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基于CBR与物元化模型的大豆排种器设计重用系统研究

周兴宇  
【摘要】:随着制造技术的发展,农业装备更新换代周期日益缩短,面对快速多变的市场,缩短产品设计开发周期,加快产品整体流程速度,满足用户日益多样化、个性化的需求,是提高我国农业装备生产企业竞争力的必要途径。在产品设计中90%的设计行为属于适应性设计和变型设计,即通过对已有产品的修改来满足新的设计需求。因此,实现已有产品设计知识的重用,可减少重复劳动,提高产品设计效率和质量。大豆排种器作为大豆播种机的核心工作部件,直接影响着大豆播种机的作业性能,其设计过程中包含大量的设计信息、规则和经验,但排种器的设计研发一直采用传统的经验或实验设计方法,工作效率低,设计周期长。因此,研究排种器的设计重用技术具有重要的现实意义。本文以国家重点研发计划项目“农机装备智能化设计技术研究”(2017YFD0700100)为依托,为实现大豆排种器设计知识的重用,缩短设计周期,降低设计成本,分析大豆排种器设计特点,综合运用知识工程原理及数字化设计建模、虚拟仿真和验证技术,开发大豆排种器设计重用系统。具体研究内容和结论如下:(1)设计重用系统总体框架与流程根据当前大豆排种器设计模式与排种器设计特点,提出大豆排种器设计重用系统总体框架,将设计重用系统划分为用户与管理层、交互界面层、功能层和数据资源层四个层次;确定包括知识库、模型库、实例检索、实例调用与修改、虚拟仿真与改进五个部分的排种器设计重用流程,为大豆排种器设计重用系统构建提供清晰的思路。(2)知识表示与知识库构建在对大豆排种器设计知识特点进行分析的基础上,研究排种器设计知识分类与表示方法。将排种器设计知识划分为实例类知识、规则类知识和资料类知识。采用物元化表达形式和关系矩阵对实例类知识进行表示,综合运用产生式规则表示方法、图片表示法等多种方法对规则类和资料类知识进行表示;研究排种器设计重用系统知识库的构建目标、组成结构及建库过程,进而构建包含物元化数据库和信息库的大豆排种器知识库,为排种器设计知识的重用奠定基础。(3)模型库与模型构建方法研究研究与知识库相对应的具有一定层次关系的模型库及适用于设计重用的模型构建方法。确定模型库的组织结构、模型编码规则及构建要求;研究装配体驱动层次划分、参数类别划分与命名方法、模型构建流程,提出程序驱动参数化模型的设计方法,将设计规则与约束关系蕴含于实例模型中,通过对CATIA进行二次开发及参数驱动程序编写,实现通过交互界面驱动模型变异变型设计。(4)实例检索策略研究研究大豆排种器设计重用系统实例检索策略,提取排种器关键参数作为检索参数;根据设计重用需求与检索参数特点,将检索参数划分为基本参数、匹配参数和评价参数。采用界面引导与程序判断的方法实现基本参数的匹配,从而缩小实例检索范围;利用改进的最近邻算法对匹配参数和评价参数的相似度进行计算,实现实例的相似性计算与优劣程度评价。综合运用AHP法和离差最大化法确定检索参数权重,通过加权相似度的计算确定实例的可重用性。(5)实例修改方法研究采用程序驱动参数化模型与详细设计相结合的方法对重用排种器进行修改,给出程序驱动参数化模型实例修改的物元表达模型与修改流程。根据大豆排种器设计知识,编写实例修改程序,通过对设计要求与检索到的相似实例参数进行对比,利用系统内置规则给出推荐修改参数,结合程序驱动参数化模型的建模方法,实现实例模型的初步修改;运用工程离散元方法对初步修改后的实例进行虚拟仿真,根据仿真分析结果提出改进意见,并由设计人员结合专业知识对具体结构进行详细设计。(6)系统集成与测试建立设计重用系统交互界面,研究交互界面与知识库、模型库接口的建立方法以及检索算法的实现。实现实例检索、实例模型调用与修改等功能,完成大豆排种器设计重用系统构建,并对系统进行测试。(7)样机试验为进一步验证排种器设计重用系统的可用性与实用性,对重用并改进后的排种器进行样机试验。结果表明,在7km/h作业速度下,合格指数98.0%、重播指数1.2%、漏播指数0.8%、变异系数9.7%、破损率0%。改进后的排种器作业性能得到了提高。大豆排种器设计重用系统可快速获取与设计需求相似的已有实例并进行修改,缩短设计时间,提高设计效率与质量,同时为其他类农机装备的智能化设计研究提供了技术借鉴。


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