基于物元标识的人机交互式机械排种器虚拟装配

刘宏新，贾　儒，周兴宇，付露露（东北农业大学工程学院，哈尔滨150030）



基于物元标识的人机交互式机械排种器虚拟装配

刘宏新，贾儒，周兴宇，付露露
（东北农业大学工程学院，哈尔滨150030）

摘要：为实现复杂机械式排种器智能化虚拟装配，集成2B-JP-FX系列双腔复合种盘机械式精密排种器的创新成果与专业知识，缩短设计与研发周期，该文提出了一种基于装配物元标识的智能装配系统。以双腔立式复合圆盘型号排种器为具体研究对象，分析各零部件间的装配关系，明确装配物元组成，完成装配物元的语义信息编码和装配参考的建立。基于CATIA（computer aided three-dimensional interactive application计算机辅助三维交互应用）的二次开发技术，以Visual Basic为开发语言，设计一种适用于物元标识的人机交互平台，可实现对装配语义集的提取与分析，将装配语义信息转化为装配约束，智能引导完成虚拟装配。测试结果证明了该系统的可行性和有效性，为2B-JP-FX系列排种器的研发提供了先进的虚拟仿真手段，也为机械装备数字化资源库奠定了技术基础。

关键词：农业装备；智能系统；机械化；排种器；智能虚拟装配；CATIA；人机交互；物元标识

刘宏新，贾儒，周兴宇，付露露.基于物元标识的人机交互式机械排种器虚拟装配[J].农业工程学报，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

产品的装配是制造过程的关键环节，装配质量是产品性能的重要影响因素。据统计，装配成本在制造成本中的比重超过40%，装配工作量占产品制造工作总量的20%～70%[1]。为了加快产品的开发速度、快速地占领产品的市场，且随着计算机的快速发展，虚拟装配技术应运而生[2]。虚拟装配技术对优化产品设计、避免或减少物理模型制作、缩短装配周期、降低装配成本、提高装配质量和效率具有重要意义[3-4]。但利用计算机辅助设计（CAD）软件进行的虚拟装配，主要依靠用户手动添加繁琐的约束关系，并且在装配组件形状体征错误时，无法适时更新重新装配[5]，不能满足复杂机械装备数字化模型的快速装配。因此，提出了基于CAD软件二次开发的智能装配技术，为实现复杂装配体的快速虚拟装配提供一种可行的方法和高效的模式。

自该技术提出后，国内外对于智能装配技术中的人机交互、装配序列规划、装配建模、装配路径、碰撞检测及可装配性等方面进行了广泛的研究[6-10]。但是交互性和智能化的虚拟现实装配技术在国内，尤其是农业机械设计制造领域的应用还处于起步阶段。现有虚拟装配系统普遍缺乏对复杂零部件的装配情景的分析能力，难以准确预测用户的意图，导致系统智能性较差，用户认知负荷较重[11]。

本文拟以2B-JP-FX系列双腔复合种盘机械式精密排种器为对象，研究基于装配物元标识的人机交互式智能虚拟装配系统。该系列排种器利用“内部降速充填、外部组合增频”的基本理论，使机械式精密排种器的作业速度大幅提高，并衍生出多种技术型号。系列排种器能够适应现代机械化作业的高速要求，使机械式精密排种器所固有的结构简单、成本低、无附属系统的优点得以充分发挥[12]。在数字样机与仿真技术的运用过程中需要进行大量的装配工作，为集成创新成果、专业知识与研发经验，通过在CATIA （computer aided three-dimensional interactive application）环境下的二次开发，提取装配信息自动添加约束关系实现智能化虚拟装配，为该系列精密排种器的深入研发提供技术支持，同时也为复杂农业装备快速、准确的虚拟装配以及更广义的3D模型资源化提供共性基础技术。

1　装配物元标识的构建

智能虚拟装配系统的效率及有效性取决于装配信息的全面体现和清晰表达，因此装配物元标识是人机交互平台的基础，装配物元标识的流程如图1所示。

1.1装配物元的概念

为更加系统地研究复杂装配体的装配信息，提出装配物元的概念，装配物元定义为零件所属装配层次、与其有装配关系的零件、装配参考元素、装配约束类型和装配方向的统称。装配物元中所包含的信息可完整而准确的表达出装配基本元素“零件”的全部装配信息，同时也为用程序进行规范化处理奠定基础。有了装配物元的概念，就可以把虚拟环境中的装配关系看成一个复杂、相互关联的装配物元网，只要分析并提取每个零件的装配物元信息即可构建出完整的复杂装配。装配物元标识以有序的五元组：R=（A，B，C，D，E）来表达，其中，A表示该零件所属装配层次，一个零件可同属多个装配层次，B表示在相应的装配层次中与其有装配关系的零件，C表示装配参考元素，D表示装配约束类型，E表示装配方向。这5者为装配物元的5要素，这5个要素可以完整的表达装配信息。

图1　装配物元标识流程Fig.1 Identify assemble matter-element procedure

1.2语义编码规则

装配物元语义信息此处定义为虚拟环境中完成装配所需的全部信息，只有使这些物元信息抽象化、形式化、代码化、算法化，计算机才能实现对其智能处理。因此，为实现智能装配系统驱动程序识别、提取装配物元信息，捕捉装配意图，需对装配零部件间装配关系进行抽象描述[13-14]，即进行语义编码。语义编码需满足完整性、普适性、特征性、唯一性、可计算性，同时在考虑全面性的基础上，做到编码尽可能短小精简，去除冗余信息[15-16]。完成语义编码后，将编码标识在相应的零部件中，以便提取。本文中所规定的在CATIA虚拟装配环境中的装配物元及语义编码规则如表1所示，i、j、k均为正整数。

表1　装配物元及语义编码规则Table 1 Rules of assemble matter-element and semantic encoding

1.3物元标识规则

以系列排种器中2B-JP-FL-02双腔立式复合圆盘排种器为研究对象，其总成装配模型及结构如图2所示。其中左壳体1、左护种板2、左检视窗18和左挡条19构成左壳体装配；左排种盘3、右排种盘15、隔板16和柳钉17构成转子装配；右护种板4、轴承6与7、排种轴8、键9、右壳体10、右挡条11、右检视窗12和卡簧13与14构成右壳体装配[12，17]。

在CATIA中主要有6种装配约束类型，分别为：相合约束、接触约束、偏移约束、角度约束、固定和固联，用以定义各零部件几何元素之间相对几何关系的限制条件[18]。在常规的手动装配中，一般综合地应用这6种装配约束进行装配。但在智能装配系统中，很难准确预测和识别用户意图，以灵活装配。因此，为便于系统的程序驱动，以实现自动装配，将CATIA中的6种约束方式在产品设计中均转化为基准面与基准面、基准轴和基准轴之间的相合约束。相合约束命令可以适应各种类型的装配参考元素的选择，且可定义元素间的约束方向。因此，采用这种设计方法避免了在装配时可能发生的无法正确选取到所需要的约束面或约束线的情况[19]。同时需要在3D模型中建立相应的基准面和基准轴作为装配参考元素，并将相应的装配物元要素C标识在装配参考中，可省略装配物元要素D相应的装配约束类型的编码标识，缺省为相合约束。对于相合约束的方向有未定义、相同和相反3种，模型创建设计中基准面与基准面的装配约束方向均定义为相反，对于基准轴与基准轴相合约束无方向设置。因此，可省略装配物元要素E相应的装配约束类型的编码标识，缺省为相反或未定义。因此，在该系统中排种器的装配物元仅需标识A该零件所属装配层次，B在相应的装配层次中与其有装配关系的零件和C装配参考元素3个物元要素，另外两个物元要素为系统缺省。

图2　2B-JP-FL-02双腔立式复合圆盘排种器Fig.2 2B-JP-FX seed-metering device with double cavity composite plate

1.4构建实例分析

以左壳体为例，分析其装配物元信息，并进行语义编码，完成相应的标识。左壳体隶属于2个装配，即左壳体装配和总装配，2个装配为不同的装配层次，左壳体装配为子装配层次，而总装配为总装配层次。左壳体在左壳体装配中，与左护种板、左挡条和左检视窗均分别有3个相合关系的装配约束。在总装配中，与右壳体和上盖均分别有3个相合关系的装配约束，与隔板有1个相合关系的装配约束。左壳体的装配物元信息及语义编码如表2所示。

表2　左壳体装配物元信息及其语义编码Table 2 Assembly matter-element information and semantic encoding of left shell

将计数加入到编码中，以便系统快速识别和提取信息，并将编码标识在左壳体零件的文件名，即LSX2LSA3TAX3LPS3LIW3LOB3RSX3UCX3PXX1。同时，在左壳体3D模型中建立匹配的基准面和基准轴作为装配参考元素，并将表2中的装配物元的要素C编码标识在装配参考中，如图3所示。以左壳体与左护种板的装配为例，通过装配关系分析可知，需在左壳体的3D模型中建立一个基准面，两个基准轴（左护种板中需要建立对应的装配参考），创建位置如图3所示，分别命名为refLPS1，refLPS2和refLPS3。

图3　左壳体的装配参考元素的创建与标识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装配物元标识，此种方法具有普适性和全面性，同时也可保证编码最精简。并得到标识的一般规律如图4所示，其中图4a中装配层次A的第一个层次为零部件在结构树中所属的装配层次，若该零部件的同属于总装配层次中，将总装配层次的编码标识在最后，即装配层次按照从低到高的顺序编码。

图4　标识规则Fig.4　 Identification rules

2　智能虚拟装配系统的实现

2.1CATIA二次开发方式

为满足更加广泛领域用户的应用习惯与需求，实现用户化和专业化，CATIA软件为用户提供了多种开放式接口，主要包括进程内的CAA Automation API技术和进程外的CAA C++方式。其中CAA Automation API使用户自动化应用接口，它为用户提供了一种交互式的定制方式，其核心是使用外部的VB程序控制内部程序，实现用户与CATIA之间的数据交流，该方法可实现更自主化的使用效果，且相较于CAA C++方式操作更加简单，同时可以给用户提供更直观的交互界面[20-22]。因此，本文提出的智能虚拟装配系统使用Visual Basic作为开发语言。

2.2智能装配程序流程

本文提出基于装配物元标识的智能装配系统，以Visual Basic为开发语言，结合CATIA的二次开发，辅以人机交互界面，完成装配信息的提取与分析，并将信息整合转化为装配约束，实现智能引导自动装配。该装配系统完成智能装配流程如图5所示。

2.2.1CATIA的访问

通过编程来访问CATIA的对象有很多不同的方法。对于其他程序或脚本来说，CATIA只是一个OLE自动化对象服务。任何能访问COM对象的程序或脚本都能访问CATIA的对象并对其进行操作。本文采用VB对CATIA进行进程外访问，脚本利用CreateObject方法访问CATIA[20]。代码如下：

Set CATIA=CreateObject（"CATIA.Application"）

图5　智能装配流程Fig.5 Program of intelligent assembly

2.2.2装配物元标识的获取

创建FSO对象模型并利用Filesystemobject对象获取零件库内全部零件的文件名。使用GetFolder方法返回一个和指定路径中文件夹相对应的Folder对象，遍历该文件夹并利用GetBaseName方法得到文件的基本名字（无文件扩展名），将其赋值给文件名数组。

2.2.3装配层次顺序的确定

利用零件的装配物元要素A所属装配层次个数i，依据装配物元的标识规则，识别并提取出该装配体的各装配层次及其从属关系。具体程序实现过程如图6所示，最终将各装配层次的名称集赋值给相应数组。

图6　智能提取装配层次顺序流程Fig.6 Program of intelligently extraction of assembly hierarchical order

2.2.4零部件的插入

一个产品可以由若干个组件和若干个子产品组成，组件和子产品在编程接口中的类型都是Product，利用AddComponentsFromFiles方法从文件数组中添加组件，其语法为：

AddComponentsFromFiles（CATSafeArrayVariant iFilesList, CATBSTR iMethod）

其中，iFilesList为文件路径数组（包含文件扩展名），iMethod为文件类型，通常设置为*。

2.2.5装配约束的驱动

通过程序创建装配特征之间的约束关系，需要利用Constraints对象的AddBiEltCst方法创建2个元素间的约束[20]，其语法为：

AddBiEltCst（CatConstraintType iCstType，

CATIAReference iFirstElem，

CATIAReference iSecondElem）As CATIAConstraint

其中CatConstraintType为约束类型，本系统中缺省的相合约束为catCstTypeOn，iFirstElem为第一个装配参考元素，iSecondElem为第二个装配参考元素，均必须为Reference类型。本文定义装配参考元素采用Product对象的CreateReferenceFromName方法[20]，其语法为：

CreateReferenceFromName（"CATIAReference"）

其中，"CATIAReference"包含的信息有：所属装配层次，零件名称和装配参考元素。

CATIAReference的信息需要在装配物元标识中提取，利用程序提取信息的规则如表3所示，其中m为装配物元标识的总长度，并规定零件名称和装配名称均为三位英文字母。

表3　信息提取规则Table 3 Rules of information extraction

以左壳体与左护种板的第一个装配关系为例，要实现利用程序进行装配，首先需要在左壳体的装配物元标识LSX2LSA3TAX3LPS3LIW3LOB3RSX3UCX3PXX1中提取出所属装配LSA（左壳体装配），零件名称LSX（左壳体）和装配参考refLPS1，作为第一个装配参考，其代码为：

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

相应的左护种板的物元标识LPS1LSA1LSX3中提取出所属装配LSA（左壳体装配），零件名称LPS（左护种板）和装配参考refLSX1，作为第二个装配参考，其代码为：

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

创建左壳体与左护种板的第一个装配关系的代码为：

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

完成装配约束的定义后，需判断参考类型，使用TypeName函数判断该装配参考元素的类型。如该装配参考类型为HybridShapePlaneOffset（基准面），则定义Constraint的Orientation（方向）属性为catCstOrientOpposite（相反），否则不做定义。方向为相反的约束定义代码为：

oConstraint.Orientation=catCstOrientOpposite

可实现在左壳体装配（LSA）中左壳体（LSX）和左护种板（LPS）的第一个装配参考（基准面与基准面）的相合约束，方向为相反。

2.3人机交互界面

在智能虚拟装配系统中设置人机交互界面，将人和计算机结合，以便充分发挥人和计算机各自的优势，实现人的认知和计算机的逻辑运算有机结合，从而达到最优的虚拟装配效果。良好的人机交互界面能起到智能化引导的作用，使功能模块化，操作简单化，适应更广泛的用户群体[19，23]。

本系统中的人机交互主要实现两个功能：装配顺序的选择和引导完成装配。在装配顺序区域中，可以人工设置装配层次，如不做设置则默认为系统缺省；完成装配层次设置后，在引导装配区域按照子装配先进行，总装配后进行的顺序依次进行装配，完成装配后自动保存，并可以进行查看和另存为设置，确认无误后进行下一等级的装配。人机交互界面的设计如图7所示。

图7　人机交互界面的设计Fig.7 Design of man-machine interface

3　系统测试

机械式排种器虚拟装配系统测试过程中，装配顺序不做设置，为系统默认。在“引导装配”模块中，依次选择列表中的各装配层次，单击“开始装配”按钮，系统即可自动生成装配约束并完成各装配层次的装配体，第二装配层次中右壳体装配、转子装配和左壳体装配的装配结果如图8a、8b和8c所示。完成第一步中所有装配并查看无误后，单击“下一步”，完成第二步，第一装配层次的总装配的装配结果如图8d所示。由测试结果可知，该系统达到了预期效果。

图8　排种器自动装配各步骤结果Fig.8 Results of automatic assembly of seed-metering device in each step

4　结论

1）装配物元的零件装配层次、与其有装配关系的零件、装配参考元素、装配约束类型和装配方向5个要素，可以全面准确地描述装配信息。

2）为了准确预测及识别用户意图，将装配约束类型和装配方向缺省为“相合约束”和“相反”，避免了无法正确选择相应装配参考元素的情况，同时保证了物元标识和系统代码的精简。装配物元标识是智能虚拟装配系统有效性及可行性的基础。

3）基于装配物元标识的人机交互平台在辅助完成装配的同时，能够实现信息双向交互性，使该系统适应更加广泛的用户群体，为2B-JP-FX系列排种器的研发提供了先进的虚拟仿真手段，为排种器数字化资源库奠定了技术基础，同时也为其他复杂机械装备的智能化虚拟装配提供参考。

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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

作者简介：刘宏新，男，教授，博士生导师，研究方向为现代农业装备、数字化设计和CAD&CAE。哈尔滨东北农业大学工程学院，150030。Email：Lcc98@neau.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金项目（51275086）；黑龙江省博士后科研启动基金（LBH-Q14024）

收稿日期：2015-08-24

修订日期：2015-11-11

中图分类号：S233.2；TP391

文献标志码：A

文章编号：1002-6819（2016）-01-0038-08

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.005