复式播种单元3D模型参数化数字资源研究

刘宏新，周向荣，李 蓉，周兴宇，宋微微

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

复式播种单元3D模型参数化数字资源研究

刘宏新，周向荣，李 蓉，周兴宇，宋微微

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

为基于装配约束的部件参数化设计提供便捷准确的解决方案，深入研究在装配体中运用参数化设计的实施方法。以一种复式播种单元为研究对象，在对其进行功能模块划分的基础上，建立该播种单元的CATIA数字样机，对零部件进行参数化建模，以功能模块为单位对各零部件进行逐层参数关联，通过核心部件排种盘直径进行驱动，实现播种单元在农艺及特征结构约束与要求下的关联变化。理论研究与仿真驱动表明，核心尺寸驱动的层次化关联是产品参数化设计有效实施途径，可作为装备数字化资源库的核心基础支撑技术，也可为产品高效研发提供一种现代化的解决方案。

播种单元；3D模型；CATIA；参数化

在传统的装备研发过程中，产品创新设计集中于一个或几个零部件上，需设计人员反复查阅手册并进行大量重复性劳动，制作和绘制附属机构及所有标准件、通用件等满足整机设计要求，影响研发效率。

随着计算机技术的发展，现代3D设计应用普遍，三维应用软件日渐完善。虚拟现实特点使设计过程中产生的模型具备可重复利用与成果共享等资源属性。将3D模型通过规范其造型流程、设置主体参数、关联特征和约束，与专家系统等技术结合，通过三维应用软件的二次开发功能进行技术接口，形成一种具有面向多层次用户的可提供浏览、查询、调用、维护、扩展、智能辅助设计、选型配套专家建议等功能的数字资源库。资源库集成系统化的3D模型及专业经验，可免除大量的重复性劳动，保证设计者精力集中于关键技术创新，提高效率与水平。

国内研究目前处于起步阶段，数字化资源停留在少数3D模型的原始积累与简单调用阶段。3D软件主要用于零件造型、装配设计、工程图等基本功能模块，资源化相关研究极为有限。主要实现零件模型的一般调用与尺寸驱动，对象均为某一领域的标准件或通用件。国外对于利用3D技术建立数字资源研究仍局限于零件属性的标准件库、专用行业专用件库等，只是系统化程度相对完善。对复杂的装配体及装备系统研究以及智能辅助设计、选型配套专家建议等为特征的数字化资源库研究未见报道。

参数化设计方法是装备数字化资源库的核心支撑技术，对复杂的装配体及装备系统解决参数化设计问题，是构建系统、完整、易于系列变换、便捷优化组合的基础3D模型虚拟数据库的关键。

参数化设计将模型中的定量元素变量化，使之成为可调整的参数，对参数赋予不同数值，可得到不同大小的零部件模型，从而大大提高模型的生成和修改速度，在产品的系列化设计、相似设计中具有较大的应用价值[1]。

在实际应用中，由于参数化设计主要应用于零件中，对于部件经常采用整体零件化处理而简化参数化设计过程的方式，零件化处理后的部件模型不能准确模拟实际零部件的装配关系以及运动和结构属性。因此研究产品的参数化设计方法，有助于设计产品设计全过程的3D模型。

本文以一种复式播种单元[2]为研究对象，以该产品内部零部件间的几何装配关系为约束，规划和管理几何模型特征和参数，在CATIA环境下创建播种单元参数化三维模型，保证参数驱动过程中数据的关联性和几何拓扑关系的确定性，寻找驱动过程中频繁交互数据、复杂的数据关系，使该播种单元以最少驱动参数生成系列新模型[3]。

1 模型分析

图1为一种差径双圆盘开沟，工作部件独立仿形的播种单元总体结构。根据各部分功能的相对独立性[4]，可将该播种单元划分为五个模块：

施肥开沟模块（包括施肥开沟器9和钩形臂10）、排种模块（包括排种器7和种沟开沟器6）、覆土镇压模块（包括覆土器5和镇压器4）、主梁模块（包括主梁2、连体前座架1和后复合座架3）、仿形模块（包括施肥开沟器仿形弹簧11、平行四杆8和排种器弹簧杆12）。

图1 播种单元部件装配Fig.1 Subassembly of the seeder unit

播种单元的作业特点及用途由其组成零部件共同决定，而其改进优化或系列化则集中在少数核心部件上。就播种单元而言，核心模块是排种器[5]，通常排种器被设计成一系列不同规格以满足不同作业要求。排种器的变化会带来一系列关联变动[6]，最直接的是引起仿形模块变动，因此本文主要研究以排种器为主驱动模块，通过改变排种器的参数实现平行四杆和后弹簧杆弹簧的关联变化，保证新生成的播种单元3D模型满足农艺及结构要求。

产品的参数化设计建立在零件参数化设计的基础上，两者本质上相同[7]。但产品参数化设计在保证每个零件内部尺寸全约束前提下，还应保证零件与零件或部件间的关联[8]。装配体参数关系见图2。

图2 装配体参数化关系Fig.2 Parametric relationship of assembly

2 模型参数组织与函数关联

2.1 核心部件

播种单元的核心部件“排种器”构造如图3、4所示[9]。

2.1.1 排种盘参数化

该排种盘的主要参数有种盘直径、型孔个数和型孔尺寸[10]。同一作物的排种盘型孔结构复杂，需要专门研究设计，而型孔个数随排种盘直径变化而变化，因此选择排种盘直径为主驱动参数，对排种盘进行参数化设计。

2.1.1.1 设置软件系统环境

进行参数化设计前需要对CATIA软件进行设置，使“参数”“关系”选项能够显示在结构树上并且能够修改。修改位置在“工具”→“选项”→“常规”→“参数和测量”→“知识工程”选项卡，在“参数树形视图”区域中选择“带公式”“带值”复选框；选择“基础结构”→“零件基础结构”→“显示”选项卡，在“在结构树中显示”区域中选择所有复选框。

图3 排种器总成3D模型Fig.3 3D model of seed-metering assembly

图4 排种器总成装配图Fig.4 Assembly drawing of the seed-metering device

2.1.1.2 设置零件驱动参数

在排种盘零件（Part）条件下，在“知识工程”工具栏中单击“公式”功能图标f（x），新建一个参数类型为“长度”的自定义参数，将该参数更名为“Dz”，并将值更换为排种盘的常用直径尺寸200 mm作为初始值。该参数为排种盘零件内的辅主参数排种直径的替代参数，为方便修改操作而增设[11]。

2.1.1.3 设置参数关联

进入排种盘生成外圆特征的草图编辑工作台，右键单击圆的直径尺寸，选择“半径.1对象”→“编辑公式”，编辑公式“零件几何体凸台.1草图.1半径.1半径=Dz/2”，即完成排种盘外圆直径与设定的驱动参数的关联[12]。为保证排种盘的尺寸约束关系，对于零件设计的其他特征同样需要公式来关联尺寸，设定方法同上。排种盘关键参数如表1所示，图5为排种盘零件模型。

表1 排种盘关键参数表Table 1 The key parameters of the seed plate

图5 排种盘模型Fig.5 Seed plate model

2.1.2 排种器总成

按以上方法对其他零件进行参数化建模后，若要保证产品能够被部件主参数驱动，还需添加产品各零件辅主参数与部件主参数的关联，即进行基于装配的产品参数化设计[13]。

CATIA默认情况下参数只能在零件之内传递，如需实现零件与零件之间的参数关联，需要进行功能设置。修改位置在“工具”→“选项”→“基础结构”→“零部件基础结构”→“常规”选项卡，选择“外部参考”区域中的“保持与选定对象链接”复选框。

在排种器产品（Product）条件下，新建一个初始值为200 mm的长度参数“pzd”，该值作为排种器部件内主参数的替代，为方便修改操作而增设。根据零件间结构与配合要求，依次设置各零件辅主参数与之关联公式，如表2所示。

表2 排种器参数关系表Table 2 Key parameters of the seed-metering device

选择排种器装配体结构树中的参数“pzd”，将值改为另一直径系列240 mm，然后更新三维模型，排种盘整体尺寸随排种盘直径变化而变化。

2.2 单元装配

2.2.1 约束关系

排种器参数改变后将导致播种单元的尺寸变化，在产生最少关联变动的前提下，根据农艺及结构要求，应保证主梁距离地面高度一定，排种器播种位置固定且模型驱动变化后保持播深不变。如图1所示，在播种单元装配体中给出机架距离种沟开沟器底端的偏移约束值H，该值限制种沟开沟器在竖直方向的位移；同时限制排种器中心线到后梁的距离L以简化传动系统的变动。为满足几何关系及三维模型的正确性，解除平四杆杆系与机架的角度约束α[14]。同时设置平行四杆的杆长和铰接杆的弹簧长度的变化公式。

2.2.2 几何分析

各模块的变化会引起相邻模块的变动，因此模块重新组合之前需要进行尺寸配对以使各模块互相兼容。该播种单元中排种器模块变化带来仿形模块的相应变化，对仿形模块的平行四杆和排种器铰接杆弹簧进行几何分析，简化分析模型如图6所示，虚线为原始模型。

OA为初始的平行四杆，长度L0=440 mm，OA′为变化后的平行四杆，长度设为L1，角度α为初始平行四杆与水平线夹角，α=26°。设排种器初始直径pzd=200 mm，并且变化后pzd′＞pzd。A′B的长度为排种器中心线左半边的增量，由排种器关联公式知：

在该排种器中，A点与排种器中心孔的垂直高度超过排种盘壳体内腔的半径，因此AB的长度为排种器壳体内腔直径的变化值，由排种器关联公式知：

又因为AA′2=AB2+A′B2，所以∶

根据余弦定理可知：

将各数值代入式（5），可以得到平行四杆的杆长L1变化公式：

根据同样方法，计算出弹簧长度h的变化公式。分别在平行四杆零件模型和弹簧零件模型中将长度变化公式编辑成CATIA能够识别的公式，并注意单位的转换。转换后的公式如下：

①平行四杆的杆长变化公式：′零件几何体凸台.1草图.1长度.7长度′=sqrt（193600+5*（（′外部参数PZD′/1 mm-200)/2）**（2）-880×sqrt（5）*（（′外部参数PZD′/1 mm-200）/2）*cos（acos(1/sqrt（5））-26* PI/180））*1 mm

②弹簧长度变化公式：′弹簧2弹簧高度′= sqrt（27556+5×（（′外部参数PZD′/1 mm-200）/2）×× （2）-332×sqrt（5）×（（′外部参数PZD′/1 mm-200）/2）×cos（acos（1/sqrt（5））-63*PI/180））×1 mm

2.2.3 播种单元总体参数关联

在播种单元装配体结构树中创建一个长度型参数，命名为“PZD”，设置值为200 mm作为播种单元的初始值，并将各部件主参数与主驱动参数PZD进行数值相等的关联。该数值在本例中即是产品级主参数，因为有一定特殊性，其值与排种盘直径相等。至此，播种单元各零部件间的参数关联设置完成，播种单元模型结构树主要部分如图7所示。

图6 仿形四杆几何分析模型Fig.6 Profiling linkage geometrical model

图7 播种单元模型结构树Fig.7 Seeder unit model structure tree

3 模型应用

已通过结构及约束关联逐层次建立的播种单元模型具备更高级的数字资源属性，其可在3D软件平台中或通过第三方程序进行驱动。以主参数“PZD”值从200 mm调整到240 mm为例，单元模型更新后，平行四杆的长度与排种器仿形弹簧的长度随排种盘直径变化而变化，虚拟驱动前后的结构对比如图8所示，符合技术要求并保证农艺作业参数不变。

图8 播种单元尺寸虚拟驱动结构变化对比Fig.8 Comparison of the change of the seeder unit

4 结 论

a.以核心零件排种盘的直径为驱动参数，以投种高度和投种点位置为约束条件，能快速准确地生成不同系列的播种单元模型，并保证新生成的模型符合该播种单元特点。

b.在播种单元三维模型装配约束中释放平行四杆与主梁的夹角约束，可简化关联公式建立。

c.逐层参数化的播种单元，因各模块之间相互独立，三维设计出错机率降低，方便修改过程中寻找指定参数关系。模块划分以功能单元为基准，实现模块间相互关联前提下，应尽量减少模块之间交互的接口数。

d.选择主要模块中的核心零件作为主导零件，再从该零件中选择主要参数作为装配体的驱动参数，寻找其他零件与该参数关联关系。从每一级里增设一个主参数替代值，将所在级所有的关联参数指向该替代值，增强结构树可读性。

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Parametric digital resources research on 3D model of compound seeding unit

LIU Hongxin,ZHOU Xiangrong,LI Rong,ZHOU Xingyu,SONG Weiwei(School of Engineering,NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)

In order to provide rapid and effective solution for parametric design based on assembly constraint,studied deeply on a method for the parametric design in an assembly.Taking a compound seeding unit as an object of study,based on its module division,built a CATIA digital prototype of the seeding unit,made the parametric design on parts,made layer-by-layer parameter association for various parts by taking the module as unit,and realized the association change of the seeding unit according to agriculture and structural requirements under the drive of the diameter of a core part—seed-plate.The study shows that hierarchical relation of core dimension driver is an effective way to realize the product parametric design,which as the core and basic support technology,and provides a rapid and feasible modernized solution for product design.

seeding unit;3D model;CATIA;parametric

TH123+.3(4)

A

1005-9369（2014）12-0105-07

时间2014-12-29 9∶02∶00 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20141229.0902.008.html

刘宏新,周向荣,李蓉,等.复式播种单元3D模型参数化数字资源研究[J].东北农业大学学报,2014,45(12):105-111.

Liu Hongxin,Zhou Xiangrong,Li Rong,et al.Parametric digital resources research on 3D model of compound seeding unit [J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(12):105-111.(in Chinese with English abstract)

2014-04-06

黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12521023）

刘宏新（1971-），教授，博士，博士生导师。研究方向为农业机械化及其自动化。E-mail∶Lcc98@neau.edu.cn