脫粒機(jī)構(gòu)數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用

摘 要： 農(nóng)業(yè)脫粒機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工況惡劣，在進(jìn)行實(shí)物研究時(shí)耗時(shí)費(fèi)力。采用數(shù)字孿生系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控脫粒機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，預(yù)測故障，積累數(shù)據(jù)并提供解決方案。對脫粒機(jī)構(gòu)數(shù)字孿生系統(tǒng)的研究表明，選取脫粒滾筒扭矩、滾筒轉(zhuǎn)速、軸承溫度、振動(dòng)加速度及消耗功率作為關(guān)鍵參數(shù)可對脫粒機(jī)構(gòu)物理實(shí)體進(jìn)行準(zhǔn)確地狀態(tài)判斷， 運(yùn)用Unity 軟件和AMESim 軟件構(gòu)建物理實(shí)體的數(shù)字孿生系統(tǒng)可用于虛擬仿真，使用ZigBee 無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互能夠滿足數(shù)字孿生系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的需求。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生系統(tǒng)；脫粒機(jī)構(gòu)；脫粒滾筒；數(shù)字建模；數(shù)據(jù)交互

中圖分類號(hào)：S24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1795（2024）08-0034-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.08.006

0 引言

數(shù)字孿生系統(tǒng)作為一種新興的技術(shù)，近年來受到廣泛關(guān)注。數(shù)字孿生系統(tǒng)運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)建立物理實(shí)體的虛擬模型，以實(shí)現(xiàn)對物理實(shí)體的實(shí)時(shí)監(jiān)控和仿真分析的技術(shù)。數(shù)字孿生系統(tǒng)的發(fā)展過程可以追溯到20世紀(jì)80 年代，當(dāng)時(shí)主要應(yīng)用于飛行器的仿真分析。目前數(shù)字孿生系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入多種領(lǐng)域，如制造業(yè)、能源、建筑等，為實(shí)體的優(yōu)化設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理、故障診斷等提供了新的思路和方法[1-4]。在制造業(yè)中，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程的仿真，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[5-6]。在能源領(lǐng)域，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以用于電力系統(tǒng)的仿真分析和優(yōu)化運(yùn)行，提高能源利用效率和可靠性[7]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生系統(tǒng)逐漸發(fā)展成熟，成為助力現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要技術(shù)，為實(shí)體的設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理、故障診斷等提供新的思路和方法[8-11]。

近年來，數(shù)字孿生系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域也有一定的發(fā)展。在農(nóng)機(jī)裝備的運(yùn)行管理方面，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控農(nóng)機(jī)裝備的運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測故障并提供解決方案，提高農(nóng)機(jī)裝備的使用效率和可靠性。在農(nóng)機(jī)裝備的維修保養(yǎng)方面，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以通過建立農(nóng)機(jī)裝備的虛擬模型，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)機(jī)裝備的維修保養(yǎng)和故障排除[12-13]。在農(nóng)機(jī)裝備尤其是脫粒機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、執(zhí)行機(jī)構(gòu)繁多等因素，導(dǎo)致在研究設(shè)計(jì)過程中缺乏高效手段，同時(shí)在其作業(yè)過程中缺少實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，不利于后期的故障分析與設(shè)計(jì)迭代升級(jí)[14-15]。在脫粒機(jī)構(gòu)研究中使用數(shù)字孿生系統(tǒng)可有效地克服這些問題。

1 脫粒機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析

1.1 工作原理與結(jié)構(gòu)

農(nóng)業(yè)機(jī)械中的脫粒機(jī)構(gòu)是用于將作物籽粒從穗中脫離出來的裝置。其基本原理是利用機(jī)械力和摩擦力使籽粒脫離穗，主要包括進(jìn)料口、脫粒滾筒、脫粒凹板、傳動(dòng)系統(tǒng)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及籽粒收集系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

進(jìn)料口用于不同類型作物的喂入。脫粒滾筒是脫粒機(jī)構(gòu)的核心部件，通過旋轉(zhuǎn)滾筒將谷穗壓在滾筒表面，通過滾筒表面的脫粒部件對谷穗進(jìn)行擠搓、拍打，實(shí)現(xiàn)對籽粒的脫離。脫粒凹板位于脫粒滾筒的出料端，通過凹板的孔徑大小和形狀將脫粒后的籽粒與殘留物分離。作物籽粒由凹板縫隙在重力作用下落入下方的籽粒收集系統(tǒng)內(nèi)；脫粒后的雜物如稻殼或玉米芯等由脫粒滾筒尾部排出。脫粒機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)包括電機(jī)、減速機(jī)、傳動(dòng)軸等，通過傳動(dòng)系統(tǒng)將滾筒和篩板帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)脫粒功能。調(diào)整機(jī)構(gòu)用于調(diào)整滾筒和篩板的位置和角度，以適應(yīng)不同作物的籽粒大小和形狀；在谷物喂入量過大時(shí)，通過調(diào)整機(jī)構(gòu)也可防止堵塞情況的發(fā)生。

1.2 關(guān)鍵參數(shù)及監(jiān)測方法

由于脫粒機(jī)構(gòu)體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，從外部難以確定其工作情況。選取合理的監(jiān)測參數(shù)，實(shí)時(shí)獲取脫粒機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，可以有效地確定各部件的作業(yè)情況。另外存儲(chǔ)檢測參數(shù)后形成歷史數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析還可以對故障進(jìn)行預(yù)測。在監(jiān)測脫粒機(jī)構(gòu)的作業(yè)狀態(tài)時(shí)，選取的重要參數(shù)有以下5 個(gè)。

（1）滾筒扭矩與轉(zhuǎn)速。監(jiān)測整個(gè)脫粒滾筒系統(tǒng)輸入端的滾筒扭矩和轉(zhuǎn)速，由滾筒扭矩可以獲得當(dāng)前脫粒滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，對滾筒扭矩變化率的監(jiān)控還能及時(shí)預(yù)測滾筒的堵塞發(fā)生情況；而滾筒轉(zhuǎn)速反映脫粒效率與脫粒質(zhì)量，對于脫粒系統(tǒng)的安全運(yùn)行及控制脫粒的破損率至關(guān)重要。采用在驅(qū)動(dòng)軸上串接扭矩和轉(zhuǎn)速傳感器的方法得到滾筒扭矩與轉(zhuǎn)速。

（2）溫度。監(jiān)測脫粒機(jī)構(gòu)的溫度，如傳動(dòng)軸軸承溫度、脫粒滾筒軸承溫度，可以判斷其是否正常運(yùn)行。如果溫度過高，可能是由于潤滑失效、堵塞等原因?qū)е碌倪^載，需要進(jìn)行檢查和調(diào)整。溫度測量采用埋設(shè)熱電阻的方法進(jìn)行，溫度測量范圍?100～600 °C、誤差0.1 °C，可以滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控的需要。

（3）振動(dòng)加速度。監(jiān)測脫粒機(jī)構(gòu)的振動(dòng)加速度情況可以判斷其是否有零部件松動(dòng)或損壞。如果振動(dòng)加速度過大，需要及時(shí)停機(jī)檢查。部件的振動(dòng)加速度測量使用加速度計(jì)，固定于支撐軸承座底部。對于振動(dòng)加速度信號(hào)的采集，不僅能夠獲得脫粒系統(tǒng)不同部位的振動(dòng)強(qiáng)度，而且對信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換后，獲得振動(dòng)的頻域分布及不同頻率上的振動(dòng)能量分布，可以得到更直觀的機(jī)構(gòu)狀態(tài)信息。

（4）消耗功率。監(jiān)測脫粒機(jī)構(gòu)的消耗功率可以統(tǒng)計(jì)其工作效率，為后續(xù)的節(jié)能設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)，同時(shí)也能判斷脫粒機(jī)構(gòu)是否正常運(yùn)行。如果消耗功率過大，可能是由于過載或故障等原因?qū)е碌?，需要進(jìn)行檢查和調(diào)整。消耗功率的測量采用在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電源上增加功率計(jì)的方法實(shí)現(xiàn)。

2 數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建

聯(lián)合使用Unity 和AMESim 軟件，可以實(shí)現(xiàn)對脫粒機(jī)構(gòu)數(shù)字孿生系統(tǒng)的建模和物理仿真，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對脫粒機(jī)構(gòu)的虛擬優(yōu)化和可視化展示。

2.1 脫粒機(jī)構(gòu)數(shù)字孿生系統(tǒng)可視化模型構(gòu)建

脫粒機(jī)構(gòu)數(shù)字孿生系統(tǒng)的三維可視化模型是在虛擬世界中與其實(shí)體物理系統(tǒng)緊密對應(yīng)的虛擬模型，虛擬模型是通過對實(shí)體物理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和建模而得到的。虛擬模型中的可視化模型可用Unity軟件實(shí)現(xiàn)，它在進(jìn)行數(shù)字孿生系統(tǒng)的三維可視化建模時(shí)有4 方面優(yōu)點(diǎn)。

（1）可視化建模。Unity 軟件提供了可視化建模工具，使得用戶可以直觀地創(chuàng)建、編輯和調(diào)整可視化模型，避免了傳統(tǒng)建模方式中繁瑣的手動(dòng)建模過程。

（2）實(shí)時(shí)渲染。Unity 軟件支持實(shí)時(shí)渲染，可以在模型構(gòu)建的同時(shí)實(shí)時(shí)預(yù)覽模型效果，從而快速發(fā)現(xiàn)和修復(fù)問題。

（3）物理仿真。Unity 軟件的物理引擎可以對可視化虛擬模型進(jìn)行物理仿真，包括碰撞檢測、重力模擬、動(dòng)力學(xué)等，更真實(shí)地模擬實(shí)際物理場景。

（4）多平臺(tái)支持。Unity 軟件支持多平臺(tái)發(fā)布，可以將可視化虛擬模型導(dǎo)出到多種平臺(tái)，如PC、移動(dòng)設(shè)備、Web 等，方便用戶在不同平臺(tái)上查看和使用可視化虛擬模型。

利用Unity 軟件對脫粒機(jī)構(gòu)物理實(shí)體進(jìn)行可視化虛擬建模，如圖2 所示，可視化虛擬模型按照其工作狀態(tài)可自由運(yùn)動(dòng)。根據(jù)物理實(shí)體的輸入數(shù)據(jù)，可以直觀了解脫粒機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 脫粒機(jī)構(gòu)物理仿真模型構(gòu)建

脫粒機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)及物理仿真模型使用AMESim軟件實(shí)現(xiàn)。AMESim 軟件是一種多領(lǐng)域仿真平臺(tái)，它基于動(dòng)態(tài)建模方法建立物理元件的數(shù)學(xué)模型，提供面向眾多學(xué)科領(lǐng)域的專業(yè)應(yīng)用庫，包括控制、熱、液壓、多相流、電氣電子系統(tǒng)、電磁、機(jī)械與動(dòng)力傳動(dòng)及動(dòng)力學(xué)等。將脫粒系統(tǒng)按動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)分解后，即可創(chuàng)建使用AMESim 軟件的內(nèi)置子模型設(shè)計(jì)出完整的仿真模型，并通過導(dǎo)入傳感器數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)或頻響計(jì)算，分析系統(tǒng)性能。

脫粒機(jī)構(gòu)的物理仿真模型主要由調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)模塊、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模塊、傳動(dòng)系統(tǒng)模塊、脫粒滾筒變載模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊組成，系統(tǒng)模型如圖3 所示。

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)模塊由數(shù)據(jù)輸入模型、調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型、凸輪模型和彈性接觸模型組成。將物理實(shí)體中測量到的電機(jī)速度作為輸入，通過子模型組合，最終輸出調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的位移量。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模塊以實(shí)體結(jié)構(gòu)的測量轉(zhuǎn)速作為輸入，接入電動(dòng)機(jī)模型后，通過扭矩轉(zhuǎn)速傳感器模塊及變速機(jī)構(gòu)，將動(dòng)力傳輸至傳動(dòng)系統(tǒng)。同時(shí)，仿真模型將轉(zhuǎn)速、扭矩信號(hào)輸出，結(jié)合調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)模型輸出的位移量，構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。

傳動(dòng)系統(tǒng)模塊主要由輸入端阻尼模塊、傳動(dòng)慣量及輸出端阻尼模塊組成。主要功能是傳遞電機(jī)的扭矩，并能夠按照轉(zhuǎn)速變化對傳遞過程中產(chǎn)生的庫倫摩擦阻力和黏滯摩擦阻力進(jìn)行仿真模擬。

脫粒滾筒變載模塊由脫粒滾筒慣量、可變旋轉(zhuǎn)阻尼、可變旋轉(zhuǎn)彈性系數(shù)及阻力系統(tǒng)構(gòu)成。在脫粒過程中，由于作物谷穗的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與受力狀態(tài)變化巨大，難以使用簡單的數(shù)學(xué)模型或已有的軟件子模塊進(jìn)行仿真。因此，本研究通過一種具有隱藏層的受限前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對脫粒滾筒進(jìn)行仿真。與脫粒狀態(tài)有直接關(guān)聯(lián)的3 個(gè)主要參數(shù)：滾筒轉(zhuǎn)速、滾動(dòng)轉(zhuǎn)矩和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位移量，通過神經(jīng)元接入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并將可變旋轉(zhuǎn)阻尼和可變旋轉(zhuǎn)彈性系數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出。將前期試驗(yàn)得到的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后，統(tǒng)一其范圍至[?1， 1]，以便于后期神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)快速收斂。設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱藏層及激活函數(shù)后，通過數(shù)據(jù)訓(xùn)練和模型檢測對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，最終應(yīng)用在AMESim 模型中。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊將仿真得到的可變旋轉(zhuǎn)阻尼和可變旋轉(zhuǎn)彈性系數(shù)進(jìn)行記錄，使用信號(hào)記錄子模型將數(shù)據(jù)以ASCII 碼格式進(jìn)行存儲(chǔ)，便于后期使用和優(yōu)化。

3 數(shù)字孿生系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸與應(yīng)用

脫粒機(jī)構(gòu)的物理實(shí)體和數(shù)字孿生系統(tǒng)的可視化虛擬模型只有通過數(shù)據(jù)交換才能實(shí)現(xiàn)兩者之間的相互映射和動(dòng)態(tài)交互。在物理實(shí)體上設(shè)置的多種傳感器數(shù)據(jù)需要通過適合的傳輸方式，進(jìn)入可視化虛擬模型。

在傳輸方式上選擇無線傳輸，具有靈活性大、易于擴(kuò)展和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。無線傳輸不需要布線，因此可以方便地在脫粒機(jī)構(gòu)各個(gè)位置上快速布置，實(shí)現(xiàn)靈活的數(shù)據(jù)交換。無線傳輸可以通過增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，非常適合需要大量設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸場景。此外，在某些惡劣的環(huán)境條件下，無線傳輸可以克服有線傳輸?shù)木窒扌?，?shí)現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。

在多種無線通信方式中，ZigBee 是一種基于IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的低功耗無線通信技術(shù)，具有低功耗、低成本、短距離通信及可靠的數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，并且ZigBee 網(wǎng)絡(luò)可以方便地?cái)U(kuò)展到多個(gè)設(shè)備，適用于需要連接多個(gè)設(shè)備的場景，可以滿足在數(shù)字孿生系統(tǒng)中的應(yīng)用。

部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：將安裝在脫粒機(jī)構(gòu)物理實(shí)體上的滾筒扭矩信號(hào)、滾筒轉(zhuǎn)速信號(hào)、軸承溫度信號(hào)、振動(dòng)加速度信號(hào)和消耗功率信號(hào)數(shù)據(jù)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，連接到ZigBee 節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)可以監(jiān)測和收集物理實(shí)體的各種數(shù)據(jù)。這些傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線方式與存放可視化虛擬模型的匯聚節(jié)點(diǎn)通信，將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)字孿生系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議：為了保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸和實(shí)時(shí)性，需要設(shè)計(jì)合適的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。傳輸協(xié)議需要定義數(shù)據(jù)包格式、傳輸速率、通信時(shí)序等。

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收與處理：在數(shù)字孿生系統(tǒng)中，需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收與處理功能。這包括建立無線接收模塊，用于接收來自傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、校驗(yàn)等處理。同時(shí)，還需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析功能，將處理后的數(shù)據(jù)用于Unity 模型和AMESim 仿真模型。

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互與控制：在數(shù)字孿生系統(tǒng)中，可以通過界面查看物理實(shí)體的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，需要設(shè)計(jì)合適的界面和交互邏輯，使用戶能夠方便地查看和操作數(shù)據(jù)。

測試與優(yōu)化：在完成上述步驟后，需要對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測試和優(yōu)化。這包括測試無線傳輸?shù)姆€(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、數(shù)字孿生系統(tǒng)的準(zhǔn)確性等。根據(jù)測試結(jié)果，可以對脫粒機(jī)構(gòu)數(shù)字模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

（1）選擇脫粒機(jī)構(gòu)滾筒扭矩與轉(zhuǎn)速、軸承溫度、振動(dòng)加速度及消耗功率等關(guān)鍵的測量參數(shù)，可以對脫粒機(jī)構(gòu)物理實(shí)體進(jìn)行準(zhǔn)確地狀態(tài)判斷，可用于數(shù)字孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

（2）使用Unity 軟件設(shè)計(jì)的脫粒機(jī)構(gòu)數(shù)字孿生系統(tǒng)的虛擬模型和使用AMESim 軟件設(shè)計(jì)的脫粒機(jī)構(gòu)仿真模型可構(gòu)建物理實(shí)體的數(shù)字孿生系統(tǒng)用于虛擬仿真。

（3）采用ZigBee 無線通信方式，可以方便地在脫粒機(jī)構(gòu)各個(gè)位置上布置傳感器節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)傳輸協(xié)議后能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的數(shù)據(jù)交換，滿足數(shù)字孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互需求。

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