劉宏新，賈　儒，周興宇，付露露（東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱150030）

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基于物元標識的人機交互式機械排種器虛擬裝配

劉宏新，賈儒，周興宇，付露露
（東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱150030）

摘要：為實現(xiàn)復雜機械式排種器智能化虛擬裝配，集成2B-JP-FX系列雙腔復合種盤機械式精密排種器的創(chuàng)新成果與專業(yè)知識，縮短設(shè)計與研發(fā)周期，該文提出了一種基于裝配物元標識的智能裝配系統(tǒng)。以雙腔立式復合圓盤型號排種器為具體研究對象，分析各零部件間的裝配關(guān)系，明確裝配物元組成，完成裝配物元的語義信息編碼和裝配參考的建立?；贑ATIA（computer aided three-dimensional interactive application計算機輔助三維交互應用）的二次開發(fā)技術(shù)，以Visual Basic為開發(fā)語言，設(shè)計一種適用于物元標識的人機交互平臺，可實現(xiàn)對裝配語義集的提取與分析，將裝配語義信息轉(zhuǎn)化為裝配約束，智能引導完成虛擬裝配。測試結(jié)果證明了該系統(tǒng)的可行性和有效性，為2B-JP-FX系列排種器的研發(fā)提供了先進的虛擬仿真手段，也為機械裝備數(shù)字化資源庫奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)裝備；智能系統(tǒng)；機械化；排種器；智能虛擬裝配；CATIA；人機交互；物元標識

劉宏新，賈儒，周興宇，付露露.基于物元標識的人機交互式機械排種器虛擬裝配[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2016，32（01）：38-45.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.005 http://www.tcsae.org

Liu Hongxin, Jia Ru, Zhou Xingyu, Fu Lulu.Virtual assembly of man-machine interactive mechanical seed-metering device based on matter-element identification[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering（Transactions of the CSAE）, 2016, 32（01）: 38-45.（in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.005 http://www.tcsae.org

0　引言

產(chǎn)品的裝配是制造過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，裝配質(zhì)量是產(chǎn)品性能的重要影響因素。據(jù)統(tǒng)計，裝配成本在制造成本中的比重超過40%，裝配工作量占產(chǎn)品制造工作總量的20%～70%[1]。為了加快產(chǎn)品的開發(fā)速度、快速地占領(lǐng)產(chǎn)品的市場，且隨著計算機的快速發(fā)展，虛擬裝配技術(shù)應運而生[2]。虛擬裝配技術(shù)對優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計、避免或減少物理模型制作、縮短裝配周期、降低裝配成本、提高裝配質(zhì)量和效率具有重要意義[3-4]。但利用計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件進行的虛擬裝配，主要依靠用戶手動添加繁瑣的約束關(guān)系，并且在裝配組件形狀體征錯誤時，無法適時更新重新裝配[5]，不能滿足復雜機械裝備數(shù)字化模型的快速裝配。因此，提出了基于CAD軟件二次開發(fā)的智能裝配技術(shù)，為實現(xiàn)復雜裝配體的快速虛擬裝配提供一種可行的方法和高效的模式。

自該技術(shù)提出后，國內(nèi)外對于智能裝配技術(shù)中的人機交互、裝配序列規(guī)劃、裝配建模、裝配路徑、碰撞檢測及可裝配性等方面進行了廣泛的研究[6-10]。但是交互性和智能化的虛擬現(xiàn)實裝配技術(shù)在國內(nèi)，尤其是農(nóng)業(yè)機械設(shè)計制造領(lǐng)域的應用還處于起步階段。現(xiàn)有虛擬裝配系統(tǒng)普遍缺乏對復雜零部件的裝配情景的分析能力，難以準確預測用戶的意圖，導致系統(tǒng)智能性較差，用戶認知負荷較重[11]。

本文擬以2B-JP-FX系列雙腔復合種盤機械式精密排種器為對象，研究基于裝配物元標識的人機交互式智能虛擬裝配系統(tǒng)。該系列排種器利用“內(nèi)部降速充填、外部組合增頻”的基本理論，使機械式精密排種器的作業(yè)速度大幅提高，并衍生出多種技術(shù)型號。系列排種器能夠適應現(xiàn)代機械化作業(yè)的高速要求，使機械式精密排種器所固有的結(jié)構(gòu)簡單、成本低、無附屬系統(tǒng)的優(yōu)點得以充分發(fā)揮[12]。在數(shù)字樣機與仿真技術(shù)的運用過程中需要進行大量的裝配工作，為集成創(chuàng)新成果、專業(yè)知識與研發(fā)經(jīng)驗，通過在CATIA （computer aided three-dimensional interactive application）環(huán)境下的二次開發(fā)，提取裝配信息自動添加約束關(guān)系實現(xiàn)智能化虛擬裝配，為該系列精密排種器的深入研發(fā)提供技術(shù)支持，同時也為復雜農(nóng)業(yè)裝備快速、準確的虛擬裝配以及更廣義的3D模型資源化提供共性基礎(chǔ)技術(shù)。

1　裝配物元標識的構(gòu)建

智能虛擬裝配系統(tǒng)的效率及有效性取決于裝配信息的全面體現(xiàn)和清晰表達，因此裝配物元標識是人機交互平臺的基礎(chǔ)，裝配物元標識的流程如圖1所示。

1.1裝配物元的概念

為更加系統(tǒng)地研究復雜裝配體的裝配信息，提出裝配物元的概念，裝配物元定義為零件所屬裝配層次、與其有裝配關(guān)系的零件、裝配參考元素、裝配約束類型和裝配方向的統(tǒng)稱。裝配物元中所包含的信息可完整而準確的表達出裝配基本元素“零件”的全部裝配信息，同時也為用程序進行規(guī)范化處理奠定基礎(chǔ)。有了裝配物元的概念，就可以把虛擬環(huán)境中的裝配關(guān)系看成一個復雜、相互關(guān)聯(lián)的裝配物元網(wǎng)，只要分析并提取每個零件的裝配物元信息即可構(gòu)建出完整的復雜裝配。裝配物元標識以有序的五元組：R=（A，B，C，D，E）來表達，其中，A表示該零件所屬裝配層次，一個零件可同屬多個裝配層次，B表示在相應的裝配層次中與其有裝配關(guān)系的零件，C表示裝配參考元素，D表示裝配約束類型，E表示裝配方向。這5者為裝配物元的5要素，這5個要素可以完整的表達裝配信息。

圖1　裝配物元標識流程Fig.1 Identify assemble matter-element procedure

1.2語義編碼規(guī)則

裝配物元語義信息此處定義為虛擬環(huán)境中完成裝配所需的全部信息，只有使這些物元信息抽象化、形式化、代碼化、算法化，計算機才能實現(xiàn)對其智能處理。因此，為實現(xiàn)智能裝配系統(tǒng)驅(qū)動程序識別、提取裝配物元信息，捕捉裝配意圖，需對裝配零部件間裝配關(guān)系進行抽象描述[13-14]，即進行語義編碼。語義編碼需滿足完整性、普適性、特征性、唯一性、可計算性，同時在考慮全面性的基礎(chǔ)上，做到編碼盡可能短小精簡，去除冗余信息[15-16]。完成語義編碼后，將編碼標識在相應的零部件中，以便提取。本文中所規(guī)定的在CATIA虛擬裝配環(huán)境中的裝配物元及語義編碼規(guī)則如表1所示，i、j、k均為正整數(shù)。

表1　裝配物元及語義編碼規(guī)則Table 1 Rules of assemble matter-element and semantic encoding

1.3物元標識規(guī)則

以系列排種器中2B-JP-FL-02雙腔立式復合圓盤排種器為研究對象，其總成裝配模型及結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中左殼體1、左護種板2、左檢視窗18和左擋條19構(gòu)成左殼體裝配；左排種盤3、右排種盤15、隔板16和柳釘17構(gòu)成轉(zhuǎn)子裝配；右護種板4、軸承6與7、排種軸8、鍵9、右殼體10、右擋條11、右檢視窗12和卡簧13與14構(gòu)成右殼體裝配[12，17]。

在CATIA中主要有6種裝配約束類型，分別為：相合約束、接觸約束、偏移約束、角度約束、固定和固聯(lián)，用以定義各零部件幾何元素之間相對幾何關(guān)系的限制條件[18]。在常規(guī)的手動裝配中，一般綜合地應用這6種裝配約束進行裝配。但在智能裝配系統(tǒng)中，很難準確預測和識別用戶意圖，以靈活裝配。因此，為便于系統(tǒng)的程序驅(qū)動，以實現(xiàn)自動裝配，將CATIA中的6種約束方式在產(chǎn)品設(shè)計中均轉(zhuǎn)化為基準面與基準面、基準軸和基準軸之間的相合約束。相合約束命令可以適應各種類型的裝配參考元素的選擇，且可定義元素間的約束方向。因此，采用這種設(shè)計方法避免了在裝配時可能發(fā)生的無法正確選取到所需要的約束面或約束線的情況[19]。同時需要在3D模型中建立相應的基準面和基準軸作為裝配參考元素，并將相應的裝配物元要素C標識在裝配參考中，可省略裝配物元要素D相應的裝配約束類型的編碼標識，缺省為相合約束。對于相合約束的方向有未定義、相同和相反3種，模型創(chuàng)建設(shè)計中基準面與基準面的裝配約束方向均定義為相反，對于基準軸與基準軸相合約束無方向設(shè)置。因此，可省略裝配物元要素E相應的裝配約束類型的編碼標識，缺省為相反或未定義。因此，在該系統(tǒng)中排種器的裝配物元僅需標識A該零件所屬裝配層次，B在相應的裝配層次中與其有裝配關(guān)系的零件和C裝配參考元素3個物元要素，另外兩個物元要素為系統(tǒng)缺省。

圖2　2B-JP-FL-02雙腔立式復合圓盤排種器Fig.2 2B-JP-FX seed-metering device with double cavity composite plate

1.4構(gòu)建實例分析

以左殼體為例，分析其裝配物元信息，并進行語義編碼，完成相應的標識。左殼體隸屬于2個裝配，即左殼體裝配和總裝配，2個裝配為不同的裝配層次，左殼體裝配為子裝配層次，而總裝配為總裝配層次。左殼體在左殼體裝配中，與左護種板、左擋條和左檢視窗均分別有3個相合關(guān)系的裝配約束。在總裝配中，與右殼體和上蓋均分別有3個相合關(guān)系的裝配約束，與隔板有1個相合關(guān)系的裝配約束。左殼體的裝配物元信息及語義編碼如表2所示。

表2　左殼體裝配物元信息及其語義編碼Table 2 Assembly matter-element information and semantic encoding of left shell

將計數(shù)加入到編碼中，以便系統(tǒng)快速識別和提取信息，并將編碼標識在左殼體零件的文件名，即LSX2LSA3TAX3LPS3LIW3LOB3RSX3UCX3PXX1。同時，在左殼體3D模型中建立匹配的基準面和基準軸作為裝配參考元素，并將表2中的裝配物元的要素C編碼標識在裝配參考中，如圖3所示。以左殼體與左護種板的裝配為例，通過裝配關(guān)系分析可知，需在左殼體的3D模型中建立一個基準面，兩個基準軸（左護種板中需要建立對應的裝配參考），創(chuàng)建位置如圖3所示，分別命名為refLPS1，refLPS2和refLPS3。

圖3　左殼體的裝配參考元素的創(chuàng)建與標識Fig.3 Establishment and identification of assembly reference elements of left shell

用上述方法完成所有零部件的裝配物元標識，此種方法具有普適性和全面性，同時也可保證編碼最精簡。并得到標識的一般規(guī)律如圖4所示，其中圖4a中裝配層次A的第一個層次為零部件在結(jié)構(gòu)樹中所屬的裝配層次，若該零部件的同屬于總裝配層次中，將總裝配層次的編碼標識在最后，即裝配層次按照從低到高的順序編碼。

圖4　標識規(guī)則Fig.4　 Identification rules

2　智能虛擬裝配系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1CATIA二次開發(fā)方式

為滿足更加廣泛領(lǐng)域用戶的應用習慣與需求，實現(xiàn)用戶化和專業(yè)化，CATIA軟件為用戶提供了多種開放式接口，主要包括進程內(nèi)的CAA Automation API技術(shù)和進程外的CAA C++方式。其中CAA Automation API使用戶自動化應用接口，它為用戶提供了一種交互式的定制方式，其核心是使用外部的VB程序控制內(nèi)部程序，實現(xiàn)用戶與CATIA之間的數(shù)據(jù)交流，該方法可實現(xiàn)更自主化的使用效果，且相較于CAA C++方式操作更加簡單，同時可以給用戶提供更直觀的交互界面[20-22]。因此，本文提出的智能虛擬裝配系統(tǒng)使用Visual Basic作為開發(fā)語言。

2.2智能裝配程序流程

本文提出基于裝配物元標識的智能裝配系統(tǒng)，以Visual Basic為開發(fā)語言，結(jié)合CATIA的二次開發(fā)，輔以人機交互界面，完成裝配信息的提取與分析，并將信息整合轉(zhuǎn)化為裝配約束，實現(xiàn)智能引導自動裝配。該裝配系統(tǒng)完成智能裝配流程如圖5所示。

2.2.1CATIA的訪問

通過編程來訪問CATIA的對象有很多不同的方法。對于其他程序或腳本來說，CATIA只是一個OLE自動化對象服務。任何能訪問COM對象的程序或腳本都能訪問CATIA的對象并對其進行操作。本文采用VB對CATIA進行進程外訪問，腳本利用CreateObject方法訪問CATIA[20]。代碼如下：

Set CATIA=CreateObject（"CATIA.Application"）

圖5　智能裝配流程Fig.5 Program of intelligent assembly

2.2.2裝配物元標識的獲取

創(chuàng)建FSO對象模型并利用Filesystemobject對象獲取零件庫內(nèi)全部零件的文件名。使用GetFolder方法返回一個和指定路徑中文件夾相對應的Folder對象，遍歷該文件夾并利用GetBaseName方法得到文件的基本名字（無文件擴展名），將其賦值給文件名數(shù)組。

2.2.3裝配層次順序的確定

利用零件的裝配物元要素A所屬裝配層次個數(shù)i，依據(jù)裝配物元的標識規(guī)則，識別并提取出該裝配體的各裝配層次及其從屬關(guān)系。具體程序?qū)崿F(xiàn)過程如圖6所示，最終將各裝配層次的名稱集賦值給相應數(shù)組。

圖6　智能提取裝配層次順序流程Fig.6 Program of intelligently extraction of assembly hierarchical order

2.2.4零部件的插入

一個產(chǎn)品可以由若干個組件和若干個子產(chǎn)品組成，組件和子產(chǎn)品在編程接口中的類型都是Product，利用AddComponentsFromFiles方法從文件數(shù)組中添加組件，其語法為：

AddComponentsFromFiles（CATSafeArrayVariant iFilesList, CATBSTR iMethod）

其中，iFilesList為文件路徑數(shù)組（包含文件擴展名），iMethod為文件類型，通常設(shè)置為*。

2.2.5裝配約束的驅(qū)動

通過程序創(chuàng)建裝配特征之間的約束關(guān)系，需要利用Constraints對象的AddBiEltCst方法創(chuàng)建2個元素間的約束[20]，其語法為：

AddBiEltCst（CatConstraintType iCstType，

CATIAReference iFirstElem，

CATIAReference iSecondElem）As CATIAConstraint

其中CatConstraintType為約束類型，本系統(tǒng)中缺省的相合約束為catCstTypeOn，iFirstElem為第一個裝配參考元素，iSecondElem為第二個裝配參考元素，均必須為Reference類型。本文定義裝配參考元素采用Product對象的CreateReferenceFromName方法[20]，其語法為：

CreateReferenceFromName（"CATIAReference"）

其中，"CATIAReference"包含的信息有：所屬裝配層次，零件名稱和裝配參考元素。

CATIAReference的信息需要在裝配物元標識中提取，利用程序提取信息的規(guī)則如表3所示，其中m為裝配物元標識的總長度，并規(guī)定零件名稱和裝配名稱均為三位英文字母。

表3　信息提取規(guī)則Table 3 Rules of information extraction

以左殼體與左護種板的第一個裝配關(guān)系為例，要實現(xiàn)利用程序進行裝配，首先需要在左殼體的裝配物元標識LSX2LSA3TAX3LPS3LIW3LOB3RSX3UCX3PXX1中提取出所屬裝配LSA（左殼體裝配），零件名稱LSX（左殼體）和裝配參考refLPS1，作為第一個裝配參考，其代碼為：

Set reference1=oRootProduct.CreateReferenceFromName （"LSA/LSX/refLPS1"）

相應的左護種板的物元標識LPS1LSA1LSX3中提取出所屬裝配LSA（左殼體裝配），零件名稱LPS（左護種板）和裝配參考refLSX1，作為第二個裝配參考，其代碼為：

Set reference2=oRootProduct.CreateReferenceFromName（" LSA/LPS/refLSX1"）

創(chuàng)建左殼體與左護種板的第一個裝配關(guān)系的代碼為：

Set oConstraint=oConstraints.AddBiEltCst（catCstTypeOn, reference1, reference2）

完成裝配約束的定義后，需判斷參考類型，使用TypeName函數(shù)判斷該裝配參考元素的類型。如該裝配參考類型為HybridShapePlaneOffset（基準面），則定義Constraint的Orientation（方向）屬性為catCstOrientOpposite（相反），否則不做定義。方向為相反的約束定義代碼為：

oConstraint.Orientation=catCstOrientOpposite

可實現(xiàn)在左殼體裝配（LSA）中左殼體（LSX）和左護種板（LPS）的第一個裝配參考（基準面與基準面）的相合約束，方向為相反。

2.3人機交互界面

在智能虛擬裝配系統(tǒng)中設(shè)置人機交互界面，將人和計算機結(jié)合，以便充分發(fā)揮人和計算機各自的優(yōu)勢，實現(xiàn)人的認知和計算機的邏輯運算有機結(jié)合，從而達到最優(yōu)的虛擬裝配效果。良好的人機交互界面能起到智能化引導的作用，使功能模塊化，操作簡單化，適應更廣泛的用戶群體[19，23]。

本系統(tǒng)中的人機交互主要實現(xiàn)兩個功能：裝配順序的選擇和引導完成裝配。在裝配順序區(qū)域中，可以人工設(shè)置裝配層次，如不做設(shè)置則默認為系統(tǒng)缺??；完成裝配層次設(shè)置后，在引導裝配區(qū)域按照子裝配先進行，總裝配后進行的順序依次進行裝配，完成裝配后自動保存，并可以進行查看和另存為設(shè)置，確認無誤后進行下一等級的裝配。人機交互界面的設(shè)計如圖7所示。

圖7　人機交互界面的設(shè)計Fig.7 Design of man-machine interface

3　系統(tǒng)測試

機械式排種器虛擬裝配系統(tǒng)測試過程中，裝配順序不做設(shè)置，為系統(tǒng)默認。在“引導裝配”模塊中，依次選擇列表中的各裝配層次，單擊“開始裝配”按鈕，系統(tǒng)即可自動生成裝配約束并完成各裝配層次的裝配體，第二裝配層次中右殼體裝配、轉(zhuǎn)子裝配和左殼體裝配的裝配結(jié)果如圖8a、8b和8c所示。完成第一步中所有裝配并查看無誤后，單擊“下一步”，完成第二步，第一裝配層次的總裝配的裝配結(jié)果如圖8d所示。由測試結(jié)果可知，該系統(tǒng)達到了預期效果。

圖8　排種器自動裝配各步驟結(jié)果Fig.8 Results of automatic assembly of seed-metering device in each step

4　結(jié)論

1）裝配物元的零件裝配層次、與其有裝配關(guān)系的零件、裝配參考元素、裝配約束類型和裝配方向5個要素，可以全面準確地描述裝配信息。

2）為了準確預測及識別用戶意圖，將裝配約束類型和裝配方向缺省為“相合約束”和“相反”，避免了無法正確選擇相應裝配參考元素的情況，同時保證了物元標識和系統(tǒng)代碼的精簡。裝配物元標識是智能虛擬裝配系統(tǒng)有效性及可行性的基礎(chǔ)。

3）基于裝配物元標識的人機交互平臺在輔助完成裝配的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)信息雙向交互性，使該系統(tǒng)適應更加廣泛的用戶群體，為2B-JP-FX系列排種器的研發(fā)提供了先進的虛擬仿真手段，為排種器數(shù)字化資源庫奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，同時也為其他復雜機械裝備的智能化虛擬裝配提供參考。

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Virtual assembly of man-machine interactive mechanical seed-metering device based on matter-element identification

Liu Hongxin, Jia Ru, Zhou Xingyu, Fu Lulu
（Engineering College, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China）

Abstract:Application of interactive and intelligent virtual reality assembly technology is still at the starting stage in China, especially in the field of agricultural machinery design and manufacture.In order to complete intelligent virtual assembly of complex mechanical seed-metering device, and integrate innovation achievements plus professional knowledge of the 2BJP-FX series mechanical seed-metering device with double cavity composite plate, shorten design and development cycle, the 2B-JP-FX series of mechanical seed-metering device with double cavity composite plate were studied, and the manmachine interactive virtual assembly system was proposed based on matter-element identification.The concept of assembly matter-element is proposed, which is defined as general designation of assembly levels which includes assembly reference elements, type of assembly constraints and assembly direction.All the assembly information of assembly basic element and part can be expressed completely and accurately by the information of assembly matter-element.To realize assemble matterelement information identified and extracted by the intelligent assembly system, the assembly intention captured and assembly matter-element information was encoded into semantic encoding.Encoding rules meet the characteristics of integrality, universality, characteristic, uniqueness, comprehensiveness, computability and cleanness.Then, corresponding assembly reference element should be built, and assembly matter-element encoding identified in the 3D model file, so that encoding can be extracted by program.To transform assembly information into assembly constraints, and intelligently guide automatic assembly, the intelligent assembly system based on assembly matter-element identification was designed, with Visual Basic acting as development language and CATIA software as secondary development tool, and assisted by manmachine interface.CATIA software was accessed out-of-process through VB, then the assembly matter-element identification of all components were extracted, and the rules of corresponding information extraction were formulated based on the rules of assembly the matter-element identification, thus assembly information could be extracted and integrated, and was converted to assembly constraints.To make the system function more modular and operation simple, and meet a wide range of user groups, organic combination of human cognitive and logical operations of computer, a human-computer interaction interface was set in intelligent virtual assembly system.Main function of the interface was selection of the assembly sequence and guide of assembly.Results of system test proved that the system has got anticipated results, with rapid and accurate assembly of seed-metering device 3D model.The general rules of matter-element identification assembly was obtained, which was the basis of effectiveness and feasibility of the intelligent virtual assembly system.The system can not only propose an advanced virtual simulation method for researching the 2B-JP-FX series seed-metering device, but also lay technological foundation for digital repository of seed-metering device.Meanwhile, it provides reference for intelligent virtual assembly of other complicated mechanical equipment.

Keywords:agricultural equipment; intelligent systems; mechanization; seed-metering device; intelligent virtual assembly; CATIA; human-computer interaction; matter-element identification

作者簡介：劉宏新，男，教授，博士生導師，研究方向為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備、數(shù)字化設(shè)計和CAD&CAE。哈爾濱東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，150030。Email：Lcc98@neau.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金項目（51275086）；黑龍江省博士后科研啟動基金（LBH-Q14024）

收稿日期：2015-08-24

修訂日期：2015-11-11

中圖分類號：S233.2；TP391

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6819（2016）-01-0038-08

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.005