復式播種單元3D模型參數(shù)化數(shù)字資源研究

劉宏新，周向榮，李 蓉，周興宇，宋微微

（東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030）

復式播種單元3D模型參數(shù)化數(shù)字資源研究

劉宏新，周向榮，李 蓉，周興宇，宋微微

（東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030）

為基于裝配約束的部件參數(shù)化設計提供便捷準確的解決方案，深入研究在裝配體中運用參數(shù)化設計的實施方法。以一種復式播種單元為研究對象，在對其進行功能模塊劃分的基礎上，建立該播種單元的CATIA數(shù)字樣機，對零部件進行參數(shù)化建模，以功能模塊為單位對各零部件進行逐層參數(shù)關(guān)聯(lián)，通過核心部件排種盤直徑進行驅(qū)動，實現(xiàn)播種單元在農(nóng)藝及特征結(jié)構(gòu)約束與要求下的關(guān)聯(lián)變化。理論研究與仿真驅(qū)動表明，核心尺寸驅(qū)動的層次化關(guān)聯(lián)是產(chǎn)品參數(shù)化設計有效實施途徑，可作為裝備數(shù)字化資源庫的核心基礎支撐技術(shù)，也可為產(chǎn)品高效研發(fā)提供一種現(xiàn)代化的解決方案。

播種單元；3D模型；CATIA；參數(shù)化

在傳統(tǒng)的裝備研發(fā)過程中，產(chǎn)品創(chuàng)新設計集中于一個或幾個零部件上，需設計人員反復查閱手冊并進行大量重復性勞動，制作和繪制附屬機構(gòu)及所有標準件、通用件等滿足整機設計要求，影響研發(fā)效率。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代3D設計應用普遍，三維應用軟件日漸完善。虛擬現(xiàn)實特點使設計過程中產(chǎn)生的模型具備可重復利用與成果共享等資源屬性。將3D模型通過規(guī)范其造型流程、設置主體參數(shù)、關(guān)聯(lián)特征和約束，與專家系統(tǒng)等技術(shù)結(jié)合，通過三維應用軟件的二次開發(fā)功能進行技術(shù)接口，形成一種具有面向多層次用戶的可提供瀏覽、查詢、調(diào)用、維護、擴展、智能輔助設計、選型配套專家建議等功能的數(shù)字資源庫。資源庫集成系統(tǒng)化的3D模型及專業(yè)經(jīng)驗，可免除大量的重復性勞動，保證設計者精力集中于關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，提高效率與水平。

國內(nèi)研究目前處于起步階段，數(shù)字化資源停留在少數(shù)3D模型的原始積累與簡單調(diào)用階段。3D軟件主要用于零件造型、裝配設計、工程圖等基本功能模塊，資源化相關(guān)研究極為有限。主要實現(xiàn)零件模型的一般調(diào)用與尺寸驅(qū)動，對象均為某一領域的標準件或通用件。國外對于利用3D技術(shù)建立數(shù)字資源研究仍局限于零件屬性的標準件庫、專用行業(yè)專用件庫等，只是系統(tǒng)化程度相對完善。對復雜的裝配體及裝備系統(tǒng)研究以及智能輔助設計、選型配套專家建議等為特征的數(shù)字化資源庫研究未見報道。

參數(shù)化設計方法是裝備數(shù)字化資源庫的核心支撐技術(shù)，對復雜的裝配體及裝備系統(tǒng)解決參數(shù)化設計問題，是構(gòu)建系統(tǒng)、完整、易于系列變換、便捷優(yōu)化組合的基礎3D模型虛擬數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵。

參數(shù)化設計將模型中的定量元素變量化，使之成為可調(diào)整的參數(shù)，對參數(shù)賦予不同數(shù)值，可得到不同大小的零部件模型，從而大大提高模型的生成和修改速度，在產(chǎn)品的系列化設計、相似設計中具有較大的應用價值[1]。

在實際應用中，由于參數(shù)化設計主要應用于零件中，對于部件經(jīng)常采用整體零件化處理而簡化參數(shù)化設計過程的方式，零件化處理后的部件模型不能準確模擬實際零部件的裝配關(guān)系以及運動和結(jié)構(gòu)屬性。因此研究產(chǎn)品的參數(shù)化設計方法，有助于設計產(chǎn)品設計全過程的3D模型。

本文以一種復式播種單元[2]為研究對象，以該產(chǎn)品內(nèi)部零部件間的幾何裝配關(guān)系為約束，規(guī)劃和管理幾何模型特征和參數(shù)，在CATIA環(huán)境下創(chuàng)建播種單元參數(shù)化三維模型，保證參數(shù)驅(qū)動過程中數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性和幾何拓撲關(guān)系的確定性，尋找驅(qū)動過程中頻繁交互數(shù)據(jù)、復雜的數(shù)據(jù)關(guān)系，使該播種單元以最少驅(qū)動參數(shù)生成系列新模型[3]。

1 模型分析

圖1為一種差徑雙圓盤開溝，工作部件獨立仿形的播種單元總體結(jié)構(gòu)。根據(jù)各部分功能的相對獨立性[4]，可將該播種單元劃分為五個模塊：

施肥開溝模塊（包括施肥開溝器9和鉤形臂10）、排種模塊（包括排種器7和種溝開溝器6）、覆土鎮(zhèn)壓模塊（包括覆土器5和鎮(zhèn)壓器4）、主梁模塊（包括主梁2、連體前座架1和后復合座架3）、仿形模塊（包括施肥開溝器仿形彈簧11、平行四桿8和排種器彈簧桿12）。

圖1 播種單元部件裝配Fig.1 Subassembly of the seeder unit

播種單元的作業(yè)特點及用途由其組成零部件共同決定，而其改進優(yōu)化或系列化則集中在少數(shù)核心部件上。就播種單元而言，核心模塊是排種器[5]，通常排種器被設計成一系列不同規(guī)格以滿足不同作業(yè)要求。排種器的變化會帶來一系列關(guān)聯(lián)變動[6]，最直接的是引起仿形模塊變動，因此本文主要研究以排種器為主驅(qū)動模塊，通過改變排種器的參數(shù)實現(xiàn)平行四桿和后彈簧桿彈簧的關(guān)聯(lián)變化，保證新生成的播種單元3D模型滿足農(nóng)藝及結(jié)構(gòu)要求。

產(chǎn)品的參數(shù)化設計建立在零件參數(shù)化設計的基礎上，兩者本質(zhì)上相同[7]。但產(chǎn)品參數(shù)化設計在保證每個零件內(nèi)部尺寸全約束前提下，還應保證零件與零件或部件間的關(guān)聯(lián)[8]。裝配體參數(shù)關(guān)系見圖2。

圖2 裝配體參數(shù)化關(guān)系Fig.2 Parametric relationship of assembly

2 模型參數(shù)組織與函數(shù)關(guān)聯(lián)

2.1 核心部件

播種單元的核心部件“排種器”構(gòu)造如圖3、4所示[9]。

2.1.1 排種盤參數(shù)化

該排種盤的主要參數(shù)有種盤直徑、型孔個數(shù)和型孔尺寸[10]。同一作物的排種盤型孔結(jié)構(gòu)復雜，需要專門研究設計，而型孔個數(shù)隨排種盤直徑變化而變化，因此選擇排種盤直徑為主驅(qū)動參數(shù)，對排種盤進行參數(shù)化設計。

2.1.1.1 設置軟件系統(tǒng)環(huán)境

進行參數(shù)化設計前需要對CATIA軟件進行設置，使“參數(shù)”“關(guān)系”選項能夠顯示在結(jié)構(gòu)樹上并且能夠修改。修改位置在“工具”→“選項”→“常規(guī)”→“參數(shù)和測量”→“知識工程”選項卡，在“參數(shù)樹形視圖”區(qū)域中選擇“帶公式”“帶值”復選框；選擇“基礎結(jié)構(gòu)”→“零件基礎結(jié)構(gòu)”→“顯示”選項卡，在“在結(jié)構(gòu)樹中顯示”區(qū)域中選擇所有復選框。

圖3 排種器總成3D模型Fig.3 3D model of seed-metering assembly

圖4 排種器總成裝配圖Fig.4 Assembly drawing of the seed-metering device

2.1.1.2 設置零件驅(qū)動參數(shù)

在排種盤零件（Part）條件下，在“知識工程”工具欄中單擊“公式”功能圖標f（x），新建一個參數(shù)類型為“長度”的自定義參數(shù)，將該參數(shù)更名為“Dz”，并將值更換為排種盤的常用直徑尺寸200 mm作為初始值。該參數(shù)為排種盤零件內(nèi)的輔主參數(shù)排種直徑的替代參數(shù)，為方便修改操作而增設[11]。

2.1.1.3 設置參數(shù)關(guān)聯(lián)

進入排種盤生成外圓特征的草圖編輯工作臺，右鍵單擊圓的直徑尺寸，選擇“半徑.1對象”→“編輯公式”，編輯公式“零件幾何體凸臺.1草圖.1半徑.1半徑=Dz/2”，即完成排種盤外圓直徑與設定的驅(qū)動參數(shù)的關(guān)聯(lián)[12]。為保證排種盤的尺寸約束關(guān)系，對于零件設計的其他特征同樣需要公式來關(guān)聯(lián)尺寸，設定方法同上。排種盤關(guān)鍵參數(shù)如表1所示，圖5為排種盤零件模型。

表1 排種盤關(guān)鍵參數(shù)表Table 1 The key parameters of the seed plate

圖5 排種盤模型Fig.5 Seed plate model

2.1.2 排種器總成

按以上方法對其他零件進行參數(shù)化建模后，若要保證產(chǎn)品能夠被部件主參數(shù)驅(qū)動，還需添加產(chǎn)品各零件輔主參數(shù)與部件主參數(shù)的關(guān)聯(lián)，即進行基于裝配的產(chǎn)品參數(shù)化設計[13]。

CATIA默認情況下參數(shù)只能在零件之內(nèi)傳遞，如需實現(xiàn)零件與零件之間的參數(shù)關(guān)聯(lián)，需要進行功能設置。修改位置在“工具”→“選項”→“基礎結(jié)構(gòu)”→“零部件基礎結(jié)構(gòu)”→“常規(guī)”選項卡，選擇“外部參考”區(qū)域中的“保持與選定對象鏈接”復選框。

在排種器產(chǎn)品（Product）條件下，新建一個初始值為200 mm的長度參數(shù)“pzd”，該值作為排種器部件內(nèi)主參數(shù)的替代，為方便修改操作而增設。根據(jù)零件間結(jié)構(gòu)與配合要求，依次設置各零件輔主參數(shù)與之關(guān)聯(lián)公式，如表2所示。

表2 排種器參數(shù)關(guān)系表Table 2 Key parameters of the seed-metering device

選擇排種器裝配體結(jié)構(gòu)樹中的參數(shù)“pzd”，將值改為另一直徑系列240 mm，然后更新三維模型，排種盤整體尺寸隨排種盤直徑變化而變化。

2.2 單元裝配

2.2.1 約束關(guān)系

排種器參數(shù)改變后將導致播種單元的尺寸變化，在產(chǎn)生最少關(guān)聯(lián)變動的前提下，根據(jù)農(nóng)藝及結(jié)構(gòu)要求，應保證主梁距離地面高度一定，排種器播種位置固定且模型驅(qū)動變化后保持播深不變。如圖1所示，在播種單元裝配體中給出機架距離種溝開溝器底端的偏移約束值H，該值限制種溝開溝器在豎直方向的位移；同時限制排種器中心線到后梁的距離L以簡化傳動系統(tǒng)的變動。為滿足幾何關(guān)系及三維模型的正確性，解除平四桿桿系與機架的角度約束α[14]。同時設置平行四桿的桿長和鉸接桿的彈簧長度的變化公式。

2.2.2 幾何分析

各模塊的變化會引起相鄰模塊的變動，因此模塊重新組合之前需要進行尺寸配對以使各模塊互相兼容。該播種單元中排種器模塊變化帶來仿形模塊的相應變化，對仿形模塊的平行四桿和排種器鉸接桿彈簧進行幾何分析，簡化分析模型如圖6所示，虛線為原始模型。

OA為初始的平行四桿，長度L0=440 mm，OA′為變化后的平行四桿，長度設為L1，角度α為初始平行四桿與水平線夾角，α=26°。設排種器初始直徑pzd=200 mm，并且變化后pzd′＞pzd。A′B的長度為排種器中心線左半邊的增量，由排種器關(guān)聯(lián)公式知：

在該排種器中，A點與排種器中心孔的垂直高度超過排種盤殼體內(nèi)腔的半徑，因此AB的長度為排種器殼體內(nèi)腔直徑的變化值，由排種器關(guān)聯(lián)公式知：

又因為AA′2=AB2+A′B2，所以∶

根據(jù)余弦定理可知：

將各數(shù)值代入式（5），可以得到平行四桿的桿長L1變化公式：

根據(jù)同樣方法，計算出彈簧長度h的變化公式。分別在平行四桿零件模型和彈簧零件模型中將長度變化公式編輯成CATIA能夠識別的公式，并注意單位的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的公式如下：

①平行四桿的桿長變化公式：′零件幾何體凸臺.1草圖.1長度.7長度′=sqrt（193600+5*（（′外部參數(shù)PZD′/1 mm-200)/2）**（2）-880×sqrt（5）*（（′外部參數(shù)PZD′/1 mm-200）/2）*cos（acos(1/sqrt（5））-26* PI/180））*1 mm

②彈簧長度變化公式：′彈簧2彈簧高度′= sqrt（27556+5×（（′外部參數(shù)PZD′/1 mm-200）/2）×× （2）-332×sqrt（5）×（（′外部參數(shù)PZD′/1 mm-200）/2）×cos（acos（1/sqrt（5））-63*PI/180））×1 mm

2.2.3 播種單元總體參數(shù)關(guān)聯(lián)

在播種單元裝配體結(jié)構(gòu)樹中創(chuàng)建一個長度型參數(shù)，命名為“PZD”，設置值為200 mm作為播種單元的初始值，并將各部件主參數(shù)與主驅(qū)動參數(shù)PZD進行數(shù)值相等的關(guān)聯(lián)。該數(shù)值在本例中即是產(chǎn)品級主參數(shù)，因為有一定特殊性，其值與排種盤直徑相等。至此，播種單元各零部件間的參數(shù)關(guān)聯(lián)設置完成，播種單元模型結(jié)構(gòu)樹主要部分如圖7所示。

圖6 仿形四桿幾何分析模型Fig.6 Profiling linkage geometrical model

圖7 播種單元模型結(jié)構(gòu)樹Fig.7 Seeder unit model structure tree

3 模型應用

已通過結(jié)構(gòu)及約束關(guān)聯(lián)逐層次建立的播種單元模型具備更高級的數(shù)字資源屬性，其可在3D軟件平臺中或通過第三方程序進行驅(qū)動。以主參數(shù)“PZD”值從200 mm調(diào)整到240 mm為例，單元模型更新后，平行四桿的長度與排種器仿形彈簧的長度隨排種盤直徑變化而變化，虛擬驅(qū)動前后的結(jié)構(gòu)對比如圖8所示，符合技術(shù)要求并保證農(nóng)藝作業(yè)參數(shù)不變。

圖8 播種單元尺寸虛擬驅(qū)動結(jié)構(gòu)變化對比Fig.8 Comparison of the change of the seeder unit

4 結(jié) 論

a.以核心零件排種盤的直徑為驅(qū)動參數(shù)，以投種高度和投種點位置為約束條件，能快速準確地生成不同系列的播種單元模型，并保證新生成的模型符合該播種單元特點。

b.在播種單元三維模型裝配約束中釋放平行四桿與主梁的夾角約束，可簡化關(guān)聯(lián)公式建立。

c.逐層參數(shù)化的播種單元，因各模塊之間相互獨立，三維設計出錯機率降低，方便修改過程中尋找指定參數(shù)關(guān)系。模塊劃分以功能單元為基準，實現(xiàn)模塊間相互關(guān)聯(lián)前提下，應盡量減少模塊之間交互的接口數(shù)。

d.選擇主要模塊中的核心零件作為主導零件，再從該零件中選擇主要參數(shù)作為裝配體的驅(qū)動參數(shù)，尋找其他零件與該參數(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系。從每一級里增設一個主參數(shù)替代值，將所在級所有的關(guān)聯(lián)參數(shù)指向該替代值，增強結(jié)構(gòu)樹可讀性。

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Parametric digital resources research on 3D model of compound seeding unit

LIU Hongxin,ZHOU Xiangrong,LI Rong,ZHOU Xingyu,SONG Weiwei(School of Engineering,NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)

In order to provide rapid and effective solution for parametric design based on assembly constraint,studied deeply on a method for the parametric design in an assembly.Taking a compound seeding unit as an object of study,based on its module division,built a CATIA digital prototype of the seeding unit,made the parametric design on parts,made layer-by-layer parameter association for various parts by taking the module as unit,and realized the association change of the seeding unit according to agriculture and structural requirements under the drive of the diameter of a core part—seed-plate.The study shows that hierarchical relation of core dimension driver is an effective way to realize the product parametric design,which as the core and basic support technology,and provides a rapid and feasible modernized solution for product design.

seeding unit;3D model;CATIA;parametric

TH123+.3(4)

A

1005-9369（2014）12-0105-07

時間2014-12-29 9∶02∶00 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20141229.0902.008.html

劉宏新,周向榮,李蓉,等.復式播種單元3D模型參數(shù)化數(shù)字資源研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2014,45(12):105-111.

Liu Hongxin,Zhou Xiangrong,Li Rong,et al.Parametric digital resources research on 3D model of compound seeding unit [J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(12):105-111.(in Chinese with English abstract)

2014-04-06

黑龍江省教育廳科學技術(shù)研究項目（12521023）

劉宏新（1971-），教授，博士，博士生導師。研究方向為農(nóng)業(yè)機械化及其自動化。E-mail∶Lcc98@neau.edu.cn