn)品在使用過程中存在較多問題，提高產(chǎn)品的實用性和安全性。因此，該文對虛擬拆裝技術(shù)進(jìn)行分析，希望能為農(nóng)業(yè)機械設(shè)計提供參考。

1 農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中虛擬拆裝的方案設(shè)計

1.1 構(gòu)建虛擬拆裝系統(tǒng)

為了使拆裝過程更具真實性，在系統(tǒng)開發(fā)中采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種將計算機圖形圖像處理、人機界面、傳感器以及多媒體等多種技術(shù)結(jié)合的綜合性技術(shù)。它通過計算機來創(chuàng)建一個模擬環(huán)境，使用戶具有身臨其境的感覺，并通過與虛擬環(huán)境的交互來完成特定任務(wù)。虛擬拆裝系統(tǒng)具有虛擬拆裝和虛擬運動2個模塊，該系統(tǒng)可以為用戶提供一個虛擬操作環(huán)境，從而快速構(gòu)建產(chǎn)品模型。用戶可以通過該系統(tǒng)進(jìn)行拆卸操作，也可以在拆卸前先進(jìn)行虛擬拆裝。在虛擬拆裝過程中，用戶可以觀察零部件的拆卸過程，并了解零件的具體結(jié)構(gòu)。在完成拆卸任務(wù)后，用戶可以將其重新組裝成新零件。在產(chǎn)品裝配過程中，為了保證用戶與零部件的交互和操作安全，需要在用戶與零部件間建立有效的接口[1]。

1.2 功能設(shè)計

農(nóng)機虛擬拆解系統(tǒng)由3個模塊組成，即裝備認(rèn)知模塊、拆卸模塊和組裝模塊[2]。裝備認(rèn)知模塊能夠了解農(nóng)業(yè)機械設(shè)備中的零件知識，并具備多種功能，例如對虛擬零件進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)以及多視角觀察，實時顯示零件名稱和工作原理說明等。拆卸和組裝模塊分為演示、練習(xí)和提示3個部分，可以展示和訓(xùn)練農(nóng)業(yè)機械的拆卸、組裝技巧。

在建模過程中，存在2個判定，即刀具判定和零件判定。這2個判定可以以串行或并行的方式進(jìn)行組合。構(gòu)建的子體操作-響應(yīng)模型的基本結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 以并行方式判斷

圖2 以串行方式判斷

在獨立的子體操作-響應(yīng)模式下，父體操作-響應(yīng)模式將所有拆裝組件的子體模式串連起來，每個子體操作-響應(yīng)模式通過自身的包裝界面進(jìn)行信息傳輸和交流，而父體操作-響應(yīng)模式是對整個拆裝過程進(jìn)行控制的。

1.3 拆卸過程的實現(xiàn)

為了對虛擬拆裝進(jìn)行運動模擬，將拆裝過程分為3個部分，即拆卸、移裝和復(fù)位[3]。拆卸是指對產(chǎn)品的零部件進(jìn)行拆卸操作，在虛擬環(huán)境中可以自動識別、定位零部件，再采用碰撞檢測技術(shù)對其進(jìn)行拆卸操作。移裝是指將零件從產(chǎn)品上移開，同時在虛擬環(huán)境中模擬真實的運動過程。復(fù)位是指在完成拆卸和移裝后，將產(chǎn)品恢復(fù)到原來的位置（拆卸是關(guān)鍵步驟）。以拖拉機為例，在完成零部件的識別和定位任務(wù)后，對零部件的拆卸進(jìn)行仿真模擬。首先，自動識別和定位零部件，通過三維掃描獲得零部件的三維模型數(shù)據(jù)，通過坐標(biāo)變換將其轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)系上的二維坐標(biāo)系，并建立該零件與三維模型之間的關(guān)系。其次，根據(jù)零件的運動信息以及空間關(guān)系等數(shù)據(jù)信息對其進(jìn)行識別和定位，生成零部件的三維坐標(biāo)。

1.4 拆卸過程

從對拆卸過程的研究可以看出，拆卸過程可以看成是由拆卸工作構(gòu)成的。在這些工作中，單人作業(yè)任務(wù)包括2種類型，分別是拆裝任務(wù)和檢查任務(wù)。拆裝任務(wù)須對零部件進(jìn)行操作，從而改變其位姿，拆裝操作可以分為2種類型，分別是單手操作任務(wù)和雙手操作任務(wù)。以零部件是否被限制為依據(jù)，還可以對零部件進(jìn)行細(xì)分。在實際拆裝行動中，零部件受限制的操作任務(wù)包括對零部件進(jìn)行推、拉、插、拔、提、使用螺絲刀工具擰螺釘、手動旋轉(zhuǎn)閥門類零件、使用扳手?jǐn)Q螺栓、開關(guān)門、開關(guān)蓋以及罩類零件等。零部件不受限制的操作任務(wù)以搬運零部件為主，而檢查任務(wù)則與環(huán)境是否清潔、設(shè)備是否正常、連接是否緊固、有無漏油、有無異響以及進(jìn)行注油等操作對應(yīng)。多人作業(yè)任務(wù)包括2種類型，一種是協(xié)同配合任務(wù)，另一種是分工作業(yè)任務(wù)。根據(jù)是否對同一個零部件進(jìn)行操作，協(xié)同配合任務(wù)可以被劃分為協(xié)同操作任務(wù)和作業(yè)配合任務(wù)。協(xié)同操作任務(wù)與實際拆裝動作中協(xié)同搬運大型設(shè)備、協(xié)同轉(zhuǎn)動零部件以及協(xié)同推動零部件等對應(yīng)，協(xié)同配合任務(wù)是指多個人員同時進(jìn)行單人作業(yè)任務(wù)，但是作業(yè)對象間存在配合關(guān)系，例如1個人固定零部件1個人作業(yè)、指揮人員與作業(yè)人員互相配合等。分工作業(yè)任務(wù)是指當(dāng)作業(yè)時間較苛刻時，由多個人員分別完成拆裝任務(wù)。

拆卸時一般要考慮拆卸次序和扭矩要求。如果拆裝次序不正確，就可能會造成非常嚴(yán)重的后果，例如發(fā)動機氣缸頭部螺栓拆除安裝需要沿對角線進(jìn)行，如果胡亂拆除，就會造成滲漏、漏氣以及漏油等后果。扭矩需求是指在較復(fù)雜的裝備上對零件進(jìn)行緊固往往有特定的扭矩要求，扭矩太大或者太小都會對零件造成破壞。

2 拆裝模型設(shè)計

2.1 邏輯判斷規(guī)則

要完成完整的虛擬拆裝任務(wù)，就需要考慮以下因素：拆裝工具（正確選?。?、要拆裝的部件（正確部件）、角色動作（動作相應(yīng)）以及拆裝順序（時序正確）。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，通過邏輯關(guān)系對信號發(fā)送開關(guān)進(jìn)行控制，以保證拆裝操作的正確性。在整個拆裝過程中，存在許多可能的判斷（True or False），每個消息的發(fā)送都遵循特定的規(guī)律。使用者必須經(jīng)過謹(jǐn)慎處理才能確保信息的發(fā)送符合實際拆裝的意圖[4]。

2.2 操作-響應(yīng)模型

對邏輯判規(guī)則進(jìn)行探討只是給虛擬拆裝帶來了一個完整的邏輯思路，該邏輯思路是隨著相關(guān)人員在現(xiàn)實拆裝過程中所遇到的拆卸規(guī)律而形成的。

在實際應(yīng)用中，通過組合拆裝規(guī)程、邏輯關(guān)系描述和狀態(tài)描述來構(gòu)建生成式系統(tǒng)的規(guī)則，并根據(jù)拆裝行為的特點合理決定生成式系統(tǒng)的邏輯控制策略，從而構(gòu)成系統(tǒng)的操作-響應(yīng)模型。當(dāng)虛擬拆裝系統(tǒng)中的拆卸過程比較穩(wěn)定時，可以使用該算法進(jìn)行拆卸。拆裝操作-響應(yīng)模型的建立與拆裝行為特點是緊密相關(guān)的。由于待開發(fā)的體系中的分解和組裝都是通過信息流來描述的，因此，在信息流中加入若干分支，從而建立一個“操作-響應(yīng)”的模型，即通過分析“開關(guān)”變化來構(gòu)建該模型。

2.3 子體操作-響應(yīng)模型

子體操作-響應(yīng)模型（Substrate Operation of Response）是一種基于拆裝工具、待拆卸零件以及角色行為3個元素提出的模型，該模型可以較好地解釋使用者的拆卸行為與機械反應(yīng)行為的因果聯(lián)系，其基本原則如下：只有選擇合適的拆裝工具并正確拆裝零件，系統(tǒng)才會做出響應(yīng)并播放對應(yīng)的角色動作和零件。如果只選定其中1項，那么系統(tǒng)將無法做出響應(yīng)。同時，將子體模型包裝起來，使其與父體操作-響應(yīng)模型匹配。因此，該系統(tǒng)中的子體操作-響應(yīng)應(yīng)模型僅適用于某個環(huán)節(jié)中的單一組件，且在該環(huán)節(jié)中不會對其他環(huán)節(jié)的組件造成任何影響，而在完成該環(huán)節(jié)后，將會在某種程度上影響父體動作-反應(yīng)模式。

當(dāng)建立模型時，有2次判定，即刀具判定和零部件判定，這2次判定（Test01、Test02）可以采用串聯(lián)和平行方式。通過2種結(jié)合方法建立的子體操作一響應(yīng)模型的基本結(jié)構(gòu)圖如圖3、圖4所示。

圖3 以并行方式進(jìn)行判斷

圖4 以串行方式進(jìn)行判斷

2.4 父體操作-響應(yīng)模型

該文提出了一種基于“父體操作”的響應(yīng)模型，該模型可以解決用戶和對象交互順序的問題。假設(shè)子單元“動作-反應(yīng)”模式獨立，父單元“動作-反應(yīng)”模式將各拆卸部件的“動作”模式串連在一起，使各拆卸部件間可以通過其封裝界面?zhèn)鬟f、交互數(shù)據(jù)，還可以從全局角度對拆卸部件“動作”進(jìn)行控制。其中，父體操作-響應(yīng)模型的運行規(guī)律必須以機械裝置的真實運行過程為依據(jù)。父體操作-響應(yīng)模型的基本構(gòu)成如圖5所示。

圖5 父體操作-響應(yīng)模型

3 試驗驗證

該文以排種器為例，通過虛擬現(xiàn)實軟件對其進(jìn)行建模，并在Unity3D平臺上進(jìn)行拆卸和互動操作，完成對象添加刪除、位置移動、材質(zhì)更換、碰撞檢測以及動作觸發(fā)等互動操作。該文設(shè)計最顯著的特點就是可以完整且唯一地表達(dá)物體并包括設(shè)計中的完整信息，該設(shè)計方法可以更好地輔助機械制造，確保滿足加工零件的精度要求。機械制圖（CAXA）具有單一數(shù)據(jù)庫的特性，整體組件間具有相關(guān)性，當(dāng)某個組件被更改時，其相應(yīng)組件會被自動替換，并且可以及時地反應(yīng)組件的動態(tài)變化。虛擬拆裝仿真排種器的結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要部件包括殼體、排種盤、殼蓋、風(fēng)嘴、排種軸、出風(fēng)口以及退種刀等。該排種器是一種氣吹式窩眼精密排種器，主要用于播種大顆粒種子。

圖6 排種器

當(dāng)工作時，排種器的驅(qū)動輪通過地輪驅(qū)動排種軸，排種盤隨之旋轉(zhuǎn)。窩眼在充種區(qū)內(nèi)充種，然后移至正壓風(fēng)嘴下方進(jìn)行清種。在排種區(qū)內(nèi)，退種刀和重力共同作用，從而排出種子。

CAXA實體模型無法直接導(dǎo)入Unity3D中。盡管Unity3D支持多種外部模型格式，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，必須先在3DMax中對CAXA的實體模型進(jìn)行處理，再導(dǎo)入到Unity3D中使用。

在加工期間，不對材料進(jìn)行任何改動，以FBX格式導(dǎo)出模型，并將該文件導(dǎo)入Unity3D中。在導(dǎo)入過程中可能會出現(xiàn)一些問題，例如x軸的偏移、材質(zhì)和縮放因子等（建立的模型如圖7所示）。

圖7 建立模型

x軸偏移問題可能是由將3DMax導(dǎo)出的3ds或者FBX文件導(dǎo)入Unity3D時存在的差異引起的。針對材質(zhì)問題，無論通過何種方式將模型導(dǎo)入Unity3D中，都可能導(dǎo)致材質(zhì)無法顯示。因此，需要重新設(shè)置材質(zhì)。針對縮放因子問題，Unity3D中的單位是FBX文件中單位的100倍，如果希望在Unity3D中使用的單位為1 m，就需要在3DMax中將單位設(shè)置為厘米（1 cm=0.01 m），以此類推。

通過以上處理，可以在Unity3D中使用經(jīng)過3DMax處理的CAXA實體模型。然而，需要注意解決可能出現(xiàn)的x軸偏移、重新設(shè)置材質(zhì)和調(diào)整縮放因子等問題，確保模型在Unity3D中可以正確顯示和使用。

4 三維交互界面的設(shè)計

4.1 虛擬拆裝技術(shù)

采用虛擬拆裝技術(shù)可以解決在傳統(tǒng)裝配過程中出現(xiàn)的問題。將產(chǎn)品數(shù)字化并進(jìn)行虛擬拆裝，通過檢測裝配順序、路徑及裝配精度，可以得到裝配的相關(guān)信息并對裝配效果進(jìn)行評價。

同時，該系統(tǒng)可以與使用者實時互動，根據(jù)組裝過程中得到的組裝結(jié)果快速對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化，保證產(chǎn)品在設(shè)計過程中的匹配度和可組裝性。在該基礎(chǔ)上，該文提出了一種基于人機交互的虛擬組裝方法，保證組裝的合理性、正確性，從而達(dá)到高品質(zhì)組裝的目的。

未來，虛擬組裝技術(shù)將會是一種主要的組裝方法，為傳統(tǒng)裝配帶來更高效、精確和可靠的解決方案。設(shè)計者采用虛擬裝配技術(shù)在設(shè)計階段就可以評估裝配性能，提前發(fā)現(xiàn)和解決潛在問題，從而節(jié)省時間和成本，進(jìn)而提高產(chǎn)品質(zhì)量。

4.2 排種器組裝次序及零件位移和修改

虛擬拆卸是指利用鼠標(biāo)或手柄在一個虛擬的環(huán)境中完成拆卸工作的交互式系統(tǒng)。當(dāng)組裝時，零部件的組裝次序非常關(guān)鍵。確定組裝次序的方法一般可以分為2類：1） 根據(jù)組裝工藝確定組裝次序。2） 根據(jù)拆卸工藝確定組裝次序。對各部件的排列順序進(jìn)行排序，形成不同的組裝次序[5]。

在選定一個零件后，對應(yīng)的拆裝順序檢測模塊會對其進(jìn)行分析，從而判定選定零件的編號與系統(tǒng)預(yù)先確定的編號是否相符，或者通過零件間位置的制約關(guān)系來判定選定的零件能否被移動，最后確定是否進(jìn)行拆裝操作。

該文采用拆卸和安裝工藝是從裝配體中拆除零件并將其移出裝配體。排種器的拆裝順序如圖8所示。通過虛擬拆裝技術(shù)可以有效地模擬并指導(dǎo)實際的拆裝過程，提高裝配的效率和準(zhǔn)確性。

圖8 排種器拆裝順序圖

5 結(jié)語

該文提出了一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械虛擬拆裝系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)各模塊功能進(jìn)行詳細(xì)介紹，并根據(jù)實際需求對系統(tǒng)的界面設(shè)計、虛擬場景構(gòu)建、虛擬拆裝及拆卸等主要功能進(jìn)行深入分析。根據(jù)農(nóng)業(yè)機械的特點，該文開發(fā)了一個人機交互良好、操作簡便的農(nóng)業(yè)機械虛擬拆裝系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)用戶與虛擬拆裝場景間的交互式操作，且能夠?qū)Ψ抡娼Y(jié)果進(jìn)行實時顯示和動畫演示，達(dá)到了預(yù)期的效果。綜上所述，該系統(tǒng)為農(nóng)業(yè)機械的設(shè)計提供了一個方便快捷的方法，利用該系統(tǒng)可以對農(nóng)業(yè)機械進(jìn)行虛擬拆裝，提高了工作效率，降低了成本，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。