基于知識元描述的模型參數(shù)化設(shè)計(jì)交互式創(chuàng)建系統(tǒng)研究

王鳳花 劉志迎 賴慶輝 熊海輝 陳可凡 魯超宇

(昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 昆明 650500)

0 引言

農(nóng)機(jī)裝備是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)高效化、實(shí)現(xiàn)資源的有效利用、推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)性的重要工具[1-3]，隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)裝備更新?lián)Q代周期縮短，在實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)品的設(shè)計(jì)以適應(yīng)性設(shè)計(jì)和變型設(shè)計(jì)為主[4-5]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，制造業(yè)中約有75%的產(chǎn)品設(shè)計(jì)采用修改已有產(chǎn)品來解決設(shè)計(jì)問題[6]。因此，有效地利用企業(yè)已經(jīng)存在的成熟設(shè)計(jì)模型，將分散、異構(gòu)的設(shè)計(jì)知識和實(shí)例模型進(jìn)行組織和融合到動(dòng)態(tài)的設(shè)計(jì)上，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和知識重用水平，已成為產(chǎn)品開發(fā)過程的一個(gè)迫切需求。

近年來參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用[7-10]，目前大多是根據(jù)實(shí)例的設(shè)計(jì)理論、行業(yè)規(guī)則和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等相關(guān)知識建立用戶輸入?yún)?shù)和模型實(shí)例驅(qū)動(dòng)關(guān)系[11-14]。李長林等[15]基于參數(shù)化設(shè)計(jì)思想，研究了插秧機(jī)底盤設(shè)計(jì)系統(tǒng)；劉宏新等[16]研究了基于骨架設(shè)計(jì)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，將模型、參數(shù)、知識信息等資源與平臺結(jié)合，完成了脫粒裝置交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)；張延安等[17]將知識庫、推理機(jī)和參數(shù)化模型相結(jié)合，提出了一種基于知識的拖拉機(jī)變速箱箱體快速設(shè)計(jì)方法；YOON 等[18]使用計(jì)算流體力學(xué)與試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法研究了一種可用于農(nóng)作物保護(hù)的無人機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)。以上的研究是將模型的參數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)則和系統(tǒng)構(gòu)建建立直接聯(lián)系，其設(shè)計(jì)過程依托于專業(yè)人員對系統(tǒng)的搭建，對設(shè)計(jì)技術(shù)具有專業(yè)依賴性。運(yùn)用模型參數(shù)標(biāo)記的方法提取設(shè)計(jì)參數(shù)，基于知識元描述的方法對模型參數(shù)知識進(jìn)行表達(dá)，可提高知識管理和重用的程度，降低參數(shù)化設(shè)計(jì)的門檻，提高設(shè)計(jì)效率。畢經(jīng)元等[19]利用知識鏈接的方法搭建了以汽車零部件為知識背景的知識管理系統(tǒng)；李海生等[20]提出基于設(shè)計(jì)過程知識元的模具設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了沖壓模具設(shè)計(jì)的智能化；LI等[21]利用知識元理論構(gòu)建了Green development system模型的理論框架。

本文構(gòu)建一套基于知識元描述的模型參數(shù)化設(shè)計(jì)交互系統(tǒng)，即使用基于知識元對模型設(shè)計(jì)知識進(jìn)行獲取和表示，利用SolidWorks的二次開發(fā)技術(shù)，以模型的參數(shù)標(biāo)記、提取為基礎(chǔ)，建立模型參數(shù)關(guān)聯(lián)與修改的可視化操作，使用VB.NET語言和MySQL數(shù)據(jù)庫管理進(jìn)行系統(tǒng)集成，通過人機(jī)交互式的參數(shù)填充過程完成實(shí)例的參數(shù)化構(gòu)建，以保證系統(tǒng)的獨(dú)立性，弱化專業(yè)背景知識的限制，有效提高產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性與專業(yè)性，以谷物收獲機(jī)械的切割裝置為研究對象，采用知識元描述的方法對切割裝置的設(shè)計(jì)知識進(jìn)行定量、定性的知識表達(dá)，構(gòu)建切割裝置的設(shè)計(jì)重用實(shí)例庫，為農(nóng)業(yè)裝備的設(shè)計(jì)重用技術(shù)提供一種方案的借鑒。

1 系統(tǒng)總體方案

為降低農(nóng)機(jī)模型參數(shù)化設(shè)計(jì)過程的專業(yè)素質(zhì)要求，實(shí)現(xiàn)高效率和高質(zhì)量的設(shè)計(jì)水平，本文通過構(gòu)建具有通用性的參數(shù)化設(shè)計(jì)的交互式創(chuàng)建系統(tǒng)，將模型參數(shù)信息的提取、設(shè)計(jì)知識的填充、參數(shù)化模型的調(diào)用、生成等數(shù)據(jù)化資源封裝設(shè)計(jì)，以人機(jī)交互的方式完成模型實(shí)例的參數(shù)化設(shè)計(jì)過程，自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)具備專業(yè)知識的模型參數(shù)化過程。系統(tǒng)的總體方案如圖1所示。

1.1 知識獲取與整理

知識獲取和整理是完成實(shí)例參數(shù)化的前提，主要任務(wù)是將模型設(shè)計(jì)知識和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析、關(guān)聯(lián)，完成模型關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)參數(shù)的知識整理[22]。農(nóng)機(jī)模型的設(shè)計(jì)知識主要來源于文獻(xiàn)專利、專家知識、設(shè)計(jì)手冊和國家標(biāo)準(zhǔn)等，通過檢索和咨詢的方式對添加的模型實(shí)例相關(guān)知識進(jìn)行整理、歸納，根據(jù)知識之間的差異將知識分為選型規(guī)則、設(shè)計(jì)規(guī)則和計(jì)算規(guī)則。

1.2 參數(shù)化模型構(gòu)建

參數(shù)化模型是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)重用的基礎(chǔ)，通過 Visual Studio平臺對 SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)，讀取模型實(shí)例的特征信息和標(biāo)記參數(shù)信息，并結(jié)合整理的模型知識以人機(jī)交互的方式分別完成用戶輸入?yún)?shù)、驅(qū)動(dòng)參數(shù)、設(shè)計(jì)規(guī)則及求解參數(shù)的填充，輸入完成后，系統(tǒng)將模型參數(shù)信息和輸入信息整理融合形成知識元信息，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為可以被系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)修改的模型實(shí)例，儲存在參數(shù)化實(shí)例庫。

1.3 參數(shù)化實(shí)例庫

參數(shù)化實(shí)例庫的功能是將模型實(shí)例設(shè)計(jì)知識轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的參數(shù)概念集，根據(jù)用戶對模型的選擇，從數(shù)據(jù)庫匹配符合要求的參數(shù)化實(shí)例，構(gòu)建模型的參數(shù)設(shè)計(jì)文檔，建立模型設(shè)計(jì)重用的人機(jī)交互界面，從而滿足設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中對實(shí)例的修改和完善，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)與產(chǎn)品數(shù)據(jù)資源的關(guān)聯(lián)，解決復(fù)雜產(chǎn)品參數(shù)散亂、關(guān)聯(lián)性差和設(shè)計(jì)知識重用性低的問題。

1.4 實(shí)例調(diào)用與修改

根據(jù)用戶設(shè)計(jì)需求，選擇重用模型，并打開該模型的UI設(shè)計(jì)界面，根據(jù)系統(tǒng)推送的相應(yīng)參數(shù)的知識元信息，輸入設(shè)計(jì)參數(shù)的值，系統(tǒng)從參數(shù)化實(shí)例庫中調(diào)用該實(shí)例，通過輸入值與設(shè)計(jì)規(guī)則建立聯(lián)系，求解參數(shù)，調(diào)用封裝化的模型驅(qū)動(dòng)函數(shù)，完成驅(qū)動(dòng)變型，實(shí)現(xiàn)實(shí)例的重構(gòu)和裝配，最終輸出到設(shè)置導(dǎo)出的儲存位置，并將本次設(shè)計(jì)信息保存到實(shí)例信息庫。

2 參數(shù)化建模方法

參數(shù)化實(shí)例庫由實(shí)例信息庫、實(shí)例模型庫、知識元數(shù)據(jù)庫組成，其中實(shí)例信息庫用于儲存實(shí)例的特征、功能、結(jié)構(gòu)等信息，即通過系統(tǒng)對模型的數(shù)據(jù)集讀取后轉(zhuǎn)換為知識信息存儲于MySQL數(shù)據(jù)庫中。實(shí)例模型庫存儲了通過系統(tǒng)進(jìn)行操作處理后轉(zhuǎn)換為可以被系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的三維模型，用于實(shí)例模型的調(diào)用和修改。知識元數(shù)據(jù)庫儲存了模型的參數(shù)設(shè)計(jì)知識，是由系統(tǒng)通過人機(jī)交互的方式進(jìn)行建立，用于完成模型驅(qū)動(dòng)參數(shù)的關(guān)聯(lián)與求解。

2.1 實(shí)例信息庫構(gòu)建

通過系統(tǒng)對實(shí)例知識的抽取和整理，將實(shí)例的領(lǐng)域知識以可視化的表達(dá)形式展現(xiàn)在系統(tǒng)中，這種組織結(jié)構(gòu)一方面可以讓用戶準(zhǔn)確定位知識，找到所需求的模型設(shè)計(jì)要求，另一方面便于后續(xù)模型信息的管理維護(hù)。

本文使用五元組來定義實(shí)例的特征信息，即

CK={PID,BI,CKA,KC,UK}

(1)

其中：PID為實(shí)例唯一標(biāo)識；BI表示實(shí)例的基本信息，如實(shí)例的創(chuàng)建時(shí)間、創(chuàng)建者、格式信息、案例所屬知識庫等；CKA表示實(shí)例特征信息，是系統(tǒng)通過實(shí)例數(shù)據(jù)集讀取到的結(jié)構(gòu)信息，如實(shí)例材料、密度、體積等；KC表示實(shí)例的視圖信息；UK表示實(shí)例設(shè)計(jì)信息，包括實(shí)例結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)信息、功能描述信息、用戶設(shè)計(jì)該實(shí)例時(shí)需要輸入的參數(shù)信息、該產(chǎn)品的求解參數(shù)信息以及該實(shí)例衍生出來的案例。

系統(tǒng)將實(shí)例的知識信息進(jìn)行整理融合，如圖2所示，以人機(jī)交互的形式顯示，便于用戶查找使用。

2.2 實(shí)例模型庫構(gòu)建

實(shí)例模型庫的構(gòu)建流程包括配置開發(fā)環(huán)境、設(shè)置實(shí)例庫路徑、模型預(yù)處理、參數(shù)信息讀取、參數(shù)分析與填充、生成實(shí)例驅(qū)動(dòng)程序等，如圖3所示。

2.2.1模型預(yù)處理

為了完成系統(tǒng)對用戶設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行讀取，保證模型實(shí)例在驅(qū)動(dòng)過程中的穩(wěn)健性，需對入庫的模型實(shí)例作預(yù)處理操作，即參數(shù)標(biāo)記處理和裝配基準(zhǔn)的調(diào)整。

(1)參數(shù)標(biāo)記

參數(shù)標(biāo)記方法是將默認(rèn)參數(shù)名稱更改為系統(tǒng)能夠讀取到的名稱格式，如圖4所示， V是系統(tǒng)識別參數(shù)的標(biāo)識符，用戶可以使用系統(tǒng)默認(rèn)定義“Var_”的格式，也可以進(jìn)行自定義設(shè)置，A則是用戶對參數(shù)標(biāo)記時(shí)定義的名稱，為便于參數(shù)特性的識別，可以使用包含參數(shù)含義的命名方法，T是由系統(tǒng)進(jìn)行定義，其含義是參數(shù)所屬特征名稱。

操作方式如圖5所示，選擇模型特征樹下的參數(shù)特征，雙擊參數(shù)數(shù)值，在跳出的窗體中將原參數(shù)名稱更改為用戶定義的形式。

(2)裝配基準(zhǔn)調(diào)整

為了解決由裝配關(guān)系約束不當(dāng)引起實(shí)例參數(shù)化驅(qū)動(dòng)過程出現(xiàn)干涉現(xiàn)象的問題，需要將實(shí)例所使用的配合基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整方法是在模型實(shí)例裝配關(guān)系多變的情況下，考慮裝配關(guān)系和使用的參照基準(zhǔn)是否隨模型的變更一直有效，如無法一直有效，采用以基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)線等參考體替代實(shí)體的點(diǎn)、線、面等作為基準(zhǔn)。

2.2.2標(biāo)記參數(shù)提取

參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)際是一個(gè)參數(shù)分類、關(guān)聯(lián)和求解的過程，為便于用戶對參數(shù)的操作，利用編程語言和SolidWorks二次開發(fā)環(huán)境對實(shí)例數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，提取實(shí)例的特征信息及標(biāo)記參數(shù)信息，圖6為讀取實(shí)例標(biāo)記參數(shù)信息的流程。

系統(tǒng)通過驅(qū)動(dòng)SolidWorks打開預(yù)處理模型，判定模型文件的分類，根據(jù)模型格式為.sldasm和.sldprt 選擇不同的遍歷函數(shù)。

其部分代碼如下

∥打開模型

SwMode=swApp.OpenDoc6

∥讀取模型的特征樹下的第一個(gè)特征信息

thisDisplayDim=feature.GetFirstDisplayDimension

∥遍歷邊界數(shù)據(jù)

For i = 0 To UBound(vChildComp)

While Not swFeat Is Nothing

While Not thisDisplayDim Is Nothing

∥判斷是否是標(biāo)記參數(shù)信息

dimen=thisDisplayDim.GetDimension()

If Contains(ValStr) = True Then

∥讀取當(dāng)前標(biāo)記參數(shù)信息

thisDisplayDim=feature.GetNextDisplayDimension(thisDisplayDim)

∥退出當(dāng)前特征循環(huán)

End While

∥遍歷下一個(gè)特征信息

swFeat=swFeat.GetNextFeature

End While

Next i

注：SwMode：模型對象，UBound：模型中組成特征的數(shù)據(jù)數(shù)量

系統(tǒng)通過遍歷實(shí)例的特征及組成特征的草圖，包括線段、角度、曲線方程等信息獲取標(biāo)記參數(shù)集，將參數(shù)信息儲存到數(shù)據(jù)中，讀取模型信息所使用的部分函數(shù)如表1所示。

表1 參數(shù)信息讀取應(yīng)用函數(shù)類別Tab.1 Parameter information read by application function category

將提取到的參數(shù)在系統(tǒng)中清晰、完整地表達(dá)，是實(shí)現(xiàn)參數(shù)知識元構(gòu)建的重要步驟，系統(tǒng)將讀取的實(shí)例數(shù)據(jù)集進(jìn)行統(tǒng)一方式的表達(dá)，形成結(jié)構(gòu)化的參數(shù)矩陣，使用R表示當(dāng)前實(shí)例的參數(shù)信息集合，記為

(2)

式中Mn——模型中的子裝配體名稱

Kn——子裝配體模型基本信息，包括質(zhì)量、材料等

On——模型中參數(shù)標(biāo)識名稱

Fn——參數(shù)所屬特征

Tn——參數(shù)所屬類別

Dn——當(dāng)前參數(shù)數(shù)值

m——參數(shù)屬性數(shù)目，m∈N

n——模型中子裝配體數(shù)目，n∈N

利用參數(shù)的信息矩陣，建立人機(jī)交互式的操作界面，便于用戶對參數(shù)定性和定量的信息表達(dá)，解決設(shè)計(jì)過程中參數(shù)復(fù)雜、冗余的問題。

2.2.3參數(shù)類別劃分

為了便于實(shí)例添加過程中對參數(shù)知識進(jìn)行組織、分類，需要對用戶標(biāo)記參數(shù)進(jìn)行特征標(biāo)識，本文將設(shè)計(jì)過程中的所涉及參數(shù)劃分為用戶輸入?yún)?shù)、驅(qū)動(dòng)參數(shù)、規(guī)則參數(shù)和求解參數(shù)。

(1)用戶輸入?yún)?shù)：決定模型功能、結(jié)構(gòu)的參數(shù)，在添加中提供并設(shè)置其變量名稱，也是用戶快速設(shè)計(jì)時(shí)需要填充的參數(shù)，在系統(tǒng)中，用戶輸入?yún)?shù)定義為全局變量，例如：作業(yè)幅寬、作物類型等。

(2)驅(qū)動(dòng)參數(shù)：能夠反映模型變化程度的參數(shù)集合，與用戶輸入?yún)?shù)直接建立聯(lián)系，根據(jù)系統(tǒng)求解的具體數(shù)值驅(qū)動(dòng)模型生成，由不同的關(guān)聯(lián)優(yōu)先級別決定驅(qū)動(dòng)順序。

(3)規(guī)則參數(shù)：定義規(guī)則選擇的變量參數(shù)，在對模型設(shè)計(jì)規(guī)則表達(dá)上，可能出現(xiàn)因輸入?yún)?shù)的取值不同，導(dǎo)致某一關(guān)聯(lián)參數(shù)的取值不同，為了解決這一問題，設(shè)置了規(guī)則參數(shù)，用于儲存規(guī)則表達(dá)過程中的變量參數(shù)數(shù)據(jù)。

(4)求解參數(shù)：通過對用戶輸入?yún)?shù)和模型的設(shè)計(jì)知識建立聯(lián)系，根據(jù)用戶輸入的值求解模型的功能、結(jié)構(gòu)、行為信息。

2.2.4參數(shù)分析

對于復(fù)雜農(nóng)機(jī)模型實(shí)例，參數(shù)之間關(guān)聯(lián)復(fù)雜，如果僅使用單層的參數(shù)關(guān)系描述會造成實(shí)例參數(shù)表過長，不利于參數(shù)之間的規(guī)則表達(dá)，且對于系統(tǒng)來說，在無法判定參數(shù)驅(qū)動(dòng)順序的情況下，參數(shù)關(guān)聯(lián)計(jì)算時(shí)會出現(xiàn)錯(cuò)誤的現(xiàn)象，無法保證模型在參數(shù)驅(qū)動(dòng)過程中的穩(wěn)健性。

針對這一問題，本文采用遞階驅(qū)動(dòng)參數(shù)的方法，在實(shí)例參數(shù)分析階段，對參數(shù)進(jìn)行層次劃分[23]，如圖7所示，把一個(gè)復(fù)雜的實(shí)例處理為多個(gè)簡單的單層模型，按照參數(shù)層次劃分順序建立參數(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系，系統(tǒng)通過讀取層次等級判定參數(shù)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)先順序，從1到n依次取整數(shù)數(shù)值，參數(shù)等級為1表明該參數(shù)的優(yōu)先級別最高，根據(jù)n取值的遞增依次降低參數(shù)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)先級。

2.2.5驅(qū)動(dòng)模型參數(shù)變更

通過訪問存儲在數(shù)據(jù)庫參數(shù)知識元信息，如圖8所示，遍歷循環(huán)參數(shù)等級、參數(shù)序號，根據(jù)參數(shù)的定義函數(shù)求解驅(qū)動(dòng)數(shù)值，定義驅(qū)動(dòng)數(shù)組，完成模型的驅(qū)動(dòng)更新，模型驅(qū)動(dòng)參數(shù)修改的部分代碼為：

myDimension=swModel.Parameter(ParName(i))

myDimension.SystemValue=ParValue(i)/1 000

其中ParName(i)為第i個(gè)驅(qū)動(dòng)參數(shù)命名，ParValue(i)為第i個(gè)驅(qū)動(dòng)參數(shù)的數(shù)值。

2.3 知識元數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

知識元數(shù)據(jù)庫由設(shè)計(jì)規(guī)則和參數(shù)知識元信息構(gòu)成，將實(shí)例參數(shù)設(shè)計(jì)過程轉(zhuǎn)換為知識元的表達(dá)，采用參數(shù)類型分類的方法，從頂層參數(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)模式，逐步展開，形成參數(shù)驅(qū)動(dòng)的層次分類，將設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)體添加到相應(yīng)層次中。

2.3.1設(shè)計(jì)規(guī)則表達(dá)

農(nóng)機(jī)模型在設(shè)計(jì)領(lǐng)域存在著大量的設(shè)計(jì)規(guī)則，這些規(guī)則大多以邏輯判斷或者是計(jì)算公式的方式存在。本文采用產(chǎn)生式規(guī)則和設(shè)計(jì)知識的公式表達(dá)方法進(jìn)行實(shí)例在參數(shù)化設(shè)計(jì)過程中的規(guī)則設(shè)置，產(chǎn)生式表示法的模型一般是：“If條件then結(jié)論”，由參數(shù)名、參數(shù)規(guī)則及參數(shù)結(jié)論3部分組成，表示了在A的情況下B出現(xiàn)的結(jié)果[24]。參數(shù)的規(guī)則設(shè)計(jì)主要包括對尺寸的計(jì)算、裝配方案的選擇、模型組件的替換規(guī)則。

利用SolidWorks的二次開發(fā)函數(shù)，將設(shè)計(jì)規(guī)則的表達(dá)進(jìn)行封裝化設(shè)計(jì)，裝配關(guān)系的選擇使用SolidWorks中的特征壓縮EditSuppress2和解壓EditUnsuppress2函數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則選擇不同類型的裝配方案。模型替換方案使用PacKandGo函數(shù)，將具有相同裝配信息的零部件進(jìn)行打包替換操作。部分設(shè)計(jì)規(guī)則表示如表2所示。

表2 實(shí)例設(shè)計(jì)部分選擇規(guī)則Tab.2 Selection rules of example design section

2.3.2參數(shù)知識元表達(dá)

參數(shù)作為模型參數(shù)化設(shè)計(jì)中知識傳遞的載體，對其進(jìn)行準(zhǔn)確且易于理解的表示是設(shè)計(jì)過程的關(guān)鍵，利用參數(shù)設(shè)計(jì)中蘊(yùn)涵的關(guān)鍵概念、屬性、結(jié)構(gòu)、功能等信息作為參數(shù)驅(qū)動(dòng)的依據(jù)，建立參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)信息。為便于對參數(shù)信息的使用、管理，本文將知識元的概念引入到參數(shù)信息的描述上。

參數(shù)知識元信息可以表達(dá)為一個(gè)六元組

KU={ID,PBI,PT,PF,PI,PK}

(3)

式中：ID表示參數(shù)所屬實(shí)例的唯一標(biāo)識；PBI表示參數(shù)的基本屬性集合，包括參數(shù)標(biāo)記名稱、變量定義名稱、參數(shù)所屬類別等，信息屬性來源于系統(tǒng)提取的參數(shù)信息矩陣；PT表示參數(shù)的類型，根據(jù)模型知識整理過程中對參數(shù)類型的劃分，系統(tǒng)完成模型參數(shù)集合的整理與分類；PF表示經(jīng)驗(yàn)、規(guī)則和公理的集合，定義參數(shù)屬性的約束范圍和設(shè)計(jì)規(guī)則；PI表示參數(shù)驅(qū)動(dòng)優(yōu)先級別；PK表示參數(shù)設(shè)計(jì)知識的解釋，通過對該參數(shù)的設(shè)計(jì)知識描述，引導(dǎo)用戶完成參數(shù)的填充。

本文定義的知識元之間的邏輯關(guān)系主要有如下的關(guān)系集：①上下游關(guān)系，兩個(gè)及以上知識元之間具有順序關(guān)系，它們之間的讀取順序由參數(shù)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)先級別進(jìn)行判定。②共同作用關(guān)系，兩個(gè)及以上知識元需要共同作用才能做出決策，其主要用于參數(shù)的數(shù)值計(jì)算，系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)的計(jì)算函數(shù)判定共同作用的知識元數(shù)據(jù)來源。③互斥關(guān)系，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則的不同，兩個(gè)及以上知識元應(yīng)用場景不同，只能選擇其中之一。圖9給出了建立參數(shù)知識元關(guān)系的部分模型。

3 實(shí)例分析與參數(shù)建模過程

3.1 實(shí)例分析

切割裝置是稻麥?zhǔn)斋@機(jī)械主要組成部件，根據(jù)切割的方式分為往復(fù)式和圓盤式兩種，目前使用較多的是往復(fù)式切割，它是由偏心軸式曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，利用動(dòng)刀片與護(hù)刃器上的定刀片進(jìn)行往復(fù)的剪切運(yùn)動(dòng)，割斷作物。切割裝置的設(shè)計(jì)過程重要工作是對國標(biāo)件的選型和裝配關(guān)系的確定，其工作性能受到許多因素影響，如機(jī)器前進(jìn)速度、切割幅寬、作物類型、切割器類型等，用戶在設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)不同的需求完成正確的選擇和結(jié)構(gòu)尺寸的確定，是切割裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[25-26]。以往復(fù)式切割為設(shè)計(jì)實(shí)例完成系統(tǒng)的操作，實(shí)例的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖10所示。

不同標(biāo)準(zhǔn)的切割器作用于不同的工作環(huán)境下，Ⅰ型切割器主要適用于割草機(jī)、Ⅱ～Ⅳ型切割器適用于谷物收獲機(jī)、Ⅴ型適用于小型收獲機(jī)械、Ⅵ型用于半喂入式聯(lián)合收獲機(jī)，Ⅶ型適用于谷物收獲機(jī)械，通過切割器的各項(xiàng)參數(shù)和選擇分析進(jìn)行關(guān)聯(lián)對應(yīng)，如圖11所示，完成設(shè)計(jì)參數(shù)的分析過程。

3.2 實(shí)例參數(shù)求解

3.2.1割刀進(jìn)距

割刀進(jìn)距是切割器的重要工作參數(shù)，它是動(dòng)刀片左側(cè)運(yùn)動(dòng)極限和右側(cè)運(yùn)動(dòng)極限之間的機(jī)器前進(jìn)的距離，為了不造成漏割的情況，進(jìn)距H1計(jì)算式為

(4)

式中σ——?jiǎng)拥镀锌趦A角

r——?jiǎng)拥镀话雽挾龋琺m

h——?jiǎng)拥镀锌诘母叨?，mm

在求解割刀進(jìn)距時(shí)，對于小麥?zhǔn)崭顧C(jī)械H1應(yīng)為70～120 mm，水稻收割機(jī)械取值為50～55 mm。

3.2.2動(dòng)刀片刃口的剪切負(fù)荷

動(dòng)刀片的刃口剪切負(fù)荷是切割器設(shè)計(jì)和刀片磨損研究的重要參數(shù)，在其他條件相同的情況下，刃口的負(fù)荷越大，動(dòng)刀片的耐磨性就越差。采用單位長為1 cm的動(dòng)刀片刃口所剪切作物的生長面積f的計(jì)算公式為

(5)

式中t0——切割器的護(hù)指間距，m

α——?jiǎng)拥镀锌趦A角，(°)

為滿足切割器設(shè)計(jì)要求，一般f為6～10 cm2。

3.2.3切割器所需功率

切割器功率包括切割功率Ng和空轉(zhuǎn)功率Nk兩部分，計(jì)算公式為

N=Ng+Nk=vmBL0×10-3+Nk

(6)

式中vm——機(jī)器前進(jìn)速度，m/s

B——機(jī)器割幅，cm

L0——切割每平方米莖稈所需的功，小麥為100～200 N·m/m2，牧草為200～300 N·m/m2

3.2.4切割器類型

往復(fù)式切割器根據(jù)切割行程S、動(dòng)刀片間距t和定刀片間距(護(hù)刃齒間距)t0的不同組合，將切割器的型號分為普通型、雙刀距行程型和低割型，其不同型號的切割裝置S、t和t0如表3所示。

表3 往復(fù)式切割裝置的類型

3.2.5動(dòng)刀片平均速度

動(dòng)刀片平均速度是切割器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，切割干禾株平均速度取0.8 m/s已經(jīng)足夠，如果禾株比較濕應(yīng)取較大的值，其選值的關(guān)系式為

vp=βvm

(7)

式中β——刀機(jī)速比，小麥?zhǔn)斋@機(jī)、割曬機(jī)、水稻收獲機(jī)、聯(lián)合收獲機(jī)分別為1.2、1.1、1.6、0.865

4 系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

以Visual Studio 2019作為開發(fā)工具，在Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行農(nóng)機(jī)模型參數(shù)設(shè)計(jì)交互式創(chuàng)建系統(tǒng)的構(gòu)建，以MySQL為關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫對實(shí)例模型設(shè)計(jì)知識進(jìn)行儲存，以谷物收獲機(jī)械的切割裝置參數(shù)化設(shè)計(jì)過程作為實(shí)例，完成參數(shù)化實(shí)例的添加和使用，驗(yàn)證本文提出方法可行性與有效性。

4.1 參數(shù)化實(shí)例添加

模型預(yù)處理后，進(jìn)入模型信息讀取界面。系統(tǒng)對模型的基本信息進(jìn)行提取，包括模型的質(zhì)量、體積、格式、尺寸、視圖信息等，如圖12所示。

模型基本特征信息讀取完畢后，進(jìn)入到模型參數(shù)設(shè)計(jì)步驟，如圖13所示，依次對不同類型的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行知識添加。

(1)設(shè)置用戶輸入?yún)?shù)

進(jìn)入到“設(shè)置用戶輸入?yún)?shù)”界面(圖14)，根據(jù)整理的設(shè)計(jì)規(guī)則完成參數(shù)定義、參數(shù)輸入值范圍及模型結(jié)構(gòu)圖示的添加。

(2)設(shè)置模型驅(qū)動(dòng)參數(shù)

進(jìn)入“設(shè)置模型驅(qū)動(dòng)參數(shù)”界面，如圖15所示，通過數(shù)據(jù)庫的連接將讀取參數(shù)信息顯示在DataGridView的控件中，在選中的參數(shù)信息中完成該參數(shù)的定義變量、關(guān)聯(lián)參數(shù)、驅(qū)動(dòng)等級、知識描述等。

參數(shù)知識信息填充完成后，系統(tǒng)對知識進(jìn)行分類、融合，完成參數(shù)知識元的構(gòu)建，如圖16所示，保存在實(shí)例參數(shù)信息庫。

(3)設(shè)置模型設(shè)計(jì)規(guī)則

以切割器的類型選擇為例，根據(jù)不同切割類型確定切割器的切割行程、動(dòng)刀片間距和定刀片間距，填入如圖17所示的系統(tǒng)交互界面中。

(4)設(shè)置模型求解參數(shù)

將切割器的求解參數(shù)、求解規(guī)則、知識解釋信息輸入到控件框中，如圖18所示，即完成切割器參數(shù)化模型產(chǎn)品的實(shí)例添加。

4.2 實(shí)例調(diào)用與修改

通過對切割裝置的相關(guān)設(shè)計(jì)知識的分析、聚類，建立參數(shù)化設(shè)計(jì)模型，圖19為模型實(shí)例選擇界面，用戶可根據(jù)界面的模型信息、特征信息、知識內(nèi)容、結(jié)構(gòu)內(nèi)容及模型預(yù)覽選擇所需的模型。

選中切割器模型后，進(jìn)入到實(shí)例設(shè)計(jì)重用界面，如圖20所示，在設(shè)置實(shí)例參數(shù)區(qū)域，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)推送的知識元信息完成切割器的參數(shù)輸入，點(diǎn)擊求解控件，系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)之間的知識元關(guān)系完成推理計(jì)算，其結(jié)果顯示在參數(shù)求解區(qū)域。

用戶可在功能區(qū)域完成模型的驅(qū)動(dòng)、導(dǎo)出及預(yù)覽功能。系統(tǒng)通過對用戶輸入的參數(shù)值以及系統(tǒng)中對參數(shù)關(guān)聯(lián)信息、裝配信息的計(jì)算選擇，調(diào)用SolidWorks驅(qū)動(dòng)相應(yīng)零部件進(jìn)行參數(shù)變更，實(shí)現(xiàn)該模型的重構(gòu)，最終輸出到用戶設(shè)置導(dǎo)出的儲存位置，并將本次設(shè)計(jì)信息保存到實(shí)例信息庫。

5 結(jié)論

(1)構(gòu)建了一套模型參數(shù)化設(shè)計(jì)交互式創(chuàng)建系統(tǒng)，該系統(tǒng)能通過標(biāo)記參數(shù)的方法獲取模型參數(shù)化設(shè)計(jì)過程中所涉及到的變量參數(shù)，并封裝參數(shù)的信息獲取、參數(shù)驅(qū)動(dòng)變更等操作指令，同時(shí)，通過人機(jī)交互式操作平臺來實(shí)現(xiàn)模型的參數(shù)化建模，保證了系統(tǒng)的獨(dú)立性，降低了模型參數(shù)化開發(fā)的專業(yè)性，提高了農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)效率。

(2)根據(jù)參數(shù)的屬性類別將模型設(shè)計(jì)參數(shù)劃分為用戶輸入?yún)?shù)、驅(qū)動(dòng)參數(shù)、規(guī)則參數(shù)和求解參數(shù)；運(yùn)用參數(shù)驅(qū)動(dòng)遞階模型的分析方法，對各類參數(shù)的設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行整理，增強(qiáng)了知識表達(dá)的靈活性與適應(yīng)性。

(3)采用參數(shù)知識元描述的方法將農(nóng)機(jī)三維模型的參數(shù)屬性特征、關(guān)聯(lián)信息、范圍限定、知識描述等信息進(jìn)行定性、定量表達(dá)，使得實(shí)例添加過程中對知識整理、分類、表達(dá)更加簡單、規(guī)范。以切割器實(shí)例庫的構(gòu)建為例，從實(shí)例的添加和生成兩個(gè)方面對系統(tǒng)整個(gè)操作過程進(jìn)行演示，完成了模型實(shí)例的設(shè)計(jì)重用。