李權(quán)，陳慶

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

裝配在制造領(lǐng)域具有舉足輕重的地位[1-4]，尤其對構(gòu)造冗雜的收割機零部件，實現(xiàn)對收割機零部件的智能化裝配不僅可以大大降低生產(chǎn)時長，還可節(jié)約人力資本，提升裝配效率。為此眾多學(xué)者對收割機零部件智能化裝配展開大量調(diào)查研究：文獻[5]提出基于IWOA-LSSVM 的收割機零部件智能化裝配方法，但裝配的實際效果不理想，裝配路徑規(guī)劃較為繁瑣；文獻[6]提出基于機器視覺的收割機零部件智能化裝配方法，該方法在提升收割機零部件智能化裝配用時的同時，也暴露該方法適用范圍較小的弊端；文獻[7]提出基于三維點云的收割機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)先建立待解決問題模型，其次對該模型進行動態(tài)試驗，最終根據(jù)所得結(jié)果完成待解決問題的優(yōu)選與評估。因此本文提出基于虛擬仿真技術(shù)的收割機零部件智能化裝配，實現(xiàn)對收割機零部件的準(zhǔn)確智能化裝配。

1 收割機零部件智能化裝配

1.1 基于Pro/E 的收割機零部件三維建模

利用操控簡易、建模性能強大的Pro/E 軟件，實現(xiàn)對收割機零部件三維模型的構(gòu)建，為后續(xù)收割機零部件智能化裝配奠定基礎(chǔ)，利用Pro/E 軟件對收割機零部件構(gòu)建三維模型時，應(yīng)先確定收割機零部件制作意向，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)建收割機零部件三維立體模型，此后可根據(jù)構(gòu)建的收割機零部件三維模型，通過收割機零部件智能化裝配結(jié)構(gòu)樹模型實現(xiàn)收割機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)，對裝配結(jié)束的收割機零部件運動屬性以及力學(xué)屬性完成仿真，詳細過程如圖1 所示。

圖1 收割機零部件三維虛擬仿真設(shè)計過程Fig.1 3D virtual simulation design process of harvester parts

1.2 收割機零部件虛擬裝配

1.2.1 收割機零部件智能化裝配過程

收割機零部件智能化裝配過程主要由以下3個方面構(gòu)成：

（1）確立收割機的標(biāo)準(zhǔn)零部件以及裝配零部件：收割機標(biāo)準(zhǔn)零部件屬于假設(shè)對應(yīng)不變的零部件，通常選擇位于收割機零部件裝配樹層次中，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，而收割機裝配零部件具有可運動特點。

（2）基于三維虛擬仿真空間構(gòu)建收割機零部件的裝配約束關(guān)系：零部件轉(zhuǎn)動約束、零部件轉(zhuǎn)動角度總和約束與最小距離約束等較為常見的收割機零部件約束關(guān)系。

（3）安置收割機裝配零部件于大概方位：將收割機裝配零部件安置于標(biāo)準(zhǔn)零部件相近的恰當(dāng)方位，收割機智能化裝配體系會直接辨識并判定操控者對收割機零部件的裝配意向，便于收割機零部件的高效、正確智能化裝配。

1.2.2 構(gòu)建收割機零部件智能化裝配結(jié)構(gòu)樹模型

收割機零部件智能化裝配結(jié)構(gòu)具有層級聯(lián)系，每個收割機成品由各個層級的子裝配體以及零部件構(gòu)成，而每個子裝配體又由多個子裝配體和零部件構(gòu)成，以此反映某種層級關(guān)系。一般通過收割機零部件裝配樹的構(gòu)成，表達收割機零部件裝配體、子裝配體以及零部件間的層級關(guān)聯(lián)，反映收割機與零部件間的父子關(guān)聯(lián)屬性，如圖2 所示。使用裝配樹來描述收割機成品的結(jié)構(gòu)，在裝配樹中，根節(jié)點表示收割機的總裝配體，中間節(jié)點表示子裝配體，葉節(jié)點則代表構(gòu)成收割機成品的不同零部件。通過裝配樹，可以清晰地展示收割機的組成部分以及它們之間的層次關(guān)系，幫助工程師進行裝配路徑的規(guī)劃和優(yōu)化。

圖2 收割機零部件智能化裝配結(jié)構(gòu)樹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)計師能夠直觀地觀察和分析零部件的裝配過程。設(shè)計師可以通過旋轉(zhuǎn)、縮放和移動虛擬模型來進行交互操作，從而更好地理解裝配約束，檢測可能的沖突并進行調(diào)整。基于三維虛擬仿真空間進行收割機零部件裝配約束，包括零部件轉(zhuǎn)動約束、零部件轉(zhuǎn)動角度總和約束與最小距離約束。

零部件轉(zhuǎn)動約束：為了確保收割機零部件在轉(zhuǎn)動過程中不發(fā)生相互干涉，并且轉(zhuǎn)動累加的角度最小，式（1）描述了零部件轉(zhuǎn)動累加的角度。

式中：θ 和f1（θ）分別為收割機零部件的轉(zhuǎn)角以及轉(zhuǎn)動累加的角度；θi和θ′分別為第i 個零部件的開始旋轉(zhuǎn)角度以及第i 個零部件抵達目標(biāo)方位的旋轉(zhuǎn)角度。

零部件轉(zhuǎn)動角度總和約束：為了實現(xiàn)收割機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)動角度總和最小，式（2）描述了零部件轉(zhuǎn)動角度總和的計量，其中懲罰參數(shù)和進化系數(shù)用于調(diào)節(jié)約束的權(quán)重[9]。

式中：ξi為懲罰參數(shù)與進化系數(shù)。如果收割機零部件鄰近旋轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)動方位相同，則ξi=1；如果收割機零部件鄰近旋轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)動方位不相同，則（t 表示進化系數(shù)）。懲罰參數(shù)會隨著進化系數(shù)的增大而增加，此時選取收割機零部件鄰近旋轉(zhuǎn)角度θi-θi-1的平方之和，計量收割機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，進行收割機零部件智能化裝配路徑規(guī)劃，通過式（4）描述本文對收割機零部件智能化裝配路徑的規(guī)劃：

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

為使收割機零部件智能化裝配路徑距離最小，應(yīng)先優(yōu)化收割機零部件智能化裝配路徑全部距離D（x），通過式（5）描述收割機零部件智能化裝配路徑距離計量函數(shù)：

式中：N、Ai分別為收割機零部件智能化裝配路徑的節(jié)點數(shù)量、裝配路徑中的第i 個節(jié)點；（xi，yi，zi）、d（Ai，Ai+1）分別為Ai的坐標(biāo)以及鄰近節(jié)點Ai和Ai+1間的距離。

1.3 收割機零部件智能化裝配規(guī)劃路徑求解

為了解決收割機零部件智能化裝配中路徑規(guī)劃不準(zhǔn)確、路徑規(guī)劃耗時較長的問題，本文選取遺傳蟻群算法實現(xiàn)收割機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)，同時還能保持種群的多樣性，避免過早收斂導(dǎo)致的規(guī)劃路徑無效問題。

2 結(jié)果與分析

選取某公司生產(chǎn)的TB60 型號收割機為本文實驗對象，該收割機具體參數(shù)如表1 所示。

表1 TB60 型號收割機參數(shù)Tab.1 TB60 model harvester parameters

應(yīng)用本文方法對選取的TB60 型號收割機中的零部件進行三維建模，以主軸箱傳動零件為例，得到其三維建模圖如圖3 所示。

圖3 TB60 型號收割機主軸箱傳動零件三維建模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 型號收割機中主軸箱傳動系統(tǒng)的零部件構(gòu)造，所得到的三維建模圖與實際零部件基本符合。應(yīng)用本文方法對收割機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)確的收割機中零部件的裝配體信息，展現(xiàn)了對TB60型號收割機進行裝配的分步驟具體過程，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，能夠較好地實現(xiàn)對收割機零件的智能化裝配過程。

圖4 TB60 型號收割機智能化裝配過程Fig.4 TB60 type of harvester intelligent assembly process

為了評估本文所提方法中的算法性能，通過對規(guī)劃路徑的求解進行分析，探究本文方法對收割機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，本文方法可獲取收割機零部件智能化規(guī)劃裝配最短路徑僅為14 cm 左右，同時可行解的數(shù)量在35 個附近，說明本文方法可實現(xiàn)收割機零部件智能化規(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，通過仿真實驗的方式對TB60型號收割機零部件智能化裝配的路徑進行規(guī)劃，生成以工作臺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 分別表示收割機零部件智能化裝配路徑的起始點以及終止點，I 代表對收割機零部件智能化裝配空間的劃分。對本文方法應(yīng)用下得到的收割機零部件智能化裝配的路徑規(guī)劃結(jié)果進行分析可知，本文方法規(guī)劃的路徑距離短，在裝配過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程中的安裝精準(zhǔn)度和裝配效率，說明本文方法可規(guī)劃出最佳的收割機零部件智能化裝配路徑。

圖6 收割機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TB60 型號收割機零部件智能化裝配的操作效率，分析本文方法應(yīng)用下的收割機零部件裝配速度，如圖7 所示。分析圖7 可知，當(dāng)時間為0.15 s 時，本文方法的收割機割臺切割速度為560 mm/s 左右，且隨著零部件裝配工作的推進，速度仍維持在550 mm/s。以上結(jié)果說明，利用本文方法完成收割機零部件智能化裝配具有較高的裝配速度，為提升收割機零件裝配作業(yè)效率創(chuàng)造有利條件。

圖7 收割機零部件裝配速度結(jié)果Fig.7 Harvester parts assembly speed result

3 結(jié)語

研究基于虛擬仿真技術(shù)的收割機零部件智能化裝配，不僅可實現(xiàn)收割機零部件準(zhǔn)確智能化裝配，還可獲取收割機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)機器效率奠定有力基礎(chǔ)，本文方法對未來收割機零部件智能化裝配具有借鑒意義。