摘要：为提升农业机械设计成效，以玉米收获机械为研究对象，运用计算机虚拟技术——VR技术探究农业机械设计要点。基于计算机虚拟技术的农业机械设计可实现产品的三维建模，设计者可在虚拟空间中进行机械结构优化设计、机械零部件装配。VR技术支持设计者进行沉浸式设计，以提高机械设计精度，从源头上保障设计方案的可行性和产品的质量。

　　关键词：计算机虚拟技术；农业机械；设计方法

　　1.基于计算机虚拟技术的农业机械设计思路

　　以玉米收获机结构设计为研究切入点，设计一种由摘穗箱体、输送装置、剥皮装置、旋转割台等组成的玉米收获机械。该机械可实现玉米穗茎兼收，通过秸秆输送装置和籽粒输送装置将玉米与秸秆输送至下道工序，实现玉米自动摘穗和秸秆粉碎等功能，其机械结构设计精度直接影响玉米收获机的使用效果。为提升玉米收获机结构设计成效，选用计算机虚拟技术—VR技术，在机械结构设计前首先建立三维交互系统，系统总体架构如图1所示。

　　根据图1所示，系统在机械结构设计中属于虚拟仿真和现实两个环境的交互载体，是计算机虚拟技术应用的核心。系统以虚拟模型库为基础，支持设计人员佩戴Leap motion和头盔，根据农机结构设计需求进行三维模型设计，对农机零部件进行虚拟化设计。

　　2.基于计算机虚拟技术的农业机械设计要点

　　2.1三维建模

　　基于VR三维交互系统的三维建模，对虚拟环境中的农机真实性要求较高，而建模核心在于分配农机设计参数，建构装配单元体，调节各层级的关系。根据玉米收获机械结构设计要求，在VR三维交互系统中建立机械设计理论模型API如下：

　　模型（1）中PDI为机械装配工艺基准；PTI为机械工装设计；ICI为机械装配互换协调；PAI为机械装配工艺余量；DMI为机械装配数字测量；LDI为定位基准；ADI为装配基准；TDD为工装设计基准；LAF装配布局；LOF为装配定位；CF为装配夹紧；AF装配辅助；CICI为部件协换；SCICI组件协换；PICI为零件协换。

　　在三维模型中，为提升机械零部件设计与装配精度，设计者需要在考虑各类影响因素的基础上，在虚拟场景中对农机核心零部件的信息模型进行细分，设定配合约束定义，见表1。

　　2.2机械零部件配置

　　在建立三维模型后，设计者可以结合各类零部件的三维空间信息，建立精确化的数字化模型，农业机械零部件的建模方式见图2。在建立单一零部件的三维模型时，设计者可以在虚拟设计场景中，综合采用二维图像建模技术和三维零部件图形采集相关数据，建立三维机械结构主体框架，并采用图像技术采集各类零部件的三维云数据，按照上述步骤在虚拟设计场景中融合各类零部件模型，在完成零部件粗建模后，采用三维扫描技术对模型进行局部扫描，识别模型中存在的缺陷，运用虚拟场景建模手段对不同规格的点、线、面等元素进行融合，清楚模型中的缺陷，完成模型的精确建构。

　　在建立单个零部件的三维模型后，设计者可以运用面向对象的设计方法进行模型数据管理，将每个零部件的数字化模型看作一个数据节点，使其能满足可视化设计的要求，并以此为基础完成玉米收获机械的零部件配置任务。

　　2.3机械结构设计

　　为提升农业机械的适应性和通用性，根据标准农机设计规范选择零部件，在重点加固玉米收获机机架底盘与割台装置的基础上，提升机械整体的负载强度。设计者在确定好农业机械的尺寸参数后，可以在虚拟场景中对机械零部件的装配设计进行分析，其分析流程见图3。

　　根据图3所示，设计者按照该流程分析了虚拟装配影响因素，以及在掌握结构特性后，可以对农业机械进行机械动力学和机构运动学分析，灵活运用分类聚集、绑定、特征分析等算法，在农机整体结构的基础上从三维模型中提取主要机械结构模型信息和干涉关系，确定农机装配工艺流程、设置零部件装配编号，建立完善的装配序列，实现农业机械整机的可视化设计。

　　2.4虚拟功能演示

　　在完成农业机械三维结构设计后，设计者可以在平台的Unity 3D模块中进行虚拟演示。玉米收获机的零部件数量庞大，若逐一进行格式转换再导入Unity 3D需要庞大工作量，并且Unity 3D不具备约束功能，难以实现各零部件之间的精确装配关系。因此，设计者可以采用WAVE几何器对所有三维结构进行调整后，将零部件统一集中在一个Part中，再采用3DMAX来调整文件的格式，最后一次性将全部三维结构导入Unity 3D中，通过在软件中对各零部件的关系进行调整，并建构玉米穗、玉米秸秆等三维模型，完成玉米收获机的虚拟功能演示，以此验证农业机械结构设计效果。

　　2.5交互设计

　　在虚拟场景中，设计者在完成虚拟功能演示任务后，可以进一步实现交互设计，通过佩戴HTC虚拟头盔，在操控手柄的基础上对农业机械进行功能控制，在启动虚拟农机后通过手柄触发农机启动，灵活选择机械收获功能。虚拟交互设计流程见图4。

　　3.基于计算机虚拟技术的农业机械设计效果

　　为验证基于计算机虚拟技术的农业机械设计效果，采用田间试验方法，在运用VR三维交互系统完成玉米收获机械设计的基础上，在虚拟场景中模拟仿真试验对应设计方案下的玉米收获机的作业性能，并结合虚拟仿真设计结果，对最优参数下的样机进行田间试验验证。以《玉米收获机械》（GB/T 21962-2020）中设定的相关标准为验证依据，设定以下试验参数如表2所示。

　　根据上述参数，在虚拟场景中分别进行5段试验，每段长度为100m，最终得出实验结果如表3所示。

　　根据表3所示，基于计算机虚拟技术设计的玉米收获机，其漏穗率、果穗损失率和籽粒损失率均符合GB/T 21962-2020标准，说明该机械能提高玉米收获效果，减少玉米收割损失，在农业生产实践中能发挥出显著作用，基于计算机虚拟技术的农业机械设计方法科学可靠。

　　4.结束语

　　计算机虚拟技术在农业机械设计中的运用能提高农业机械设计精度，为设计者带来沉浸式体验，帮助设计者及时发现设计方案中的问题，在不断修改、验证、优化的过程中，得出最佳设计成果。建议在农业机械设计中推广和应用计算机虚拟技术。

　    参考文献：

　　[1]李庆.浅析现代农业机械的发展应用趋势[J].河北农业,2023,(12):35-36.

　　[2]古丽江·黑尤拜.数字化设计在农业机械设计领域的应用[J].农业技术与装备,2020,(10):67-68.

　　[3]周志博.现代加工技术在农业机械制造中的应用[J].南方农机,2020,51(07):50.