曾心玥,賴慶輝,賈廣鑫,趙瑾汶,劉志迎

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

排種器是精密播種機(jī)的核心部件，窩眼輪式排種器是精密播種機(jī)最常用的排種器之一。排種器設(shè)計(jì)包含對(duì)充種過(guò)程分析、關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)和試驗(yàn)分析等步驟，其中涵蓋大量復(fù)雜的公式計(jì)算及力學(xué)分析，導(dǎo)致傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法效率低、工作量大、研制周期冗長(zhǎng)且成本高[1]，因此亟待尋找新的設(shè)計(jì)方法以改善排種器的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀。

在制造業(yè)信息化進(jìn)程的不斷推進(jìn)中，知識(shí)是企業(yè)贏得競(jìng)爭(zhēng)和獲取利潤(rùn)的關(guān)鍵要素[2]，設(shè)計(jì)是企業(yè)研發(fā)產(chǎn)品的重要環(huán)節(jié)。用知識(shí)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助，可以提高設(shè)計(jì)效率、降低產(chǎn)品研發(fā)成本、縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期[3-7]，為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該方法展開(kāi)了不同程度的研究。在國(guó)外，Stenholm等[7]在康斯堡汽車公司建立了汽車設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了公司員工設(shè)計(jì)汽車知識(shí)共享，縮短了汽車產(chǎn)品上市時(shí)間；Mun等[8]在二維模型快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中,使用宏參數(shù)方法更改二維模型的標(biāo)準(zhǔn)建模命令，彌補(bǔ)了二維模型快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)目前只能進(jìn)行模型參數(shù)編輯的缺陷；Sandberg等[9]利用噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)知識(shí)建立了自動(dòng)設(shè)計(jì)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)三維模型系統(tǒng)。查閱文獻(xiàn)可知，國(guó)外學(xué)者主要是對(duì)快速設(shè)計(jì)相關(guān)軟件開(kāi)發(fā)和方法創(chuàng)新的研究。在國(guó)內(nèi)，王建吉[10]利用知識(shí)工程建立知識(shí)庫(kù)，用參數(shù)驅(qū)動(dòng)拉刀的設(shè)計(jì)；陳金峰等[11]提出將知識(shí)工程與船舶構(gòu)件設(shè)計(jì)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)的重用與共享；鐘崴等[12]對(duì)鍋爐設(shè)計(jì)建立了專用的快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)，填補(bǔ)了快速設(shè)計(jì)方法在鍋爐領(lǐng)域應(yīng)用上的空白；鄭偉[13]通過(guò)對(duì)VB、AutoCAD和Matlab/Simulink的耦合，運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)、讀取和調(diào)用，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)缸內(nèi)工作過(guò)程計(jì)算、分析以及對(duì)機(jī)體構(gòu)造CAD繪圖的一體化運(yùn)行；陳思棟[14]提出了知識(shí)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(jì)出一款履帶式排灌車樣機(jī)，為降低開(kāi)發(fā)成本提供了新的途徑。其他國(guó)內(nèi)學(xué)者還在航空、注塑模、特征零件、機(jī)械產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)和鋁型材擠壓模具領(lǐng)域[15-19]，進(jìn)行了基于知識(shí)的快速設(shè)計(jì)方法的研究與探索。但在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域相關(guān)研究相對(duì)較少，僅杜劉林[20]對(duì)甘蔗收獲機(jī)械快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化；李長(zhǎng)林[21]利用知識(shí)工程構(gòu)建了輪式聯(lián)合收割機(jī)底盤傳動(dòng)系設(shè)計(jì)平臺(tái)，有效提高了農(nóng)機(jī)底盤的設(shè)計(jì)效率。還有一些學(xué)者對(duì)拖拉機(jī)關(guān)鍵部件開(kāi)展了快速設(shè)計(jì)方法的研究，如石小龍[22]對(duì)拖拉機(jī)變速箱快速設(shè)計(jì)技術(shù)展開(kāi)了研究，廖萍等[23]對(duì)拖拉機(jī)前驅(qū)動(dòng)橋快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。此外，也有學(xué)者將基于知識(shí)的快速設(shè)計(jì)方法運(yùn)用在收獲機(jī)設(shè)計(jì)上，朱忠祥等[24]對(duì)聯(lián)合收割底盤進(jìn)行了虛擬裝配系統(tǒng)搭建，謝斌等[25]對(duì)聯(lián)合收割機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了虛擬樣機(jī)仿真，安晶玉[26]對(duì)聯(lián)合收割機(jī)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件接口技術(shù)與方法進(jìn)行了研究，陳雨等[27]對(duì)輪式收獲機(jī)變速箱進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)，宋正河等[28]對(duì)履帶式收獲機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)快速設(shè)計(jì)的推理方法進(jìn)行了研究，畢淑琴等[29]對(duì)履帶式聯(lián)合收割機(jī)傳動(dòng)系設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行了構(gòu)建。這些基于知識(shí)的快速設(shè)計(jì)方法不僅使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化，設(shè)計(jì)成本降低，還實(shí)現(xiàn)知識(shí)的重用與共享，開(kāi)創(chuàng)人機(jī)共同思考的新時(shí)代。但綜觀目前的有關(guān)研究，作為播種機(jī)的關(guān)鍵部件排種器的快速設(shè)計(jì)卻鮮有相關(guān)研究報(bào)道。

因此，本研究提出一種基于知識(shí)的窩眼輪式排種器快速設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)窩眼輪式排種器快速設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，并用EDEM仿真試驗(yàn)驗(yàn)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(jì)提供支持。

1 知識(shí)庫(kù)知識(shí)的獲取與存儲(chǔ)

1.1 窩眼輪式排種器的知識(shí)表示

1.1.1 知識(shí)的獲取及分類 知識(shí)獲取是建立知識(shí)庫(kù)的關(guān)鍵技術(shù)之一[29]，知識(shí)表示和知識(shí)庫(kù)的建立是在獲取知識(shí)的前提下完成的。窩眼輪式排種器相關(guān)知識(shí)可分為公式類知識(shí)、設(shè)計(jì)規(guī)則類知識(shí)、案例類知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)型知識(shí)和選型 類知識(shí)5大類，獲取這5類知識(shí)主要通過(guò)3個(gè)途徑:一是設(shè)計(jì)人員從相關(guān)領(lǐng)域的專家那里獲取相關(guān)的知識(shí)，且以正確的形式存儲(chǔ)到知識(shí)庫(kù)當(dāng)中；二是知識(shí)編輯器提供一個(gè)對(duì)話界面，相關(guān)領(lǐng)域的專家按照要求將自己的知識(shí)由知識(shí)編輯器存入知識(shí)庫(kù)當(dāng)中；三是通過(guò)知識(shí)學(xué)習(xí)器自動(dòng)獲取知識(shí)[30]。通過(guò)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(jì)及裝配的知識(shí)，為建立知識(shí)庫(kù)奠定基礎(chǔ)，其框架如圖1所示。

1.1.2 知識(shí)表示 用知識(shí)表示方法表達(dá)獲取知識(shí)，是知識(shí)庫(kù)建立的第二步驟。知識(shí)表達(dá)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(yǔ)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(jì)規(guī)則類知識(shí)、案例類知識(shí)及零部件結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系的集成如圖2所示。針對(duì)以往設(shè)計(jì)出的案例，其知識(shí)用特征向量的方法來(lái)表示：先基于窩眼輪式排種器案例構(gòu)建結(jié)構(gòu)樹(shù)，然后針對(duì)單個(gè)案例用n個(gè)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(gè)向量。

1.2 窩眼輪式排種器知識(shí)的存儲(chǔ)

收集知識(shí)的存儲(chǔ)是以一種計(jì)算機(jī)能識(shí)別的語(yǔ)言對(duì)設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行描述和整理，為計(jì)算機(jī)后續(xù)工作提供理論支撐。本研究將所獲取的知識(shí)存儲(chǔ)在SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。

1.2.1 公式類和設(shè)計(jì)規(guī)則類知識(shí) 在窩眼輪式排種器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，含有大量的參數(shù)推導(dǎo)、尺寸確定和校核等公式類和設(shè)計(jì)規(guī)則類知識(shí)，這些都是確定性知識(shí)。因此，本研究將該類知識(shí)以ID、名稱、公式的存儲(chǔ)格式存儲(chǔ)在SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中(圖3)，其他知識(shí)的存儲(chǔ)格式與此類似。

1.2.2 選型類知識(shí) 設(shè)計(jì)者需要對(duì)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的零部件進(jìn)行選型。本研究將國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、選型類知識(shí)存儲(chǔ)在SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，且在此類知識(shí)的存儲(chǔ)形式上對(duì)列名不作具體規(guī)定。

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

1.2.4 案例類知識(shí) 案例類知識(shí)分為整機(jī)案例和部件案例，本研究對(duì)這2種案例知識(shí)以案例ID、案例名稱、部件ID、部件名稱、數(shù)量和說(shuō)明的形式存儲(chǔ)在SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2 模塊化處理

模塊化處理過(guò)程是先將一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)分解成若干個(gè)獨(dú)立的操作子系統(tǒng)，再將分解成的子系統(tǒng)進(jìn)行組合的過(guò)程。因此，模塊化為復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供了理想的功能環(huán)境[32]。為了計(jì)算機(jī)能快速清晰地找到排種器的相關(guān)設(shè)計(jì)知識(shí)，本研究用知識(shí)樹(shù)狀圖對(duì)窩眼輪式排種器的設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行模塊化處理,結(jié)果見(jiàn)圖4。

模塊化處理后，系統(tǒng)同時(shí)對(duì)所有劃分的模塊進(jìn)行識(shí)別，獲取設(shè)計(jì)所需的所有知識(shí)，縮短了因系統(tǒng)按順序識(shí)別知識(shí)的時(shí)間。

在程序中，以樹(shù)控件來(lái)組織和應(yīng)用設(shè)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)表格的形式表達(dá)知識(shí)管理模塊(圖5)。如圖5所示，樹(shù)控件的根節(jié)點(diǎn)是窩眼輪式排種器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 窩眼輪式排種器專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 快速設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的建立

設(shè)計(jì)型的專家系統(tǒng)主要對(duì)整機(jī)機(jī)型、功能部件等進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)從需求到功能的映射，輸出設(shè)計(jì)方案[33]。首先，本研究在前期知識(shí)儲(chǔ)備中選用合理的知識(shí)表達(dá)方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)窩眼輪式排種器的特點(diǎn)，構(gòu)建設(shè)計(jì)知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)；然后對(duì)專家系統(tǒng)中推理機(jī)的推理方法進(jìn)行研究，建立總體設(shè)計(jì)推理機(jī)制；最后，采用理論分析與驗(yàn)證相結(jié)合的方法，搭建窩眼輪式排種器快速設(shè)計(jì)平臺(tái)，其總體技術(shù)路線如圖6所示。

建立快速設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)前，首先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)備、處理及提取，然后再運(yùn)用合理的知識(shí)表示方法為建立知識(shí)庫(kù)提供依托。建立專家系統(tǒng)的同時(shí)建立數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)庫(kù)和專家系統(tǒng)實(shí)時(shí)聯(lián)系，以實(shí)現(xiàn)知識(shí)庫(kù)知識(shí)的及時(shí)更新，可使專家系統(tǒng)以最快的速度設(shè)計(jì)出優(yōu)良的窩眼輪式排種器。

3.2 快速設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

窩眼輪式排種器快速設(shè)計(jì)專家系統(tǒng),在Visual Studio平臺(tái)上設(shè)計(jì)基于知識(shí)的窩眼輪式排種器設(shè)計(jì)平臺(tái)的交互界面，且利用VB.NET編程設(shè)計(jì)基于知識(shí)的窩眼輪式排種器設(shè)計(jì)平臺(tái)的交互界面，可按照用戶的設(shè)計(jì)需求，來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)。圖7為用戶進(jìn)入人機(jī)交互界面的窗口。

窩眼輪式排種器快速設(shè)計(jì)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(kù)中存儲(chǔ)的公式進(jìn)行參數(shù)計(jì)算(其代碼如圖8-a所示)，然后對(duì)庫(kù)中的排種器模型進(jìn)行調(diào)用，并進(jìn)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(kù)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(dòng)新建SolidWorks文件，打開(kāi)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(jì)專家系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，可以預(yù)覽符合用戶設(shè)計(jì)要求的排種器的三維及二維示意圖，用戶可在該平臺(tái)通過(guò)“進(jìn)入”控件連接SolidWorks界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)零部件的自動(dòng)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(jì)。實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)裝配主要代碼為：Dim Swapp As SldWolks.SldWolks //聲明SldWolks對(duì)象；Swapp=CreateObject (“SldWolks.Application”)//創(chuàng)建并返回SldWolks的對(duì)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(jì)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(jì)。為驗(yàn)證該專家系統(tǒng)是否具有可行性，以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的窩眼輪式排種器工作性能是否良好，需通過(guò)仿真驗(yàn)證對(duì)所生成的排種器的工作過(guò)程進(jìn)行分析。

3.3 快速設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)

仿真試驗(yàn)是窩眼輪式排種器快速設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)性能的重要檢驗(yàn)方法之一。通過(guò)仿真試驗(yàn)分析該系統(tǒng)生成的多個(gè)排種器的充種單粒率是否滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和作物的農(nóng)藝要求，進(jìn)而評(píng)價(jià)窩眼輪式排種器快速設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)是否可行和可靠。仿真試驗(yàn)是通過(guò)模擬排種器在工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如通過(guò)對(duì)排種器充種過(guò)程的分析，驗(yàn)證窩眼輪式排種器快速設(shè)計(jì)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(jìn)行驗(yàn)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(chǔ)為“.stl”格式。結(jié)合文獻(xiàn)[34-38]對(duì)三七、油菜、小麥3種作物種子仿真參數(shù)的標(biāo)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(dǎo)入EDEM軟件中，經(jīng)參數(shù)標(biāo)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(yàn)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(shí)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(shí)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(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為Rayleigh時(shí)間步長(zhǎng)的10%，設(shè)定仿真時(shí)間為30 s，時(shí)間步長(zhǎng)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(guò)程。驗(yàn)證試驗(yàn)中，分別設(shè)定不同排種器現(xiàn)實(shí)工作中的真實(shí)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(yàn)?zāi)M真實(shí)工作過(guò)程，其試驗(yàn)指標(biāo)為單粒率、多粒率和空粒率，計(jì)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(gè)；n2為多充孔數(shù)，個(gè)；n3為漏充孔數(shù)，個(gè)；N′為試驗(yàn)總孔數(shù)，個(gè)。

本仿真試驗(yàn)測(cè)量排種器總孔數(shù)為200個(gè)，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(wú)種子為漏充孔數(shù),計(jì)算可得相應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表2。表2表明，該快速設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)過(guò)程達(dá)到較優(yōu)狀態(tài)。由此可知該窩眼輪式排種器設(shè)計(jì)的快速設(shè)計(jì)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(jì)來(lái)展開(kāi)研究，根據(jù)窩眼輪式排種器快速設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)路線，對(duì)設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行獲取、表示和存儲(chǔ)，運(yùn)用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)建立了模型庫(kù)、規(guī)則庫(kù)、參數(shù)庫(kù)和零件庫(kù)。

2)通過(guò)Visual Studio平臺(tái)，建立窩眼輪式排種器快速設(shè)計(jì)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(jì)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(dǎo)入EDEM中進(jìn)行仿真試驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的排種器進(jìn)行性能檢驗(yàn)，證明該快速設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)具有可行性和可靠性。