基于知识工程的旋耕机刀辊的快速设计系统研究
2020-05-18鲁超宇王凤花赖庆辉刘志迎
鲁超宇，王凤花，赖庆辉，刘志迎
(昆明理工大学农业与食品学院，云南 昆明 650500)
旋耕机有较好的碎土平地能力，是目前最常见的耕整机械。旋耕刀辊是其主要耕作部件，其性能直接影响耕作质量[1–2]。快速设计旋耕刀辊可满足用户的多样化需求，促进产品质量的提升。
基于知识工程(KBE)的智能设计在航空航天、汽车、机床等领域已有了较深入的研究[3–9]。部分针对农业机械领域的研究：李长林等[10]基于知识工程理论开发了高速插秧机底盘快速设计专家系统，将知识库、推理机和参数化模型融合一体，实现了底盘的快速设计；丁昌文等[11]开发了拖拉机的智能设计系统，实现了设计知识的重用；GUJARATHI等[12]开发了一种CAD和CAE集成的参数化模型，可以快速设计产品并进行分析。
笔者将对旋耕机刀辊设计知识分类整理并存储，建立旋耕机刀辊参数库、规则库、实例库； 通过SQL语言实现对数据库的修改、查询等操作，建立基于规则和实例相结合的混合推理法，用计算实例差异度的方式快速寻找实例库中相似实例，定位用户需求；设计用户友好的人机交互界面，利用尺寸驱动模型变更法，基于 VisualStudio 2017中的VB.NET和API方法对SolidWorks二次开发，实现输入参数驱动模型变更，开发了旋耕机刀辊快速设计系统，3~5 min即可设计出用户需求的刀辊CAD模型，旋耕机刀辊的设计效率较高。
1 旋耕机刀辊设计知识库的构建与管理
1.1 知识的获取及分类
根据刀辊的结构，将刀辊划分成刀轴、刀座、旋耕刀3个部分。目前市场上使用较多的旋耕机特征参数列于表1。将刀辊的设计知识大致分为查表类、经验类、设计规则类和实例类4类知识。
表1 旋耕机刀辊的特征参数Table 1 Parameter survey of existing common models
1) 查表类知识。主要为旋耕刀的各个参数，包括刀辊回转半径、侧切刃和正切刃起始与终点半径、工作幅宽等，由农业机械设计手册查得。
2) 经验类知识。通过参考现有机型、专家的研究设计与实践经验来确定，主要包括相邻刀座错位角度、刀座厚度、旋耕刀排列方式、旋耕刀数量的设计等。为了保证耕作效果，随着旋耕机耕幅的加大，旋耕刀数量增多，不同型号旋耕刀有不同的工作幅宽。由于每组刀座上2把旋耕刀的正切刃方向相反，故每组旋耕刀的有效工作幅宽为单个旋耕刀工作幅宽的2倍。规则排布的情况下，所有旋耕刀组工作幅宽之和大于或等于旋耕机耕幅、且无漏耕。
3) 设计规则类知识。根据耕深选择不同型号的旋耕刀；根据旋耕刀型号确定刀座间距；根据耕幅确定单侧刀辊上旋耕刀总数量和刀轴直径等设计公式。刀座间距直接决定耕作效果。不同型号的旋耕刀工作幅宽不同，所适用的刀座间距也不同。根据表1中常见旋耕机上不同型号旋耕刀的工作幅宽与刀座间距，绘制散点图，并拟合曲线，得到刀座间距与旋耕刀工作幅宽的规则公式，如图1所示。
图1 旋耕刀工作幅宽和刀座间距拟合曲线Fig.1 Fitting curve of the rotary blade seat spacing dependent on the working width
4) 实例类知识。即已有的零部件模型，在系统应用中，当现有实例符合用户需求时，可直接供用户选用；或在现有实例的基础上加以改动，达成用户需要的模型。
1.2 知识的存储与管理
将获取旋耕机刀辊的知识存储在Access数据库中，建立Visual Studio与数据库的联系，通过SQL语句对数据库数据的增减、调用、修改、查询等，实现开发平台对数据库参数的调用。如图2所示，查表类知识以旋耕刀各项参数为例；设计规则类知识、经验类知识以耕深耕幅为初始参数的公式为例；实例类知识分为零件和装配体两类。
图2 旋耕机刀辊设计知识库Fig.2 Datebase of rotary blade roller
2 设计平台的推理方法
推理方法是刀辊快速设计系统的核心，分为基于实例的推理(CBR)和基于规则的推理(RBR)。在刀辊快速设计系统中使用这2种方法相结合的混合推理法。推理流程(图3)：当用户输入需要的参数后，系统根据设计规则设计出完整的刀辊参数，并根据特定的方法检索实例库，当有符合条件的实例时，直接输出三维模型和工程图；当实例库中没有符合条件的实例时，系统则会寻找与用户需求最相似的实例，并通过二次开发的方法修改，以达成用户需求，将设计出的新实例保存到实例库中，同时还达到扩充实例库的目的。
图3 刀辊快速设计系统的推理流程Fig.3 Flow chart of system inference
2.1 基于规则的推理
刀辊各零件的具体参数均是由上层部件的特征参数推理而来，系统推理机会根据用户输入的参数对数据库进行检索并找到相对应的规则或参数，基于计算机语言完成整机参数的计算，实现系统对设计参数的自动推理。
2.2 基于实例的推理
运用最近相邻法[13]进行实用性更强、且易于程序化的差异度计算法推理。
如2个实例的总差异度
式中：wi为第i特征的权重因子；di为2个实例第i特征的差异度。
由知识库构建的设计规则可知，刀辊耕幅、耕深直接影响整个部件的结构和相邻刀座间距、单侧刀轴刀数2个特征，故将权重值安排如表2。
表2 参数与权重Table 2 Parameter and proportion
计算得到实例1与用户需求的差异度为0.228，实例2与用户需求的差异度为0.097。相比之下，选择实例2为相似实例作为进行二次开发模块的基准模型。
3 旋耕机刀辊快速设计平台的建立
3.1 SolidWorks二次开发
在利用VisualStudio对SolidWorks二次开发之前，首先需要引入 SolidWorks类型库 SolidWorks Type Library，建立二者之间的联系；其次通过在VisualStudio中添加一个类，命名为AccessHelper，来实现参数库、规则库、实例库与系统的数据交互，主要用到的有 CREATE、DELETE、ALTER、INSERT、UPDATE、SELECT、GRANT、REVOKE等SQL命令；最后新建一个exe文件，编写VB.NET程序，使得推理算法程序化，实现按照Textbox控件中的尺寸信息，自动改变模型零件的相应尺寸特征，并自动装配。主要代码和API方法如下。
Dim S wapp As Sld Works.SldWorks'声明SldWorks对象
Swapp = Cr eateObject("sldworks.application")'创建并返回SldWorks的对象引用
Swapp.OpenDoc("装配体文件路径".SLDASM,2) '获得指定路径的文件
Dim Part As Sld Works.ModelDoc2 '声明文件对象
Part = Swapp.ActiveDoc '获得目前展现的文档对象
Dim My dimension As Sld Works.Dimension '声明尺寸对象
Mydimension = Part.Parameter("对应尺寸特征名称") '获得尺寸对象的引用
Mydimension.System Value = A_size / 1000 '根据Textbox控件输入信息驱动模型变更。
…
Part.EditRebuild3() '重建模型。
3.2 系统实现
选择64位Windows 10操作系统，开发环境为VisualStudio 2017。用户通过登录界面进入系统，输入所需参数后，混合推理算法根据设计规则知识进行推理，并根据所有Textbox控件中的参数信息驱动SolidWorks模块，实现实例变更，并输出相应的设计结果，同时将设计结果存入实例库。系统界面如图4所示，在Intel i5处理器、系统内存8 GB配置环境下，完成刀辊设计仅耗时3~5 min。
图4 旋耕机刀辊快速设计系统界面Fig.4 System interface of the rotary blade roller rapid design system
