基于知識的窩眼輪式排種器快速設(shè)計

曾心玥,賴慶輝,賈廣鑫,趙瑾汶,劉志迎

(昆明理工大學 農(nóng)業(yè)與食品學院，云南 昆明 650500)

排種器是精密播種機的核心部件，窩眼輪式排種器是精密播種機最常用的排種器之一。排種器設(shè)計包含對充種過程分析、關(guān)鍵部件設(shè)計和試驗分析等步驟，其中涵蓋大量復雜的公式計算及力學分析，導致傳統(tǒng)的設(shè)計方法效率低、工作量大、研制周期冗長且成本高[1]，因此亟待尋找新的設(shè)計方法以改善排種器的設(shè)計現(xiàn)狀。

在制造業(yè)信息化進程的不斷推進中，知識是企業(yè)贏得競爭和獲取利潤的關(guān)鍵要素[2]，設(shè)計是企業(yè)研發(fā)產(chǎn)品的重要環(huán)節(jié)。用知識驅(qū)動設(shè)計，運用計算機輔助，可以提高設(shè)計效率、降低產(chǎn)品研發(fā)成本、縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期[3-7]，為此國內(nèi)外學者對該方法展開了不同程度的研究。在國外，Stenholm等[7]在康斯堡汽車公司建立了汽車設(shè)計知識庫，實現(xiàn)了公司員工設(shè)計汽車知識共享，縮短了汽車產(chǎn)品上市時間；Mun等[8]在二維模型快速設(shè)計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中,使用宏參數(shù)方法更改二維模型的標準建模命令，彌補了二維模型快速設(shè)計系統(tǒng)目前只能進行模型參數(shù)編輯的缺陷；Sandberg等[9]利用噴氣發(fā)動機的設(shè)計知識建立了自動設(shè)計噴氣發(fā)動機三維模型系統(tǒng)。查閱文獻可知，國外學者主要是對快速設(shè)計相關(guān)軟件開發(fā)和方法創(chuàng)新的研究。在國內(nèi)，王建吉[10]利用知識工程建立知識庫，用參數(shù)驅(qū)動拉刀的設(shè)計；陳金峰等[11]提出將知識工程與船舶構(gòu)件設(shè)計結(jié)合，實現(xiàn)了知識的重用與共享；鐘崴等[12]對鍋爐設(shè)計建立了專用的快速設(shè)計系統(tǒng)，填補了快速設(shè)計方法在鍋爐領(lǐng)域應(yīng)用上的空白；鄭偉[13]通過對VB、AutoCAD和Matlab/Simulink的耦合，運用數(shù)據(jù)庫對參數(shù)及計算結(jié)果進行存儲、讀取和調(diào)用，實現(xiàn)了柴油機缸內(nèi)工作過程計算、分析以及對機體構(gòu)造CAD繪圖的一體化運行；陳思棟[14]提出了知識工程與主流CAX軟件系統(tǒng)集成的一般性方法和智能原型的概念及創(chuàng)建方法，設(shè)計出一款履帶式排灌車樣機，為降低開發(fā)成本提供了新的途徑。其他國內(nèi)學者還在航空、注塑模、特征零件、機械產(chǎn)品三維設(shè)計和鋁型材擠壓模具領(lǐng)域[15-19]，進行了基于知識的快速設(shè)計方法的研究與探索。但在農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域相關(guān)研究相對較少，僅杜劉林[20]對甘蔗收獲機械快速設(shè)計系統(tǒng)知識庫進行了系統(tǒng)優(yōu)化；李長林[21]利用知識工程構(gòu)建了輪式聯(lián)合收割機底盤傳動系設(shè)計平臺，有效提高了農(nóng)機底盤的設(shè)計效率。還有一些學者對拖拉機關(guān)鍵部件開展了快速設(shè)計方法的研究，如石小龍[22]對拖拉機變速箱快速設(shè)計技術(shù)展開了研究，廖萍等[23]對拖拉機前驅(qū)動橋快速設(shè)計系統(tǒng)進行了研究。此外，也有學者將基于知識的快速設(shè)計方法運用在收獲機設(shè)計上，朱忠祥等[24]對聯(lián)合收割底盤進行了虛擬裝配系統(tǒng)搭建，謝斌等[25]對聯(lián)合收割機制動系統(tǒng)進行了虛擬樣機仿真，安晶玉[26]對聯(lián)合收割機快速設(shè)計系統(tǒng)軟件接口技術(shù)與方法進行了研究，陳雨等[27]對輪式收獲機變速箱進行了參數(shù)化設(shè)計，宋正河等[28]對履帶式收獲機傳動系統(tǒng)快速設(shè)計的推理方法進行了研究，畢淑琴等[29]對履帶式聯(lián)合收割機傳動系設(shè)計知識庫進行了構(gòu)建。這些基于知識的快速設(shè)計方法不僅使設(shè)計簡單化，設(shè)計成本降低，還實現(xiàn)知識的重用與共享，開創(chuàng)人機共同思考的新時代。但綜觀目前的有關(guān)研究，作為播種機的關(guān)鍵部件排種器的快速設(shè)計卻鮮有相關(guān)研究報道。

因此，本研究提出一種基于知識的窩眼輪式排種器快速設(shè)計方法，開發(fā)窩眼輪式排種器快速設(shè)計專家系統(tǒng)，并用EDEM仿真試驗驗證該系統(tǒng)的可行性，以期為窩眼輪式精密排種器的快速設(shè)計提供支持。

1 知識庫知識的獲取與存儲

1.1 窩眼輪式排種器的知識表示

1.1.1 知識的獲取及分類 知識獲取是建立知識庫的關(guān)鍵技術(shù)之一[29]，知識表示和知識庫的建立是在獲取知識的前提下完成的。窩眼輪式排種器相關(guān)知識可分為公式類知識、設(shè)計規(guī)則類知識、案例類知識、經(jīng)驗型知識和選型 類知識5大類，獲取這5類知識主要通過3個途徑:一是設(shè)計人員從相關(guān)領(lǐng)域的專家那里獲取相關(guān)的知識，且以正確的形式存儲到知識庫當中；二是知識編輯器提供一個對話界面，相關(guān)領(lǐng)域的專家按照要求將自己的知識由知識編輯器存入知識庫當中；三是通過知識學習器自動獲取知識[30]。通過以上途徑，獲取得到窩眼輪式排種器結(jié)構(gòu)組成和各部件設(shè)計及裝配的知識，為建立知識庫奠定基礎(chǔ)，其框架如圖1所示。

1.1.2 知識表示 用知識表示方法表達獲取知識，是知識庫建立的第二步驟。知識表達方法有產(chǎn)生式表示法、框架表示法、面向?qū)ο蟊硎痉?、一階謂詞邏輯表示法、語義網(wǎng)絡(luò)表示法、狀態(tài)空間表示法等[31]。本研究將框架表示法和產(chǎn)生式表示法相結(jié)合，得到窩眼輪式排種器設(shè)計規(guī)則類知識、案例類知識及零部件結(jié)構(gòu)拓撲關(guān)系的集成如圖2所示。針對以往設(shè)計出的案例，其知識用特征向量的方法來表示：先基于窩眼輪式排種器案例構(gòu)建結(jié)構(gòu)樹，然后針對單個案例用n個特征f1,f2,f3,…,fn描述，用vi表示fi的值(fi=1,2,3,…，n)，則特征向量vi=(x1,x2,x3,…,xn)表示為一個向量。

1.2 窩眼輪式排種器知識的存儲

收集知識的存儲是以一種計算機能識別的語言對設(shè)計相關(guān)知識進行描述和整理，為計算機后續(xù)工作提供理論支撐。本研究將所獲取的知識存儲在SQL數(shù)據(jù)庫中。

1.2.1 公式類和設(shè)計規(guī)則類知識 在窩眼輪式排種器的設(shè)計過程中，含有大量的參數(shù)推導、尺寸確定和校核等公式類和設(shè)計規(guī)則類知識，這些都是確定性知識。因此，本研究將該類知識以ID、名稱、公式的存儲格式存儲在SQL數(shù)據(jù)庫中(圖3)，其他知識的存儲格式與此類似。

1.2.2 選型類知識 設(shè)計者需要對已經(jīng)標準化的零部件進行選型。本研究將國家標準、選型類知識存儲在SQL數(shù)據(jù)庫中，且在此類知識的存儲形式上對列名不作具體規(guī)定。

1.2.3 經(jīng)驗型知識 經(jīng)驗型知識是不確定性知識，需要借助專家經(jīng)驗和市場上已有機型確定。因此，本研究將該類知識以名稱、參數(shù)和信息的形式存入SQL數(shù)據(jù)庫。

1.2.4 案例類知識 案例類知識分為整機案例和部件案例，本研究對這2種案例知識以案例ID、案例名稱、部件ID、部件名稱、數(shù)量和說明的形式存儲在SQL數(shù)據(jù)庫中。

2 模塊化處理

模塊化處理過程是先將一個復雜的系統(tǒng)分解成若干個獨立的操作子系統(tǒng)，再將分解成的子系統(tǒng)進行組合的過程。因此，模塊化為復雜系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)提供了理想的功能環(huán)境[32]。為了計算機能快速清晰地找到排種器的相關(guān)設(shè)計知識，本研究用知識樹狀圖對窩眼輪式排種器的設(shè)計知識進行模塊化處理,結(jié)果見圖4。

模塊化處理后，系統(tǒng)同時對所有劃分的模塊進行識別，獲取設(shè)計所需的所有知識，縮短了因系統(tǒng)按順序識別知識的時間。

在程序中，以樹控件來組織和應(yīng)用設(shè)計相關(guān)數(shù)據(jù)庫表格的形式表達知識管理模塊(圖5)。如圖5所示，樹控件的根節(jié)點是窩眼輪式排種器設(shè)計數(shù)據(jù)庫。

3 窩眼輪式排種器專家系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 快速設(shè)計專家系統(tǒng)的建立

設(shè)計型的專家系統(tǒng)主要對整機機型、功能部件等進行選型設(shè)計，實現(xiàn)從需求到功能的映射，輸出設(shè)計方案[33]。首先，本研究在前期知識儲備中選用合理的知識表達方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)窩眼輪式排種器的特點，構(gòu)建設(shè)計知識數(shù)據(jù)庫；然后對專家系統(tǒng)中推理機的推理方法進行研究，建立總體設(shè)計推理機制；最后，采用理論分析與驗證相結(jié)合的方法，搭建窩眼輪式排種器快速設(shè)計平臺，其總體技術(shù)路線如圖6所示。

建立快速設(shè)計專家系統(tǒng)前，首先要對數(shù)據(jù)進行準備、處理及提取，然后再運用合理的知識表示方法為建立知識庫提供依托。建立專家系統(tǒng)的同時建立數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)實時聯(lián)系，以實現(xiàn)知識庫知識的及時更新，可使專家系統(tǒng)以最快的速度設(shè)計出優(yōu)良的窩眼輪式排種器。

3.2 快速設(shè)計專家系統(tǒng)的實現(xiàn)

窩眼輪式排種器快速設(shè)計專家系統(tǒng),在Visual Studio平臺上設(shè)計基于知識的窩眼輪式排種器設(shè)計平臺的交互界面，且利用VB.NET編程設(shè)計基于知識的窩眼輪式排種器設(shè)計平臺的交互界面，可按照用戶的設(shè)計需求，來實現(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計。圖7為用戶進入人機交互界面的窗口。

窩眼輪式排種器快速設(shè)計專家系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)為種子形狀、種子類型、行距、株距、作業(yè)速度和種子最大尺寸，輸出參數(shù)為窩眼輪線速度和窩眼輪轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)根據(jù)輸入?yún)?shù)調(diào)用數(shù)據(jù)庫中存儲的公式進行參數(shù)計算(其代碼如圖8-a所示)，然后對庫中的排種器模型進行調(diào)用，并進行零件模型的參數(shù)化變更(部分代碼如圖8-b所示)。零件模型參數(shù)化變更需先判斷模型庫是否存在該模型，并讀取該模型參數(shù)的名稱和尺寸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)自動新建SolidWorks文件，打開該零件模型，修改模型參數(shù)并保存。

在窩眼輪式排種器快速設(shè)計專家系統(tǒng)的人機交互界面，可以預覽符合用戶設(shè)計要求的排種器的三維及二維示意圖，用戶可在該平臺通過“進入”控件連接SolidWorks界面，實現(xiàn)對零部件的自動裝配，并生成二維圖，該系統(tǒng)界面在Intel i5處理器、系統(tǒng)內(nèi)存8 GB配置環(huán)境下，完成窩眼輪式排種器設(shè)計。實現(xiàn)其自動裝配主要代碼為：Dim Swapp As SldWolks.SldWolks //聲明SldWolks對象；Swapp=CreateObject (“SldWolks.Application”)//創(chuàng)建并返回SldWolks的對象引用。生成窩眼輪式排種器二維圖的部分代碼如圖9所示。

窩眼輪式排種器快速設(shè)計專家系統(tǒng)還可根據(jù)作物，如小麥、大豆、三七、油菜等的不同，完成其排種器的快速設(shè)計。為驗證該專家系統(tǒng)是否具有可行性，以及系統(tǒng)設(shè)計的窩眼輪式排種器工作性能是否良好，需通過仿真驗證對所生成的排種器的工作過程進行分析。

3.3 快速設(shè)計專家系統(tǒng)的仿真試驗

仿真試驗是窩眼輪式排種器快速設(shè)計專家系統(tǒng)性能的重要檢驗方法之一。通過仿真試驗分析該系統(tǒng)生成的多個排種器的充種單粒率是否滿足國家標準和作物的農(nóng)藝要求，進而評價窩眼輪式排種器快速設(shè)計專家系統(tǒng)是否可行和可靠。仿真試驗是通過模擬排種器在工作時的運動狀態(tài)，如通過對排種器充種過程的分析，驗證窩眼輪式排種器快速設(shè)計專家系統(tǒng)的可行性。本研究選擇三七、油菜、小麥3種作物進行驗證，將這3種作物的行距、株距、作業(yè)速度等播種技術(shù)要求作為輸入?yún)?shù)分別輸入到專家系統(tǒng)中，得到相應(yīng)窩眼輪式排種器的三維模型如圖10所示，并將其存儲為“.stl”格式。結(jié)合文獻[34-38]對三七、油菜、小麥3種作物種子仿真參數(shù)的標定,建立各排種器仿真模型，使用逆向工程建模得到3種作物種子模型如圖11所示，且本研究在EDEM中選用的種子-種子和種子-排種器的接觸模型均為Hertz-Mindlin(no slip)模型。

將“.stl”格式的排種器三維模型導入EDEM軟件中，經(jīng)參數(shù)標定后確定種子-種子和種子-排種器模型的接觸參數(shù)，種子和排種器的本征參數(shù)如表1所示。仿真結(jié)束后為觀察排種器內(nèi)部種子充種效果，在后處理模塊中將排種器殼體設(shè)為“mesh”，窩眼輪設(shè)為“filled”。

表1 三七、油菜和小麥種子仿真驗證的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of simulation verification for Panax notoginseng,rape and wheat seeds

窩眼輪起始旋轉(zhuǎn)時間為0.5 s，故排種器前0.5 s為充種階段，窩眼輪旋轉(zhuǎn)結(jié)束時間為30 s。三七種子總顆粒數(shù)設(shè)為5 000顆，生成顆粒的速率為2 000 粒/s。仿真求解模塊中，時間步長設(shè)定為Rayleigh時間步長的10%，設(shè)定仿真時間為30 s，時間步長為0.01 s。三七種子生成平面網(wǎng)格劃分的單元尺寸一般設(shè)置為顆粒最小球面半徑的3倍。圖12所示為窩眼輪式排種器正常排種的仿真過程。驗證試驗中，分別設(shè)定不同排種器現(xiàn)實工作中的真實轉(zhuǎn)速等因素，三七排種器轉(zhuǎn)速為3.27 r/s，小麥和油菜排種器轉(zhuǎn)速均為3.5 r/s。

排種器仿真試驗?zāi)M真實工作過程，其試驗指標為單粒率、多粒率和空粒率，計算公式如下：

(1)

式中：A為單粒率，%；D為多粒率，%；M為空粒率，%；n1為合格孔數(shù)，個；n2為多充孔數(shù)，個；n3為漏充孔數(shù)，個；N′為試驗總孔數(shù)，個。

本仿真試驗測量排種器總孔數(shù)為200個，各型孔中只有1粒種子為合格孔數(shù)，型孔中有2粒及以上種子為多充孔數(shù)，型孔中無種子為漏充孔數(shù),計算可得相應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2。表2表明，該快速設(shè)計專家系統(tǒng)設(shè)計出的三七、油菜、小麥3種窩眼輪式排種器單粒率分別為95.5%，94.0%和96.0%，排種器運動過程達到較優(yōu)狀態(tài)。由此可知該窩眼輪式排種器設(shè)計的快速設(shè)計專家系統(tǒng)具有可行性、可靠性。

表2 3種作物窩眼輪式排種器的仿真結(jié)果Table 2 Simulation results of three kinds of crop socket wheel seed metering devices

4 結(jié) 論

1)圍繞窩眼輪式排種器設(shè)計來展開研究，根據(jù)窩眼輪式排種器快速設(shè)計專家系統(tǒng)的總體設(shè)計路線，對設(shè)計知識進行獲取、表示和存儲，運用SQL數(shù)據(jù)庫建立了模型庫、規(guī)則庫、參數(shù)庫和零件庫。

2)通過Visual Studio平臺，建立窩眼輪式排種器快速設(shè)計專家系統(tǒng)。

3)將三七、油菜、小麥的播種技術(shù)要求輸入所建的快速設(shè)計專家系統(tǒng)中，得到播種這3種作物的窩眼輪式排種器，且將得到的排種器導入EDEM中進行仿真試驗，對系統(tǒng)設(shè)計的排種器進行性能檢驗，證明該快速設(shè)計專家系統(tǒng)具有可行性和可靠性。