滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)交互式優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究

劉宏新 蘇 航 李金龍 劉招金

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)是農(nóng)業(yè)機(jī)械化和現(xiàn)代化的重要內(nèi)容和步驟，設(shè)計(jì)水平的高低直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量性能、研制周期和經(jīng)濟(jì)效益等[1-2]。隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)與隨之產(chǎn)生的設(shè)計(jì)方法也不斷地融入到農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中。

傳統(tǒng)的農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)方法一般是通過經(jīng)驗(yàn)獲得設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行整機(jī)設(shè)計(jì)[3-7]。但由于經(jīng)驗(yàn)性和盲目性，往往需要多次修改參數(shù)和結(jié)構(gòu)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。優(yōu)化設(shè)計(jì)方法即在符合一系列限制條件的前提下，求出滿足設(shè)計(jì)效果的設(shè)計(jì)參數(shù)解，使設(shè)計(jì)效率明顯提高。與此同時(shí)在優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，人類經(jīng)驗(yàn)知識(shí)及創(chuàng)新能力在求解復(fù)雜問題時(shí)具有不可替代的作用[8-11]，這使得交互式優(yōu)化設(shè)計(jì)方法成為研究復(fù)雜優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的最佳選擇。張學(xué)軍等[12]研究了清田整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)齒形刮板式殘膜、殘茬及土壤輸送裝置的結(jié)構(gòu)原理，通過建立數(shù)學(xué)模型，得到了機(jī)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)組合；韓豹等[13]為獲得理想的苗間機(jī)械鋤草效果，結(jié)合農(nóng)藝對(duì)機(jī)械鋤草參數(shù)的限定及要求，建立了多目標(biāo)優(yōu)化模型，并使用Matlab優(yōu)化工具箱得到了最優(yōu)解；王方艷等[14]使用Matlab，對(duì)4H-2型花生收獲機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析，以提高機(jī)構(gòu)的工作性能與可靠性。VEGAD等[15]對(duì)C型、Hatchet型和L型3種旋耕葉片進(jìn)行了靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，并利用Solidworks程序設(shè)計(jì)模塊對(duì)3種轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行了優(yōu)化研究。近年來約翰迪爾等國外知名農(nóng)機(jī)企業(yè)紛紛采用交互式優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，建立了以PDM/PLM為支撐平臺(tái)的產(chǎn)品研發(fā)體系和知識(shí)積累平臺(tái)。

近年來，保護(hù)性耕作技術(shù)的推廣應(yīng)用，對(duì)農(nóng)機(jī)具的工作性能提出了新的要求[16-20]。為此，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制出了一種以滾筒為特征部件的免耕播種裝置。該裝置采用滾筒碾壓秸稈，在秸稈被壓薄并固定時(shí)，置于滾筒內(nèi)的鴨嘴式播種器的鴨嘴從滾筒中伸出，穿透秸稈完成打穴與播種。相對(duì)于現(xiàn)有形式，無需對(duì)秸稈殘茬進(jìn)行任何處理，不進(jìn)行破茬分草和開溝等工序，避免了秸稈和雜草的堵塞，提高了裝置的通過性[21]。但在免耕播種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，涉及參數(shù)多，公式復(fù)雜，計(jì)算量大。當(dāng)播種需求、播種條件改變時(shí)，需重新設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的各結(jié)構(gòu)參數(shù)，延長了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)周期，不易完成機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

針對(duì)上述問題，本文以滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，研究一種交互式設(shè)計(jì)平臺(tái)。使用Matlab設(shè)計(jì)并改進(jìn)算法，進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的求解過程，并在CATIA環(huán)境下二次開發(fā)，利用關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)方法建立參數(shù)化模型。使得系統(tǒng)可以通過人機(jī)交互，根據(jù)用戶需求快速獲得優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并生成對(duì)應(yīng)參數(shù)模型，從而縮短設(shè)計(jì)周期，優(yōu)化機(jī)構(gòu)，減少設(shè)計(jì)人員的計(jì)算量，提高效率與準(zhǔn)確度，以適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品定制化與個(gè)性化需求的新形勢(shì)，同時(shí)為該類問題的研究提供一種通用的方法。

1 交互式設(shè)計(jì)系統(tǒng)技術(shù)方案

在交互式優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，首先應(yīng)確定系統(tǒng)的功能與應(yīng)用模塊，并根據(jù)知識(shí)的數(shù)據(jù)特征構(gòu)建知識(shí)庫；然后根據(jù)人機(jī)友好原則設(shè)計(jì)系統(tǒng)人機(jī)界面，從而完成整個(gè)交互式優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)交互式優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)技術(shù)方案如圖1所示。

根據(jù)滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求與功能結(jié)構(gòu)要求，建立知識(shí)庫。其中包括對(duì)各參數(shù)的定義與分類，以及各參數(shù)之間的約束關(guān)系。

依據(jù)用戶需求確定設(shè)計(jì)參數(shù)，并使用CATIA工具集進(jìn)行整機(jī)設(shè)計(jì)。整機(jī)設(shè)計(jì)包括關(guān)鍵零部件參數(shù)化設(shè)計(jì)及整機(jī)系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵零部件參數(shù)化設(shè)計(jì)即根據(jù)滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，建立目標(biāo)函數(shù)與約束，并對(duì)各結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。將得到的優(yōu)化結(jié)果和問題的理想目標(biāo)值進(jìn)行比較，把不滿意的結(jié)果提供給模型繼續(xù)求解。如此反復(fù)，直到求得設(shè)計(jì)者滿意的參數(shù)化模型，并把所得的參數(shù)化模型存入模型庫中。

整機(jī)系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)包括整機(jī)的總體布局以及動(dòng)力匹配等內(nèi)容。

圖1 滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)交互式優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)技術(shù)方案Fig.1 Technical scheme of interactive optimization design system of drum-type no-till planter mechanism

本文主要研究滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零部件參數(shù)化設(shè)計(jì)過程：采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化算法，建立參數(shù)化模型，并設(shè)計(jì)與之對(duì)應(yīng)的人機(jī)交互界面，使系統(tǒng)可在不同需求下快速生成各結(jié)構(gòu)參數(shù)，準(zhǔn)確得出最優(yōu)參數(shù)組合，并生成所需模型，以縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率與準(zhǔn)確度。

2 理論模型建立

滾筒式免耕播種機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。作業(yè)時(shí)，地輪將動(dòng)力由鏈傳動(dòng)傳遞給鴨嘴滾輪排種裝置，再通過鴨嘴滾輪排種裝置上的鴨嘴推動(dòng)滾筒，從而驅(qū)動(dòng)整個(gè)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)。秸稈被轉(zhuǎn)動(dòng)的滾筒碾壓成薄層，鴨嘴穿透這一薄層秸稈后進(jìn)行成穴并投種。

以滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)的一個(gè)播種單元為研究對(duì)象，簡(jiǎn)化實(shí)體模型，并根據(jù)其工作原理進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，得到的理論模型如圖3所示。

圖3 滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)理論模型Fig.3 Theory model of drum-type no-till planter mechanism

鴨嘴與滾筒的接觸點(diǎn)M的絕對(duì)速度va由其相對(duì)鴨嘴滾輪排種裝置中心O的牽連速度ve和相對(duì)鴨嘴助力角驅(qū)動(dòng)面的相對(duì)速度vr合成。M點(diǎn)位置隨鴨嘴滾輪排種裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)不斷變化，當(dāng)M點(diǎn)與豎直線O1O重合時(shí)，相對(duì)速度vr為零，此位置所對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)角φ為σ，即

(1)

式中α——鴨嘴助力角，rad

R0——鴨嘴滾輪排種裝置半徑，mm

H——鴨嘴高度，mm

當(dāng)鴨嘴滾輪排種裝置繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，M點(diǎn)相對(duì)速度vr方向反轉(zhuǎn)。以σ為臨界點(diǎn)，通過運(yùn)動(dòng)分析，對(duì)兩種情況進(jìn)行討論，得到鴨嘴滾輪排種裝置角速度ω0與鴨嘴助力角α一定時(shí)，滾筒角速度ω1隨驅(qū)動(dòng)角φ的變化關(guān)系為[21]:當(dāng)φ≥σ時(shí)，有

(2)

(3)

當(dāng)φ<σ時(shí)，有

(4)

(5)

式中R1——滾筒半徑

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化算法

由于滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)中涉及結(jié)構(gòu)參數(shù)眾多，為方便對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，現(xiàn)把機(jī)構(gòu)中需要優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)分為兩類，即基本結(jié)構(gòu)參數(shù)與輔助結(jié)構(gòu)參數(shù)?；窘Y(jié)構(gòu)參數(shù)約束機(jī)構(gòu)的總體尺寸，輔助結(jié)構(gòu)參數(shù)保證機(jī)構(gòu)成穴作業(yè)的完成。機(jī)構(gòu)具體的目標(biāo)函數(shù)與約束條件建立過程如下。

3.1 基本結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

本文取L、h1、Q為設(shè)計(jì)參數(shù)。其中L為株距，mm；h1為播種深度，mm；Q為還田量，kg/hm2。

還田量Q可轉(zhuǎn)化為還田高度h2，mm。一般非人為堆積玉米秸稈的密度ρ為35 kg/m3左右[22]，因此，還田高度h2可以表示為

(6)

滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)為x、R0、R1、H。其中x為鴨嘴數(shù)；R1為滾筒半徑，mm。

鴨嘴滾輪排種裝置的半徑R0為

(7)

鴨嘴滾輪排種裝置的半徑R0取值一般在180～240 mm范圍內(nèi)[23]，則鴨嘴數(shù)x的取值范圍為

(8)

鴨嘴個(gè)數(shù)在滿足約束條件的情況下不宜過多，且鴨嘴的個(gè)數(shù)x一般取偶數(shù)[24]，因此可確定最佳鴨嘴數(shù)x。根據(jù)上述已知參數(shù)，計(jì)算后對(duì)結(jié)果圓整，即可得出鴨嘴滾輪排種裝置的半徑R0。

鴨嘴高度H為

H=h1+h2+h3

(9)

式中h3——滾筒厚度，mm

滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)在作業(yè)的過程中，若滾筒半徑R1過小，則滾筒不能有效碾壓秸稈，產(chǎn)生秸稈纏繞堵塞現(xiàn)象，從而影響播種作業(yè)的進(jìn)行，不能達(dá)到預(yù)期的播種效果[21]。設(shè)R1與R0的比值為k。k值過小滾筒與鴨嘴滾輪排種裝置之間不能滿足正常的幾何運(yùn)動(dòng)關(guān)系，完成整個(gè)作業(yè)過程；同時(shí)為減輕滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)總體質(zhì)量，節(jié)約生產(chǎn)成本，在滿足約束條件的情況下，k值不宜過大。綜合考慮以上因素，初定k為2。則滾筒半徑R1為

R1=2R0

(10)

3.2 輔助結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

鴨嘴在驅(qū)動(dòng)滾筒運(yùn)動(dòng)的過程中，相對(duì)于滾筒的位置是不斷變化的，這就需要設(shè)置合理的驅(qū)動(dòng)孔尺寸，保證鴨嘴與滾輪在運(yùn)動(dòng)過程中不發(fā)生干涉；為減緩滾筒速度的變化幅度，保證機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)運(yùn)行，應(yīng)設(shè)置合理的驅(qū)動(dòng)角φ與鴨嘴助力角α。因此設(shè)定輔助參數(shù)為助力角α、驅(qū)動(dòng)角φ、開孔數(shù)n和開孔長度l，輔助參數(shù)的求解過程即尋求最佳鴨嘴助力角α與驅(qū)動(dòng)角φ，并確定其所對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)孔數(shù)n和開孔長度l。

取基本結(jié)構(gòu)參數(shù)H=90 mm，R0=200 mm，R1=400 mm，x=12，作業(yè)速度v=1 m/s，即鴨嘴滾輪排種裝置角速度ω0=5 rad/s，探究不同鴨嘴助力角α下所對(duì)應(yīng)滾筒角速度ω1隨驅(qū)動(dòng)角φ的變化規(guī)律，如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)角φ和鴨嘴助力角α對(duì)滾筒角速度的影響規(guī)律Fig.4 Influencing law of drive angle φ and duckbill power angle α on roller angular velocity

當(dāng)驅(qū)動(dòng)角為φ時(shí)，鴨嘴開始驅(qū)動(dòng)滾筒；當(dāng)φ0=φ-30°時(shí)，鴨嘴停止驅(qū)動(dòng)滾筒。其有效作用區(qū)間為鴨嘴角間距γ=30°。在圖中可以劃分出若干區(qū)間為γ的曲線段，此區(qū)間即為鴨嘴驅(qū)動(dòng)滾筒時(shí)滾筒角速度ω1的變化曲線。

對(duì)于任一鴨嘴，從其開始驅(qū)動(dòng)至離開滾筒時(shí)，鴨嘴相對(duì)于圓心O所轉(zhuǎn)過的角度θ為

(11)

鴨嘴轉(zhuǎn)過角度θ時(shí)，所用的時(shí)間T為

(12)

鴨嘴從開始驅(qū)動(dòng)，相對(duì)于圓心O轉(zhuǎn)過角度γ時(shí)，所用的時(shí)間t1為

(13)

在時(shí)間T所在的任一時(shí)間t內(nèi)，鴨嘴轉(zhuǎn)過的角度β1與滾筒轉(zhuǎn)過的角度β2為

(14)

(15)

其中

為使鴨嘴與滾筒在運(yùn)動(dòng)的過程中不發(fā)生干涉，應(yīng)滿足的條件為在時(shí)間T所在的任一時(shí)間t內(nèi)有β1≤β2。

如圖5所示，1號(hào)鴨嘴與2號(hào)鴨嘴分別處于交替驅(qū)動(dòng)的臨界位置，設(shè)2號(hào)鴨嘴所對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)角為φ1，驅(qū)動(dòng)孔角間距∠MO1M1為μ。則

(16)

圖5 驅(qū)動(dòng)孔角間距示意圖Fig.5 Diagram of angular spacing between driving holes

根據(jù)滾筒驅(qū)動(dòng)孔角間距可求得滾筒驅(qū)動(dòng)孔數(shù)n為

(17)

n不為整數(shù)時(shí)，可圓整為ns。由此便可以求得各鴨嘴助力角α所對(duì)應(yīng)的最佳驅(qū)動(dòng)角φ下，鴨嘴的開孔數(shù)n與圓整后的開孔數(shù)ns。設(shè)Δn=ns-n，為保證滾筒的精度與滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的可靠性，Δn越小越好。則Δn取最小值時(shí)所對(duì)應(yīng)的鴨嘴助力角即為最佳鴨嘴助力角，其所對(duì)應(yīng)的最佳驅(qū)動(dòng)角與開孔數(shù)為φα和nsα。則驅(qū)動(dòng)孔角間距μα為

(18)

如圖6所示，滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到此位置時(shí)，3號(hào)鴨嘴驅(qū)動(dòng)滾筒運(yùn)動(dòng)，4號(hào)鴨嘴頂點(diǎn)與滾筒圓周相交于N1，其所在驅(qū)動(dòng)孔作用點(diǎn)為N2，圓弧N1N2所對(duì)應(yīng)的弦長為最大弦長，即為滾筒所設(shè)置驅(qū)動(dòng)孔的合理弦長l。

圖6 驅(qū)動(dòng)孔弦長與鴨嘴位置關(guān)系Fig.6 Position relationship between duckbill chord length and drive hole

設(shè)∠N1O1E為δ，則

(19)

令φ=δ-pγ，且令φ≤φα，當(dāng)p取最小整數(shù)值時(shí)，記φ2=δ-pminγ。

當(dāng)鴨嘴相對(duì)于圓心O從角度δ運(yùn)動(dòng)到φ2，所用的時(shí)間t2為

(20)

鴨嘴與滾筒的接觸點(diǎn)M相對(duì)于圓心O1所轉(zhuǎn)過的角度β為

(21)

則驅(qū)動(dòng)孔最大橫弦相對(duì)于O1對(duì)應(yīng)的圓心角λ為

λ=β-pμ

(22)

滾筒上所設(shè)置的驅(qū)動(dòng)孔的弦長l為

(23)

4 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

4.1 交互信息

在滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)交互式優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，為滿足用戶需求，用戶需向系統(tǒng)中輸入設(shè)計(jì)參數(shù)，以獲得滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示，從而完成滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)。

表1 交互信息Tab.1 Interactive information

4.2 Matlab編程

根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化算法，設(shè)計(jì)程序框圖如圖7所示。根據(jù)程序流程圖編寫程序，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化過程的程序化。

圖7 滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)交互式優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序框圖Fig.7 Program block diagram of interactive optimal design system of drum-type no-till planter mechanism

滾筒角速度ω1的求解過程是所有結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化求解的基礎(chǔ)，因此需得到不同驅(qū)動(dòng)角φ下所對(duì)應(yīng)的滾筒角速度ω1。令b2為驅(qū)動(dòng)角φ，b1為相對(duì)速度vr為0時(shí)，所對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)角σ。當(dāng)鴨嘴滾輪排種裝置角速度ω0與鴨嘴助力角α一定時(shí)，不同驅(qū)動(dòng)角φ下所對(duì)應(yīng)的滾筒角速度ω1的求解過程可用偽代碼表示為：

if b2>b1 then

OA←R0+H;

y1←sin(pi-a-b);

OB←OA*sin(a)/y1;

O1B←X+OB;

y2←sin(a+b-asin(O1B*y1/R1));

BM←R1*y2/y1;

OM←sqrt(OB^2+BM^2-2*OB*BM*cos(pi-a-b));

O1MO←acos((R1^2+OM^2-X^2)/(2*R1*OM));

CMD←pi/2-O1MO;

OMB←asin(OB*sin(pi-a-b)/OM);

O1MB←O1MO+OMB;

ve←w0*OM;

vr←ve*cos(CMD)/cos(O1MB);

va←vr*sin(O1MB)+ve*sin(CMD);

O1M←R1;

w1←va/O1M;

else

OA←R0+H;

y1←sin(pi-a-b);

OB←OA*sin(a)/y1;

O1B←X+OB;

y2←sin(asin(O1B*sin(a+b)/R1)-a-b);

BM←R1*y2/sin(a+b);

OM←sqrt(OB^2+BM^2-2*OB*BM*cos(a+b));

O1MO←acos((R1^2+OM^2-X^2)/(2*R1*OM));

CMD←pi/2+O1MO;

OMB←pi-asin(OB*sin(pi-a-b)/OM);

O1MB←O1MO+OMB;

ve←w0*OM;

vr←ve*cos(CMD)/cos(O1MB);

va←ve*sin(CMD)-vr*sin(O1MB);

O1M←R1;

w1←va/O1M;

end if

以上述程序代碼為基礎(chǔ)，根據(jù)約束條件，依據(jù)線性搜索法編寫程序，即可得到滿意的目標(biāo)值。

4.3 交互界面

通過Matlab的圖形用戶界面，根據(jù)用戶所提供的原始參數(shù)，直接在界面中獲得優(yōu)化后滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)的各結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而設(shè)計(jì)出具有人機(jī)交互、界面友好特性的用戶界面。

Matlab圖形用戶界面是Matlab用戶圖形接口，其用戶界面的設(shè)計(jì)方法有兩種：使用可視化的圖形界面開發(fā)環(huán)境和直接編寫程序[25-26]。圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境提供了更加方便快捷地設(shè)計(jì)圖形用戶界面的工具。

進(jìn)行人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)啟動(dòng)GUI設(shè)計(jì)窗口，選擇Blank GUI模板。在窗體中添加面板、靜態(tài)文本、編輯框和按鈕并修改屬性，設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面如圖8所示。其中，播種深度作為行業(yè)知識(shí)已在界面中設(shè)為默認(rèn)值，不可輕易修改，若要修改需在更高的管理模式下進(jìn)行。

圖8 人機(jī)交互界面Fig.8 Human-computer interaction interface

4.4 系統(tǒng)測(cè)試

以東北地區(qū)玉米-大豆免耕輪作播種模式為例，對(duì)交互式優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。玉米和大豆的播種深度一般以30～50 mm為宜，密植玉米的播種株距在190 mm左右，大豆的播種株距為70～120 mm[27-28]。玉米產(chǎn)量在7 500～9 000 kg/hm2之間，其作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)平均為0.35，則每公頃所產(chǎn)玉米秸稈量為15 000 kg左右；大豆產(chǎn)量在3 000 kg/hm2左右，其作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)平均為0.18，計(jì)算可得所產(chǎn)大豆秸稈為13 500 kg左右[29]。

給定播種深度為50 mm，設(shè)定還田量分別為50%、70%、100%，并對(duì)應(yīng)改變株距，對(duì)交互式優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)做多組測(cè)試，所得結(jié)果如表2所示，平均每組測(cè)試程序運(yùn)行時(shí)間為300 s左右。

對(duì)比手工計(jì)算，需設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)確定基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，依此建立數(shù)學(xué)模型，得到驅(qū)動(dòng)角與滾筒角速度之間的函數(shù)圖形；通過函數(shù)圖形，結(jié)合CATIA運(yùn)動(dòng)仿真模塊進(jìn)行干涉分析，確定輔助結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而完成滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程。在表2中抽取第1、3、5、7組數(shù)據(jù)進(jìn)行手工驗(yàn)證，圓整后的計(jì)算結(jié)果與系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果相比無過大偏差。但計(jì)算過程方面，即使對(duì)于熟悉該機(jī)構(gòu)且熟練掌握計(jì)算流程的設(shè)計(jì)者，獲得一組數(shù)據(jù)平均需要2～3 h；對(duì)于一般技術(shù)人員則需要長達(dá)1～2 d，且無法避免人員素質(zhì)及差別所導(dǎo)致的問題與偏差。

由測(cè)試結(jié)果可知，交互式設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以根據(jù)不同作物的播種需求快速做出響應(yīng)，得出最優(yōu)參數(shù)組合，最大限度縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，適應(yīng)定制化研發(fā)。解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中由于參數(shù)的改變，重復(fù)進(jìn)行優(yōu)化過程，使計(jì)算量增大等問題，從而減輕了設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

5 關(guān)聯(lián)模型建立及驅(qū)動(dòng)

5.1 關(guān)聯(lián)模型建立

為減輕設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高設(shè)計(jì)效率，利用關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)方法建立參數(shù)化模型，使得優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)可直接驅(qū)動(dòng)模型改參，獲得所需模型。

關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)主題思想是將設(shè)計(jì)特征與設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)輸入關(guān)聯(lián)起來，通過關(guān)聯(lián)和發(fā)布機(jī)制實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。它大大減輕了設(shè)計(jì)者的負(fù)擔(dān)，激活了設(shè)計(jì)者的主動(dòng)創(chuàng)新思想[30-31]。滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)播種單元參數(shù)化模型如圖9所示，其具體設(shè)計(jì)過程如下：

表2 滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)交互式優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)測(cè)試與手工計(jì)算結(jié)果Tab.2 Test and manual calculation results of interactive optimal design system of drum-type no-till planter mechanism

圖9 滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)播種單元參數(shù)化模型Fig.9 Parameterized model of seeding unit of drum-type no-till planter mechanism

在CATIA中建立完整的結(jié)構(gòu)樹，并建立詳細(xì)的骨架模型。在一個(gè)新的裝配中新建一個(gè)名稱為骨架的Part，骨架應(yīng)當(dāng)是該裝配的第一個(gè)零件；使用Fix裝配約束，在該裝配中固定骨架模型；創(chuàng)建用來定義整個(gè)裝配的幾何參考特征和用戶參數(shù)，根據(jù)各子裝配與各零件之間的相對(duì)位置關(guān)系，建立基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)線、基準(zhǔn)面，并根據(jù)滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理圖繪制草圖，作為整個(gè)機(jī)構(gòu)的基本骨架；發(fā)布骨架中定義的幾何信息和用戶參數(shù)，以更好地控制所創(chuàng)建的外部參考特征。

在一個(gè)產(chǎn)品模型中，除主骨架之外還存在多個(gè)子骨架，如排種機(jī)構(gòu)骨架。子骨架中的信息來自于主骨架并添加了新的相對(duì)于子裝配的驅(qū)動(dòng)信息，使關(guān)聯(lián)信息可以更好地自上而下傳遞。

通過關(guān)聯(lián)copy/paste將相應(yīng)的骨架中的信息傳遞到相應(yīng)的部件中。在相應(yīng)的部件中進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過骨架建立相應(yīng)空間位置約束，從而完成整個(gè)參數(shù)化模型的設(shè)計(jì)。

5.2 關(guān)聯(lián)模型驅(qū)動(dòng)

使用VB.NET對(duì)CATIA進(jìn)行二次開發(fā)。通過人機(jī)交互界面輔助完成滾筒式播種機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并可直接在界面中修改參數(shù)值驅(qū)動(dòng)模型改參。設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面如圖10所示。

從表2中選擇4組參數(shù)，其輸入?yún)?shù)依次為：(大豆)株距80 mm,還田量7 500 kg/hm2；(大豆)株距120 mm，還田量15 000 kg/hm2；(玉米)株距180 mm，還田6 750 kg/hm2；(玉米)株距200 mm，還田量13 500 kg/hm2。通過向人機(jī)交互界面中依次輸入與4組輸入?yún)?shù)所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，驅(qū)動(dòng)參數(shù)化模型改變參數(shù)。虛擬驅(qū)動(dòng)后結(jié)構(gòu)如表3所示。

圖10 模型參數(shù)化界面Fig.10 Model parameterization interface

6 實(shí)例分析

限于篇幅、成本和周期，本文選擇表2中的3組數(shù)據(jù)，加工試驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)交互式優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)例分析和驗(yàn)證[32-33]。

6.1 試驗(yàn)條件

2018年9月，在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行了滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)樣機(jī)功能試驗(yàn)，如圖11所示。場(chǎng)地模擬免耕作業(yè)條件，由模擬機(jī)器收獲粉碎的陳年玉米秸稈覆蓋。試驗(yàn)地土壤為黑土，土壤含水率為17.3%，土壤堅(jiān)實(shí)度為3.0×105Pa。

圖11 滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)樣機(jī)功能試驗(yàn)Fig.11 Function test of drum-type no-till planter mechanism

6.2 試驗(yàn)方法

以東北地區(qū)玉米-大豆免耕輪作播種模式為例，按玉米秸稈還田量100%、70%、50%，株距100 mm、播種深度50 mm的播種需求，根據(jù)表2中所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)加工滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)試驗(yàn)樣機(jī)。按照滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)預(yù)期實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)功能，參照GB/T 20865—2007《免耕施肥播種機(jī)》和GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》進(jìn)行樣機(jī)功能試驗(yàn)，選用拖拉機(jī)配套動(dòng)力為35 kW，作業(yè)速度取1.0、1.5 m/s。每組試驗(yàn)完成后，觀測(cè)成穴效果并分別測(cè)量其播種深度和株距，如圖12所示。

圖12 成穴效果及測(cè)量方法Fig.12 Cavitation effect and measuring method

6.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過程中，滾筒與鴨嘴工作時(shí)無干涉，滾筒可以對(duì)秸稈進(jìn)行有效碾壓，且通過性良好，對(duì)鴨嘴無過大沖擊影響。

試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。3組試驗(yàn)中播種深度和株距均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，可達(dá)到播種要求，且播種深度及株距均勻穩(wěn)定，成穴效果良好。

播種深度及株距合格率在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)略有下降。一方面試驗(yàn)田地形起伏及秸稈量分布不均勻均可造成合格率下降。另一方面作業(yè)速度由1 m/s變?yōu)?.5 m/s時(shí)，播種深度減小，株距增大，造成整體播種合格率下降，究其原因是作業(yè)速度增加致使鴨嘴未充分扎入土壤即脫離成穴區(qū)域前進(jìn)，且滾筒滑移量相對(duì)增加。

試驗(yàn)證明了滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)交互式優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性和有效性。

表4 試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.4 Test statistical results

7 結(jié)論

(1)滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)中涉及參數(shù)眾多，為方便優(yōu)化設(shè)計(jì)，把機(jī)構(gòu)中需要優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)分為基本結(jié)構(gòu)參數(shù)與輔助結(jié)構(gòu)參數(shù)。基本結(jié)構(gòu)參數(shù)約束了機(jī)構(gòu)的總體尺寸，輔助結(jié)構(gòu)參數(shù)保證機(jī)構(gòu)成穴作業(yè)的完成。

(2)以滾筒角速度ω1的求解過程為基礎(chǔ)，并將輔助結(jié)構(gòu)參數(shù)的求解過程轉(zhuǎn)化為角度與時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系，使問題的求解過程得以簡(jiǎn)化。

(3)利用Matlab語言可獲得鴨嘴與滾筒在任意時(shí)間段內(nèi)所轉(zhuǎn)過的角度β1與β2，并根據(jù)線性搜索法，檢測(cè)鴨嘴與滾筒在運(yùn)動(dòng)過程中是否發(fā)生干涉。使得結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化算法能夠基于Matlab語言得以程序化。

(4)利用關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)方法，根據(jù)滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理圖繪制草圖，作為整個(gè)機(jī)構(gòu)的基本骨架。通過關(guān)聯(lián)和發(fā)布機(jī)制，并結(jié)合人機(jī)交互界面，可快速獲得改變參數(shù)后的模型，大大減輕設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，提高滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)效率。

(5)按玉米秸稈還田量100%、70%、50%，株距100 mm、播種深度50 mm的播種需求，參照系統(tǒng)所得結(jié)構(gòu)參數(shù)加工滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)試驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行樣機(jī)功能試驗(yàn)。穴深和穴距均達(dá)到播種要求，且成穴效果良好，證明了滾筒式免耕播種機(jī)構(gòu)交互式優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性和有效性。