基于Skeleton Design的脫粒裝置交互式設(shè)計系統(tǒng)研究

劉宏新 劉招金 張光甫 周麗麗

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

0 引言

設(shè)計是產(chǎn)品研發(fā)的重要環(huán)節(jié)，是企業(yè)智力資源及研發(fā)條件轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的主要形式。隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)裝備將面臨更高的設(shè)計要求[1]。大型農(nóng)業(yè)裝備聯(lián)合收獲機作業(yè)時需面對不同的作物和地域，更需要個性化的設(shè)計。目前，聯(lián)合收獲機設(shè)計在很大程度上依賴于設(shè)計人員的工作經(jīng)驗。盡管有學(xué)者提出將智能CAD(Computer aided design)用于聯(lián)合收獲機設(shè)計[2-4]，但在實際應(yīng)用中，此類復(fù)雜設(shè)計的機械產(chǎn)品很難完全依賴規(guī)則和模型來解決設(shè)計中的問題。

目前，農(nóng)業(yè)裝備先進設(shè)計正逐漸演變成一個知識密集與交叉的復(fù)雜過程[5-6]，基于知識的設(shè)計方法和基于CAX與PDM(Product data management)的數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)是農(nóng)機設(shè)計智能化的重要途徑[7-8]，對提高我國農(nóng)業(yè)裝備的設(shè)計水平具有重要指導(dǎo)意義。傳統(tǒng)研發(fā)模式下的農(nóng)業(yè)裝備智能化程度不高，設(shè)計周期長、效率低、知識繼承和重用性差，且變型設(shè)計困難[9-10]。參數(shù)化設(shè)計是智能化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一[11]，可為智能化設(shè)計提供技術(shù)支持與基礎(chǔ)保障。

近年來，基于三維軟件進行參數(shù)化設(shè)計的方法被廣泛研究與應(yīng)用[12-13]，參數(shù)化設(shè)計可實現(xiàn)模型的系列化生成，提高設(shè)計效率與知識重用[14-15]。文獻[16]研究了一種基于規(guī)則轉(zhuǎn)換與變量驅(qū)動的產(chǎn)品系列化設(shè)計方法，針對參數(shù)較多的復(fù)雜產(chǎn)品，提出利用關(guān)聯(lián)關(guān)系的尺寸鏈驅(qū)動關(guān)鍵參數(shù)。LI等[17]研究了一種基于有向圖的產(chǎn)品參數(shù)化建模方法，解決了參數(shù)化建模過程中產(chǎn)品系列設(shè)計的數(shù)據(jù)沖突問題。DEMOLY等[18]通過重復(fù)建模開發(fā)了基于知識的參數(shù)化CAD模型。以上研究解決了參數(shù)化設(shè)計中的參數(shù)關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)沖突問題，但對裝配關(guān)系未能準確表達與定義。裝配體參數(shù)化的更高需求推動了對自頂向下關(guān)聯(lián)技術(shù)與參數(shù)化方法的研究。水俊峰等[19]對基于SolidWorks自頂向下裝配與參數(shù)化技術(shù)進行研究，提出以“頂層基本骨架”作為自頂向下設(shè)計時信息傳遞的橋梁，實現(xiàn)了實例裝配過程和參數(shù)化設(shè)計。常娟等[20]研究了基于NX參數(shù)化自頂向下的設(shè)計方法，將自頂向下方法和NX參數(shù)化相結(jié)合，實現(xiàn)了參數(shù)逐級傳遞、零件關(guān)聯(lián)、零部件并行設(shè)計和自動化裝配。NECDET等[21]利用三維建模技術(shù)與自頂向下建模方法，開發(fā)了一種新型的球關(guān)節(jié)參數(shù)化設(shè)計平臺。WANG等[22]結(jié)合同步建模、并行設(shè)計、協(xié)同建模技術(shù)和自頂向下裝配建模技術(shù)，設(shè)計了雙鏈傳動滾筒輸送機。以上研究解決了裝配體設(shè)計中設(shè)計參數(shù)復(fù)雜、裝配關(guān)系不明確所導(dǎo)致的參數(shù)傳遞困難、關(guān)聯(lián)關(guān)系混亂等問題，運用Skeleton Design技術(shù)，即以“頂層基本骨架”為設(shè)計核心，能充分反映裝配關(guān)系，將設(shè)計信息分層管理，提高了設(shè)計的準確性。由于農(nóng)業(yè)裝備工作環(huán)境復(fù)雜和設(shè)計要求較高，該技術(shù)手段在農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計上應(yīng)用較少。并且，該技術(shù)手段專業(yè)性強，對設(shè)計人員的專業(yè)知識及綜合素質(zhì)要求也較高。借助現(xiàn)代高端軟件接口技術(shù)和軟件開發(fā)技術(shù)，將模型、知識等數(shù)字化資源與操作平臺并聯(lián)合運用，通過人機交互的方式進行產(chǎn)品設(shè)計，可大幅降低對研究人員的專業(yè)性要求，有效提高產(chǎn)品開發(fā)的準確性與專業(yè)性。

脫粒裝置是聯(lián)合收獲機的重要部件，本文以紋桿滾筒式脫粒裝置為研究對象，研究一種交互式設(shè)計系統(tǒng)。首先，制定系統(tǒng)技術(shù)與方案，通過實例分析完成其設(shè)計過程建模與參數(shù)求解；在CATIA二次開發(fā)環(huán)境下，以Skeleton Design為設(shè)計核心，構(gòu)建骨架參數(shù)化模型。應(yīng)用Visual Studio環(huán)境下VB.NET開發(fā)語言和SQL Server數(shù)據(jù)庫管理進行系統(tǒng)集成，通過人機交互方式快速獲得結(jié)構(gòu)參數(shù)，并生成對應(yīng)參數(shù)模型。以期達到縮短設(shè)計周期、提高設(shè)計效率與準確性、降低對設(shè)計人員專業(yè)素質(zhì)要求的目的，適應(yīng)當(dāng)代農(nóng)機產(chǎn)品設(shè)計的定制化與個性化新需求，同時也為解決此類問題提供一種通用方法。

1 系統(tǒng)技術(shù)與方案

1.1 系統(tǒng)技術(shù)

1.1.1Skeleton Design參數(shù)化設(shè)計

關(guān)聯(lián)設(shè)計是CATIA軟件的主要特點，其主體思想是將設(shè)計特征與設(shè)計參數(shù)和設(shè)計輸入關(guān)聯(lián)起來，通過關(guān)聯(lián)和發(fā)布機制實現(xiàn)關(guān)聯(lián)設(shè)計。完備的關(guān)聯(lián)設(shè)計具備較強的適應(yīng)性，面對多變的總體設(shè)計要求，能夠高效、準確地做出應(yīng)變，為實現(xiàn)交互式設(shè)計系統(tǒng)提供了技術(shù)支持與可行性。

Skeleton Design是關(guān)聯(lián)設(shè)計的一種，該方法要求在產(chǎn)品設(shè)計的最初階段，按照該產(chǎn)品的最基本功能和要求，在設(shè)計頂層構(gòu)筑一個基本骨架，稱為頂層基本骨架，隨后的設(shè)計過程基本都是在該頂層基本骨架的基礎(chǔ)上進行復(fù)制、修改、細化、完善并最終完成整個設(shè)計過程。

Skeleton Design參數(shù)化設(shè)計方法相比于其他參數(shù)化設(shè)計方法，如：基于尺寸關(guān)聯(lián)參數(shù)化設(shè)計、基于規(guī)則轉(zhuǎn)換與變量驅(qū)動的產(chǎn)品系列化設(shè)計，能夠充分反映產(chǎn)品各模塊之間的位置關(guān)系，實現(xiàn)對部件的尺寸變形設(shè)計與裝配位置關(guān)系的參數(shù)化，保證參數(shù)傳遞的準確與完整，提高設(shè)計的可靠性，但該設(shè)計本身不能面向不同的用戶需求，且對設(shè)計人員專業(yè)性要求較高[23]。以Skeleton Design為基礎(chǔ)，通過人機交互的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)面向用戶需求的設(shè)計。

1.1.2CATIA二次開發(fā)接口技術(shù)

設(shè)計系統(tǒng)緊緊圍繞產(chǎn)品項目的需求信息，根據(jù)項目信息進行紋桿滾筒式脫粒裝置設(shè)計，建立裝置的設(shè)計過程模型，完成裝置的全部參數(shù)分析與計算。同時應(yīng)用CATIA三維建模軟件，根據(jù)設(shè)計過程實例樹，結(jié)合Skeleton Design技術(shù)創(chuàng)建參數(shù)化模型，建立變形模塊單元。將需求信息與計算數(shù)據(jù)傳遞給基本變形模塊，由該模塊自動完成模型的參數(shù)化變形，相應(yīng)參數(shù)化設(shè)計封裝于基本變形模塊內(nèi)。基礎(chǔ)變型模塊由CATIA軟件完成，充分利用了CATIA如下特點：① 基于CATIA二次開發(fā)，達到三維模型資源雙向關(guān)聯(lián)的目的。② CATIA知識工程是知識工程與CAD軟件的集成，CATIA知識工程為參數(shù)化設(shè)計提供技術(shù)手段，將Parameters(參數(shù))、Formulas(公式)、Rules(規(guī)則)等對象直接嵌入到零部件中。③ CATIA API對象是CATIA二次開發(fā)的主要接口，通過操作這些API的方法和屬性，實現(xiàn)功能定制的CATIA軟件中的相應(yīng)操作[24]。CATIA發(fā)布機制將設(shè)計信息發(fā)布出去，方便程序獲取，便于關(guān)聯(lián)設(shè)計的有效實施。

1.2 系統(tǒng)總體方案

為降低系統(tǒng)操作用戶的專業(yè)素質(zhì)要求，實現(xiàn)準確便捷的設(shè)計過程，本文預(yù)設(shè)計操作簡便且具有通用性的脫粒裝置交互式設(shè)計系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠基于專業(yè)知識實現(xiàn)裝置的參數(shù)求解過程，且模型具備參數(shù)化變形能力，可對不同參數(shù)配置進行驅(qū)動變形，獲取滿足設(shè)計要求的模型，具有面向更廣泛用戶的通用性及普適性。脫粒裝置交互式設(shè)計系統(tǒng)的總體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案Fig.1 General system formula

在該設(shè)計系統(tǒng)中，VS環(huán)境下的VB.NET語言編程開發(fā)能力與CATIA二次開發(fā)接口技術(shù)的協(xié)調(diào)是實現(xiàn)交互式設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。現(xiàn)代的三維設(shè)計平臺普遍都提供了基于面向外界的開發(fā)環(huán)境。設(shè)計人員可以在該環(huán)境下，通過調(diào)用平臺提供的二次開發(fā)函數(shù)，實現(xiàn)向平臺發(fā)出相應(yīng)指令的操作。

通過結(jié)合CATIA二次開發(fā)接口技術(shù)與VS下的VB.NET語言開發(fā)，將知識、參數(shù)、模型等數(shù)據(jù)化資源封裝設(shè)計，通過人機交互的形式對脫粒裝置進行設(shè)計，設(shè)計對象的封裝由編程語言實現(xiàn)。在封裝的設(shè)計對象中，編程語言不僅需解決設(shè)計過程的計算問題，還需解決設(shè)計過程的推理問題，以及應(yīng)用CATIA平臺二次開發(fā)接口技術(shù)進行模型調(diào)用、產(chǎn)品設(shè)計與參數(shù)化驅(qū)動等問題。封裝的設(shè)計對象是以產(chǎn)品為設(shè)計對象的集成體，它解決了產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計全過程的技術(shù)問題。

模型庫與數(shù)據(jù)庫是實現(xiàn)編程語言開發(fā)環(huán)境下產(chǎn)品模型和設(shè)計數(shù)據(jù)共享和交換的基礎(chǔ)。其中，數(shù)據(jù)交換與共享包括：編程語言環(huán)境內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換,主要實現(xiàn)設(shè)計過程的分析與推理；編程語言環(huán)境與CATIA設(shè)計平臺二次開發(fā)環(huán)境的數(shù)據(jù)交換,主要解決參數(shù)化模型的調(diào)用、生成、驅(qū)動變形等過程。

2 實例分析與設(shè)計過程建模

設(shè)計實際是一個在問題域中動態(tài)求解的過程，如將設(shè)計過程比作一條曲線，產(chǎn)品原型只是滿足特定條件得到的曲線終點。為完成人機交互設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)計重用，需對整個設(shè)計過程進行建模，而不是僅僅對設(shè)計結(jié)果加以建模。

2.1 實例分析

根據(jù)作物是否通過脫粒裝置可分為全喂入式和半喂入式脫粒裝置兩大類。全喂入脫粒裝置按作物沿脫粒滾筒的流向又可分為切流式與軸流式兩種。切流式脫粒裝置中，作物喂入后沿滾筒的切線方向進入并流動，在此過程中由滾筒與凹板的配合作用進行脫粒。屬于此種形式的有紋桿滾筒式、釘齒滾筒式和雙滾筒式脫粒滾筒。其中，紋桿滾筒式脫粒裝置在國內(nèi)外谷物聯(lián)合收獲機上應(yīng)用的最為廣泛[25]。本文以紋桿滾筒式脫粒裝置為設(shè)計實例。設(shè)計實例可分解成一棵設(shè)計實例樹，圖2為紋桿滾筒式脫粒裝置設(shè)計實例樹。

圖2 紋桿滾筒式脫粒裝置設(shè)計實例樹Fig.2 Example tree of strip-rod drum threshing device design

2.2 設(shè)計過程分析

紋桿滾筒式脫粒裝置的工作性能受許多因素影響，如谷物喂入方式、凹板長度、凹板包角、滾筒直徑、紋桿數(shù)、凹板間隙、滾筒速度、喂入速度以及作物濕度、草谷比、雜草含量等。設(shè)計脫粒裝置過程，需根據(jù)上述因素對脫粒工作的影響，正確選擇和確定其結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)。

圖3 紋桿滾筒式脫粒裝置設(shè)計過程實例樹Fig.3 Example tree of design process of strip-rod drum threshing device

脫粒裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)包括零部件關(guān)鍵尺寸、零部件之間的裝配尺寸以及標準系列參數(shù)。關(guān)鍵尺寸指結(jié)構(gòu)設(shè)計開始時已知的結(jié)構(gòu)參數(shù)或用戶要求的參數(shù)。這些參數(shù)與產(chǎn)品的目的功能有密切關(guān)系，在設(shè)計階段通過計算或設(shè)計師交互輸入給定；裝配尺寸指由零部件裝配關(guān)系確定的參數(shù)，其設(shè)計約束一般為幾何約束，同時考慮非幾何約束，如作物種類對尺寸參數(shù)設(shè)計的影響和其不受幾何學(xué)限制的特點，為便于計算和保證系統(tǒng)的集成性，將非幾何約束條件通過程序?qū)懭朐O(shè)計過程，保證約束條件的完整性與設(shè)計可靠性；標準系列參數(shù)即標準件的尺寸系列數(shù)據(jù)(相關(guān)數(shù)據(jù)來自有關(guān)企業(yè)的產(chǎn)品目錄、設(shè)計手冊或標準)，經(jīng)收集整理后，可放入數(shù)據(jù)庫中，通過查詢程序檢索。

工作參數(shù)即產(chǎn)品在正常工作時的各項數(shù)據(jù)，脫粒裝置的工作參數(shù)包括喂入量與滾筒轉(zhuǎn)速等。

2.3 設(shè)計過程建模

與紋桿滾筒式脫粒裝置的設(shè)計實例樹相對應(yīng)，設(shè)計過程也可以分解成一棵設(shè)計過程樹，圖3為紋桿滾筒式脫粒裝置的設(shè)計過程樹。圖中清晰表述脫粒裝置的設(shè)計過程，Q為喂入量，kg/s；μ0為紋桿單位長度脫粒能力，kg/m；q0為滾筒單位長度允許承擔(dān)的喂入量，kg/(s·m)；vt為滾筒切線速度，m/s；L為滾筒長度，m；L0、L1為紋桿孔位置尺寸，mm；n為輻盤數(shù)；D為滾筒直徑，mm；Z為紋桿數(shù)；N為滾筒轉(zhuǎn)速，r/min；β為喂入作物中谷粒所占質(zhì)量的比率；qα為單位凹板面積允許負擔(dān)的喂入量，kg/(s·m2)；A為凹板面積，m2；l為凹板弧長，m；B為凹板寬度，m；α為凹板包角，(°)；δr、δc為脫粒間隙，mm；b為格板間的孔長，mm；a為篩條間距，mm；h為格板頂面高出篩條的距離，mm。對過程的描述可從目標、輸入、輸出和過程體4方面來進行[26]。

從功能、行為和結(jié)構(gòu)3方面來描述設(shè)計所要達到的目標：功能即產(chǎn)品相對于整體所能完成的某一具體功能，行為即產(chǎn)品所能達到的預(yù)期工作指標，結(jié)構(gòu)即該產(chǎn)品的具體組成結(jié)構(gòu)。

輸入和輸出是描述過程的關(guān)鍵要素。輸入包括全局輸入和中間輸入，其中，全局輸入表示整個設(shè)計的輸入，中間輸入來自其他過程輸出的中間結(jié)果；輸出描述過程的輸出，其可以是后續(xù)過程的輸入。與過程模型中的輸入與輸出相對應(yīng)，把參數(shù)分為總體參數(shù)、輔助參數(shù)、中間參數(shù)與目標參數(shù)。

過程體是過程的執(zhí)行體，它是按照特定格式表達指令的集合。

3 紋桿滾筒式脫粒裝置參數(shù)求解

3.1 紋桿滾筒參數(shù)

3.1.1生產(chǎn)率

生產(chǎn)率是聯(lián)合收獲機的重要工作參數(shù)，受諸多因素影響，如結(jié)構(gòu)尺寸、工作速度、脫粒間隙、均勻度和脫離質(zhì)量要求等[27]。采用單位長度喂入量q表示紋桿滾筒式脫粒裝置的生產(chǎn)率，q計算式為

(1)

3.1.2滾筒長度

滾筒是脫粒裝置的關(guān)鍵工作部件，它的直徑、長度和紋桿數(shù)直接影響到脫粒裝置的工作性能。

紋桿滾筒長度L主要由生產(chǎn)率決定。滾筒長度L需滿足

(2)

3.1.3紋桿型式與排列方式

紋桿有A型和D型兩種，A型僅適用于部分老式機型，需通過紋桿座將其固定在圓形輻板上，拆裝困難，功率消耗大，而D型具有彎曲型鋼斷面，紋桿尾部相當(dāng)于紋桿座，起到抓取作用，并可通過螺栓直接與幅盤連接，裝卸方便，適用于可直接安裝的多角形輻盤，因此系統(tǒng)默認選用D型紋桿進行設(shè)計，并保留A型紋桿設(shè)計選項。紋桿排列方式、根數(shù)受滾筒長度影響，選用相鄰紋桿紋路相反排列方式，同時為便于平衡，紋桿數(shù)取偶數(shù)，在JB/T 9778.2—1999標準中，谷物聯(lián)合收獲機滾筒直徑D、長度L和紋桿數(shù)Z如表1所示。

表1 谷物聯(lián)合收獲機滾筒直徑D、滾筒長度L和紋桿數(shù)Z選用標準Tab.1 Selection standard of drum diameter D, length L and number of bars Z of combine harvester

3.1.4紋桿尺寸

谷物聯(lián)合收獲機紋桿長度L、輻盤數(shù)及紋桿尺寸如表2所示。

表2 谷物聯(lián)合收獲機的紋桿長度L、輻盤數(shù)及紋桿尺寸選用標準Tab.2 Selection standards for dram length L, dram number of spokes and gran size of grain combine harvester

3.1.5滾筒轉(zhuǎn)速

滾筒轉(zhuǎn)速N計算式為

(3)

3.2 凹板參數(shù)

3.2.1凹板總體尺寸

紋桿滾筒式脫粒裝置常用凹板結(jié)構(gòu)有柵格式和沖孔式凹板。鋼板沖孔式凹板篩孔率僅25%～30%，分離率一般不超過50%，而柵格式凹板篩孔率為40%～70%，凹板分離率可高達75%～90%[27]，故系統(tǒng)默認選用應(yīng)用普遍的柵格式凹板進行設(shè)計，并保留其他類型設(shè)計選項，以適應(yīng)個性化需求。凹板面積A和凹板弧長l對脫粒裝置的脫粒和分離能力有顯著影響，其與喂入量有關(guān)，計算式為

(4)

凹板包角α計算式為

(5)

脫粒裝置包角α取值范圍為90°～120°。

格板間孔長b為30～40 mm，篩條間距a為8～15 mm，較寬時斷穗增多；格板頂面高出篩條距離h為5～15 mm，以保證脫粒和分離作用，過大易使莖稈破碎。

3.2.2滾筒切線速度與脫粒間隙

由滾筒和與之配合的凹板可知，凹板橫桿與滾筒紋桿之間有一可調(diào)的脫粒間隙，當(dāng)作物通過時，高速轉(zhuǎn)動的紋桿對穗頭進行沖擊、揉搓、振動，將籽粒脫掉。脫粒能力除了與脫粒元件的結(jié)構(gòu)形式相關(guān)外，滾筒切線速度同樣與脫粒能力有很大關(guān)系。滾筒切線速度應(yīng)小于極限速度，大于使籽粒從穗上脫開的速度。

紋桿滾筒式脫粒裝置的滾筒切線速度與脫粒間隙關(guān)系如表3所示。

表3 紋桿滾筒式脫粒裝置脫粒速度與脫粒間隙Tab.3 Threshing speed and clearance of strip-rod drum threshing device

4 參數(shù)化模型建立

4.1 Skeleton Design流程

圖4為Skeleton Design流程圖。

圖4 Skeleton Design流程圖Fig.4 Flow chart of Skeleton Design

從產(chǎn)品的空間結(jié)構(gòu)上來看，產(chǎn)品的頂層基本骨架類似于該產(chǎn)品的三維裝配布置圖，能代表產(chǎn)品的主要空間位置和空間形狀，能基本反映構(gòu)成產(chǎn)品的各個子模塊之間的拓撲關(guān)系以及其主要運行功能；然而從其自身的不斷發(fā)展以及它與后續(xù)設(shè)計的繼承和相關(guān)關(guān)系上來看，它是整個產(chǎn)品自頂向下設(shè)計過程中的核心，是各個子裝配之間相互聯(lián)系的中間橋梁和紐帶，因此在構(gòu)筑頂層基本骨架時，更注重在最初的產(chǎn)品總體布局中捕獲和抽取各子裝配體和零件間的相互關(guān)聯(lián)性和依賴性，這是頂層基本骨架思想的真正內(nèi)涵。

此外，頂層基本骨架的設(shè)計思想還可以延伸到產(chǎn)品的子裝配模型以及產(chǎn)品模具的設(shè)計中。傳統(tǒng)的裝配是零件之間的相互貼合、定位或者對齊，而自頂向下設(shè)計中的裝配卻是子裝配體及零件都裝配在同一基準即頂層基本骨架(包括基準點、線、面；空間的點、線、面或者產(chǎn)品的點、輪廓線、輪廓面等)上，最后不斷變更、發(fā)展頂層基本骨架來控制整個產(chǎn)品設(shè)計(包括設(shè)計的變更)，從而使得Skeleton Design建模靈活方便，并且易于理解和應(yīng)用，達到增強模型的知識繼承與重用性的目的。

4.2 骨架模型建立

4.2.1主骨架構(gòu)建

在一般的裝配設(shè)計中，由于裝配模型中各個子系統(tǒng)之間進行相互的引用，而導(dǎo)致循環(huán)更新從而導(dǎo)致設(shè)計失敗。但在Skeleton Design中，所有的外部參考元素都從主骨架傳遞過來，所有關(guān)聯(lián)都指向同一個方向，很好地避免了大型模型設(shè)計中的循環(huán)更新問題，保證了模型的柔韌性和健壯性。

嚴格遵守自頂向下設(shè)計原則進行骨架設(shè)計，以紋桿滾筒式脫粒裝置裝配體為例，主骨架構(gòu)建的一般過程為：

(1)首先創(chuàng)建一個新Product(紋桿滾筒式脫粒裝置)，然后在Product下新建一個名稱為Skeleton(紋桿滾筒式脫粒裝置主骨架)的Part，Skeleton(紋桿滾筒式脫粒裝置主骨架)應(yīng)當(dāng)是裝配體的第1個零件，使用Fix裝配約束，在該裝配中固定Skeleton模型，如圖5所示，為便于觀察骨架與實體的關(guān)系，保留實體部分并虛化顯示，圖中包括紋桿滾筒式脫粒裝置實體與裝置主骨架，黑色線條為骨架輪廓線。

圖5 紋桿滾筒式脫粒裝置主骨架Fig.5 Grain strip-rod drum threshing device main frame

(2)根據(jù)產(chǎn)品的復(fù)雜程度確定裝配體層次結(jié)構(gòu)，理清每一子裝配體的設(shè)計規(guī)范、限制條件，將各子裝配體、零件在空間的靜止位置或運動時的相對位置、它們之間的裝配約束關(guān)系通過基準坐標系、基準點、基準線、基準軸、基準面等基準特征反映，如圖5所示，以此構(gòu)建出產(chǎn)品的主骨架，完成產(chǎn)品從概念設(shè)計到結(jié)構(gòu)設(shè)計的映射。

(3)在產(chǎn)品模型中，除主骨架之外還可以存在多個子骨架，子骨架中的信息來自于主骨架和添加的新的相對于子裝配的驅(qū)動信息。圖6為滾筒主骨架與子骨架配置圖，子骨架在各零部件Product下，黑色粗線輪廓為主骨架——紋桿滾筒式脫粒裝置主骨架，紅色細線輪廓為紋桿滾筒骨架，藍色虛線輪廓為凹板骨架，二者為紋桿滾筒式脫粒裝置主骨架下層的子骨架。

圖6 紋桿滾筒式脫粒裝置主、子骨架配置圖Fig.6 Configuration diagram of main and subframe of strip-rod drum threshing device

4.2.2主骨架設(shè)計信息傳遞

主骨架設(shè)計信息需要被各子裝配體、零件所引用，以完成設(shè)計信息自頂向下的傳遞過程，需通過Publication機制將需要被引用的設(shè)計信息發(fā)布，使之在整個工作域內(nèi)可見。

在Publication機制中，具有相同名稱的發(fā)布元素會自動連接，可以容易地實現(xiàn)零部件的變更與替換。主骨架中發(fā)布幾何元素定義如表4所示。

表4 主骨架中發(fā)布幾何元素的定義Tab.4 Definitions of published geometric elements in main skeleton

信息發(fā)布的一般過程為：① 設(shè)定只能借用Publication元素(select as external reference only the published elements)，從而避免循環(huán)引用的現(xiàn)象產(chǎn)生。② 發(fā)布主骨架模型中信息，需對已發(fā)布的特征進行標注并命名，以方便在特征樹中找到一些特定的特征。

4.2.3實例結(jié)構(gòu)樹

根據(jù)上述設(shè)計過程，在CATIA中建立實例結(jié)構(gòu)樹，紋桿滾筒式脫粒裝置的結(jié)構(gòu)樹拓撲圖如圖7所示。

圖7 紋桿滾筒式脫粒裝置結(jié)構(gòu)樹拓撲圖Fig.7 Structure tree topology of strip-rod drum threshing device

4.3 參數(shù)化模型實體生成

將只含有基準面和坐標系的一個“空”零件與主骨架模型進行關(guān)聯(lián)，得到產(chǎn)品的裝配概念模型；將需要單獨設(shè)計的零部件與骨架模型建立適當(dāng)?shù)年P(guān)聯(lián)。建立骨架模型與主導(dǎo)零部件相結(jié)合的裝配模型。在建立好的含有產(chǎn)品骨架和關(guān)鍵零部件的裝配體中，完成零部件的設(shè)計，得到最終實體化的參數(shù)化模型。紋桿滾筒式脫粒裝置參數(shù)化模型如圖8所示。

圖8 紋桿滾筒式脫粒裝置參數(shù)化模型Fig.8 Parameterized models of strip-rod drum threshing device

5 系統(tǒng)集成與測試

為完成基于Skeleton Design的脫粒裝置交互式設(shè)計系統(tǒng)的構(gòu)建，在現(xiàn)有對紋桿式滾筒脫粒裝置所建立的參數(shù)化設(shè)計過程，以及以CATIA為載體的參數(shù)化模型單元的基礎(chǔ)上，結(jié)合Visual Studio編程軟件的開發(fā)功能與SQL Server數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)管理能力，將模型、知識、參數(shù)等數(shù)字化資源與操作平臺組織起來，聯(lián)合運用，通過人機交互的方式進行產(chǎn)品設(shè)計。

在Visual Studio下對CATIA進行二次開發(fā)，通過人機交互界面設(shè)計，輔助完成紋桿滾筒式脫粒裝置設(shè)計過程，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)的匹配關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)設(shè)計參數(shù)到結(jié)構(gòu)參數(shù)的傳遞，并可直接在系統(tǒng)界面設(shè)置參數(shù)完成模型設(shè)計與參數(shù)化變形，實現(xiàn)面向用戶的人機交互形式。

5.1 交互界面設(shè)計

設(shè)計系統(tǒng)登錄界面如圖9所示，包含用戶名、用戶密碼及類型選項，用戶類型分普通用戶與管理員。

圖9 登錄界面Fig.9 Login screen

登錄進入系統(tǒng)顯示脫粒總成目錄界面，如圖10所示，其中包含5種類型脫粒裝置，以紋桿滾筒式脫粒裝置為例。

圖10 脫粒總成目錄Fig.10 Threshing assembly catalog

進入紋桿滾筒式脫粒裝置設(shè)計模塊，并確認裝置關(guān)鍵部件設(shè)計類型進入設(shè)計界面，系統(tǒng)默認裝置組成為D型紋桿滾筒搭配柵格式凹板，確認關(guān)鍵部件類型界面如圖11所示。

圖11 裝置關(guān)鍵部件類型界面Fig.11 Interface of key component type

圖12 紋桿滾筒式脫粒裝置設(shè)計界面Fig.12 Design interface of striated bar drum threshing device

紋桿滾筒式脫粒裝置設(shè)計界面如圖12所示，通過該界面可以瀏覽設(shè)計對象基本信息和調(diào)用、驅(qū)動、保存、下載模型。

通過“參數(shù)匹配”按鈕，進行參數(shù)匹配設(shè)計，可通過輸入設(shè)計參數(shù)求解工作參數(shù)，參數(shù)匹配輔助界面對話框界面如圖13所示，通過該界面可輔助操作人員輸入紋桿滾筒式脫粒裝置的主要設(shè)計參數(shù)，包括作物種類、喂入量、滾筒單位長度允許承擔(dān)喂入量、作物性質(zhì)系數(shù)、草谷比、入口間隙和出口間隙。

圖13 參數(shù)匹配輔助界面對話框Fig.13 Parameter matching assistant interface dialog box

5.2 系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)

5.2.1設(shè)計過程程序

在VS下，將紋桿滾筒式脫粒裝置的設(shè)計過程程序化，以程序代碼運行實現(xiàn)紋桿滾筒式脫粒裝置的設(shè)計過程，程序流程圖如圖14所示。

圖14 程序流程圖Fig.14 Program flow chart

5.2.2數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)設(shè)計

選用SQL Server 2015作為后臺數(shù)據(jù)庫，通過ADO.Net實現(xiàn)SQL Server與前端開發(fā)環(huán)境之間的數(shù)據(jù)集成。在數(shù)據(jù)庫中通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)表存儲實例設(shè)計參數(shù)。設(shè)計參數(shù)的錄入、修改和刪除等操作都直接在數(shù)據(jù)庫中完成。ADO.Net訪問數(shù)據(jù)庫流程如圖15所示。

圖15 訪問數(shù)據(jù)庫流程Fig.15 Database access flow

引入命名空間代碼：

Imports System.Data.SqlClient(命名空間)

表5為系統(tǒng)應(yīng)用SQL數(shù)據(jù)庫空間下應(yīng)用對象類型列表。

代碼連接數(shù)據(jù)庫加載程序代碼

Dim cnStr As String = "Data Source=(local);Initial Catalog=脫粒模塊;Integrated Security=True"

cn = New SqlConnection(cnStr)

da = New SqlDataAdapter("select * from 紋桿滾筒式脫粒裝置", cn)

ds = New DataSet()

da.Fill(ds, "紋桿滾筒式脫粒裝置")

DataGridView1.DataSource = ds.Tables("紋桿滾筒式脫粒裝置")

表5 命名空間下應(yīng)用對象類別Tab.5 Applying object category under namespace

5.2.3CATIA二次開發(fā)接口技術(shù)

在VS下對CATIA進行二次開發(fā)時，需要對象聲明。在聲明對象時，應(yīng)指明對象類型為CATIA的某種對象，否則可能執(zhí)行出錯。

其聲明代碼如下

Imports ProductStructureTypeLib

Imports MECMOD

Imports PARTITF

Imports HybridShapeTypeLib

采用進程外編程訪問CATIA，即將CATIA作為一個OLE自動化服務(wù)器，當(dāng)外部程序通過COM接口來訪問CATIA內(nèi)部對象時，存在兩種情況，分別用CreateObject、GetObject解決，方法職能如表6所示。

表6 進程外訪問CATIA方法Tab.6 Out-of-process access to CATIA methods

參數(shù)確定后，可通過交互界面中的命令按鈕驅(qū)動模型改變參數(shù)。通過CATIA二次開發(fā)接口技術(shù)，調(diào)用CATIA目標函數(shù)發(fā)出指令，驅(qū)動模型關(guān)鍵程序代碼如下

Dim productDocument1 As INFITF.Document

productDocument1 = CATIA.ActiveDocument

Dim product1 As Product

product1 = productDocument1.Product

Dim products1 As Products

products1 = product1.Products

Dim product2 As Product

product2 = products1.Item("紋桿滾筒總成骨架")

Dim parameters1 As KnowledgewareTypeLib.Parameters

parameters1 = product1.Parameters

通過語句將DataGridView列表中數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到參數(shù)化模型結(jié)構(gòu)參數(shù)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)驅(qū)動參數(shù)的傳遞，并進行驅(qū)動。結(jié)構(gòu)參數(shù)有：L、D、L0、L1、Z、n、α、δr、δc。通過語句分別將文本框與結(jié)構(gòu)參數(shù)進行匹配賦值，并完成驅(qū)動，代碼如下

parameters1.Item("L").Value = DataGridView1.Rows(4).Cells(1).Value

parameters1.Item("D").Value = DataGridView1.Rows(8).Cells(1).Value

…(同類語句已省略)

product1.Update()

5.3 系統(tǒng)測試

登錄系統(tǒng)，進入紋桿滾筒式脫粒裝置設(shè)計界面，單擊交互界面的“打開模型”按鈕，調(diào)用現(xiàn)有模型，并顯示該模型參數(shù)配置數(shù)值，如圖16所示，用戶可根據(jù)當(dāng)前模型參數(shù)配置情況，確定后續(xù)設(shè)計過程。

圖16 參數(shù)配置顯示界面Fig.16 Parameter configuration display interface

單擊交互界面的“參數(shù)匹配”按鈕，依次彈出“作物種類”、“喂入量”、“滾筒單位長度允許承擔(dān)喂入量”、“作物性質(zhì)系數(shù)”、“草谷比”、“入口間隙”和“出口間隙”對話框，如圖17所示，依次輸入1、3、4、0.024、0.4、20和5，得到的參數(shù)結(jié)果如圖18所示。

圖17 指令對話框界面Fig.17 Instruction dialog box interface

圖18 參數(shù)匹配結(jié)果界面Fig.18 Parameter match results interface

單擊交互界面的“模型驅(qū)動”按鈕，即可根據(jù)所獲得的結(jié)構(gòu)參數(shù)，驅(qū)動參數(shù)化模型改變參數(shù)，得到滿足設(shè)計條件的產(chǎn)品模型，如圖19所示。

圖19 模型參數(shù)驅(qū)動界面Fig.19 Model parameter drive interface

驅(qū)動變形獲得滿足設(shè)計要求模型后，可通過界面按鈕進行模型保存與模型下載，界面如圖20、21所示，其中為保證模型資源的準確與完整性，僅管理員具備模型保存權(quán)限，普通用戶模式下該按鈕不生效。

完成后關(guān)閉當(dāng)前模型，并通過點擊“返回”按鈕返回上一單元。完成紋桿滾筒式脫粒裝置設(shè)計過程。

6 結(jié)論

(1)脫粒裝置交互式設(shè)計系統(tǒng)將紋桿滾筒式脫粒裝置復(fù)雜的設(shè)計過程封裝起來，借助多種軟件技術(shù)手段，將模型、參數(shù)計算等數(shù)字化資源與操作平臺組織起來，聯(lián)合運用，通過人機交互的方式進行產(chǎn)品設(shè)計。在降低研究人員專業(yè)性、提高開發(fā)產(chǎn)品準確性的同時，大大提高了工作效率，滿足當(dāng)前農(nóng)機設(shè)計的個性化需求。同時，該技術(shù)手段具備良好的通用性，可將其移植到聯(lián)合收獲機其他部件的設(shè)計中，為研究該類問題提供借鑒。

圖20 模型保存界面Fig.20 Saving model interface

圖21 文件另存下載界面Fig.21 Saving file for download interface

(2)建立紋桿滾筒式脫粒裝置的設(shè)計實例樹與設(shè)計過程樹，并從目標、輸入、輸出和過程體4方面對設(shè)計過程進行描述，實現(xiàn)設(shè)計重用。

(3)運用Skeleton Design建模方法，按照產(chǎn)品的最基本功能和要求，構(gòu)筑頂層基本骨架，利用不斷變更、發(fā)展的“頂層基本骨架”來控制整個產(chǎn)品設(shè)計，使得模型建立的靈活性與適應(yīng)性增強，并且易于理解和應(yīng)用，增強了模型的知識繼承與重用性。