陶 燚，贺成柱，金建国，贾晓锋

(甘肃省机械科学研究院, 甘肃 兰州 730030)

基于EON studio的马铃薯覆膜机的虚拟装配技术研究*

陶 燚，贺成柱，金建国，贾晓锋

(甘肃省机械科学研究院, 甘肃 兰州 730030)

通过计算机仿真，将之前只有在物理样机试验阶段才能得到的数据通过虚拟仿真获得，以缩短设计周期和试验所需的高额费用。基于EON studio对马铃薯覆膜机的装配仿真，对其装配层次表达方法，装配序列和路径规划进行了研究，以达到对装配工艺优化的目的。

计算机仿真；VR；虚拟仿真；装配序列；路径规划

1 引 言

马铃薯覆膜机是一种集播种，施肥，起隆，覆膜为一体的农业机械，适合各种土壤。在平原、丘陵、大中小地块使用的较多。马铃薯覆膜机的装配是产品制造的重要环节，传统的产品研发过程中对于产品的装配性检查和评价往往是通过产品实物模型来实现的，需要花费较多的开发时间和研发成本，不利于提升企业竞争力。目前较先进的虚拟装配技术的出现为解决这一问题提供了新方法，应用虚拟装配技术能够在产品设计阶段即快速地检查产品的装配性，及时发现和解决问题，从而提高产品开发效率。因此，在马铃薯覆膜机物理样机未制造之前，就其装配层次、装配序列、装配路径等可装配性进行了研究。而能实现马铃薯覆膜机虚拟装配的软件有Quest3D，EON Studio等，其中EON studio是一种可让使用者快速简单的将生产研发与行销整合的3D模拟互动工具。以3D动态的方式与CAD结合后，进行生产模拟、组装分解功能操作模拟、弥补CAD档案在Internet上的档案过大而无法即时传输且无法即时操控所模拟的产品功能。

2 马铃薯覆膜机层次结构规划

建立合理的产品装配模型是进行装配规划的基础，典型的装配模型包括图结构模型、层次模型、关系型模型等。一般来说，产品的结构具有层次性，产品通常由若干功能部件和零件装配而成，部件还可以向下拆分，直至不可拆分的零件为止。由若干零部件组成的装配单元称为装配体。不同层次零件的装配存在先后顺序约束，下层零件的装配优先于上层零件的装配，不同子装配体的零件可以并行装配。产品结构上的层次特性隐含了部分装配顺序信息，因此，采用产品层次树结构模型，更能够体现问题的本质，有利于装配问题的分析和求解。具体的装配模型层次结构树状图如图1所示。与之相对应的马铃薯覆膜机的层次结构规划如图2所示。

图1 装配模型层次结构树状图

其中播种系统，带动链条播种种子和施肥；动力传输系统，传递动力带动起隆系统；起隆系统，旋转隆起土堆；被动轮系，支撑和在牵引作用下带动设备运作，同时带动播种系统。

在EON studio中，为了使得仿真流畅，在总装和部装之间的转换利用Change channel节点，以减少一次性内存载入的数据量过大，使仿真运行流畅。

图2 马铃薯覆膜机的层次结构规划图

3 马铃薯覆膜机的装配序列规划

装配序列规划是产品装配规划的重要环节,其优劣将直接关系到产品的可装配性、装配质量和装配成本。对于复杂的机电产品来说,装配过程的时间和成本大约占整个产品生产时间和成本的40%左右。

装配序列规划主要研究装配序列的生成与几何可行性分析。具体的研究思路如图3流程图所示。

图3 装配流程图

具体的方法有以下几种：基于装配优先约束关系的装配序列生成方法(优先约束满足法)、基于组件识别的装配序列求解方法、拆卸法求解装配序列的方法、基于知识(经验)的求解方法、基于矩阵算法的方法、人工干预的装配序列规划法。本文采用了拆卸法求解装配序列的方法和人工干预的装配序列规划法相结合进行装配序列规划。

4 马铃薯覆膜机的路径规划

装配路径规划为给定的零部件寻找合理可行的装配路径。马铃薯覆膜机的装配路径规划要以避免碰撞、满足装配及维修训练需要、提高装配精度和减少装配时间等内容为主要目的。装配路径规划方法主要有以下5种：方向多面锥方法、位姿空间方法、人工势场法、单元分解法、遗传算法 。具体到马铃薯的装配路径规划，采用位姿空间法比较方便。马铃薯覆膜机虚拟装配主要是用户在虚拟环境中拆卸、安装零部件，以及在装配过程中评估和优化的过程，因此装配评估和优化是整个虚拟仿真过程的重要环节。根据马铃薯覆膜机各组件间的约束关系对拆卸、装配路径进行合理规划，可以保证其装配和拆卸互为可逆过程。装配模型主要表现零部件之间的相互关系信息，可以利用面向对象的方法来描述它。

根据零件的拆卸特征建立零件类，具体的拆卸零件就是零件类的对象，零件对象中几何信息和各种物理信息都是该零件类的属性。通过调用零件对象的各种方法来获取零件信息，可以为拆卸规划等后继功能模块提供信息支持。通过推理和分解子拆卸体生成所有可行的装配序列，最后在虚拟环境下进行拆卸、装配，评估在此过程中的优劣，以此达到优化装配工艺。

在EON studio中，采用Key frame节点，进行装配路径的规划设计，本系统应用此节点主要针对物理的六自由度进行位置路径的设置。具体的逻辑图和路径设置如图4所示。

通过Record path元件对优化的装配路径进行记录，通过多次比较和系统及设计人员的评估，选择最优路径，以对装配工艺进行指导。记录数据如表5所示。

图4 Key frame装配路径

通过表1可以看出，装配零件在初始位置到目标位置过程中的装配过程，具体的表现在其空间六自由度的变化情况。同时可以表现出零件的可装配性。

表1 路径记录表

5 马铃薯覆膜机虚拟装配系统构成

通过以上研究，开发了马铃薯虚拟装配系统，如图5所示，有部件与部件间、部件与零件间、零件与零件间的装配，同时可以从各个角度观察零部件的装配情况，而且针对装配序列和装配路径进行了研究，具体以类似装配流程工艺的形式展现出来。

图5 虚拟装配系统

6 总 结

针对马铃薯覆膜机装配工艺规划相关问题进行研究，就装配层级结构、装配序列规划和装配路径规划进行详细分析，在虚拟环境下进行装配及拆卸，为用户提供直观的装配过程图形仿真，同时通过细化的干涉检验以及路径的调整与完善，达到系统的评估及优化的目的，形成最终的装配路径与装配工艺。

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Research on Virtual Assembly for Potato Laminating Machine Based on EON Studio

TAO Yi ,HE Cheng-zhu, JIN Jian-guo，JIA Xiao-feng

(GansuAcademyofMechanicalSciences,LanzhouGansu730030,China)

Through computer virtal simulation to get the data that can only get from the testing stage of physical prototype before，which can shorten the design cycle and reduce the high costs of the test. Based on the assembly simulation of potato EON studio on potato laminating machine，the assembly-level expression, assembly sequence and path planning study are all researched in order to achieve the optimization of the assembly process.

computer simulation；VR；virtual simulation； assembly sequence；path planning

2013-11-20

十二五科技支撑计划项目，国家科技部项目(编号：2011BAD20B01).

陶 燚(1983-),男,甘肃庆阳人,工程师，主要从事虚拟样机和虚拟现实的研究。

TP391.9

A

1007-4414(2014)01-0093-03