農(nóng)機數(shù)字化設計平臺研究
——基于大數(shù)據(jù)的多媒體網(wǎng)絡

鄧文雯

(蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術學院 智慧農(nóng)業(yè)學院,江蘇 蘇州 215000)

0 引言

隨著信息技術和通信技術的發(fā)展,數(shù)字化時代正在到來。數(shù)字化技術是指利用計算機軟硬件及網(wǎng)絡、通信技術,對描述的對象進行數(shù)字定義、建模、存貯、處理、傳遞、分析及綜合優(yōu)化,從而達到精確描述和科學決策的過程和方法。數(shù)字化技術具有描述精度高、可編程、傳遞迅速、便于存貯、轉換和集成等特點,因此為各個領域的科技進步和創(chuàng)新提供了嶄新的工具。如果將數(shù)字化設計制造技術引入到農(nóng)機的設計上,對于提高農(nóng)機零部件的設計效率和設計質量具有重要的作用。

1 農(nóng)機數(shù)字化設計技術

數(shù)字化技術與傳統(tǒng)設計制造技術的結合稱為數(shù)字化設計制造技術,隨著現(xiàn)代化設計制造技術的不斷發(fā)展,數(shù)字化設計制造技術已逐漸成為設計制造業(yè)信息化中的主流技術和核心技術。數(shù)字化技術的核心是數(shù)字化設計技術,關鍵是數(shù)字化制造技術,通過數(shù)字化設計制造技術和多媒體網(wǎng)絡平臺,工程師之間及企業(yè)的各個部門之間可以通力合作。在設計過程中,為了提高設計的效率,還可以通過參數(shù)化設計方法,設計一些通用型零部件的模型,在設計時只需要輸入相關參數(shù),便可以實現(xiàn)零部件的快速建模。農(nóng)機及其零部件的數(shù)字化設計流程如圖1所示。

圖1 農(nóng)機數(shù)字化設計流程圖Fig.1 The flow chart of agricultural machinery digital design

在設計過程中,首先要確定農(nóng)機零部件的基本尺寸,然后通過參數(shù)化設計界面輸入相應的尺寸參數(shù)便可以生成三維模型;模型生成后可對模型進行運動學或者動力學仿真,還可以在數(shù)字化平臺上進行加工試制,加工過程會生成刀具加工軌跡,通過對加工過程的評價來合理地安排加工工藝,以提高農(nóng)機零部件產(chǎn)品的設計效率。

2 數(shù)字化平臺設計

在農(nóng)機數(shù)字化設計過程中,為了實現(xiàn)工程師之間及企業(yè)的各個部門之間的協(xié)作,采用基于多媒體網(wǎng)絡的交互式協(xié)同化平臺,在交流交互過程中,由于存在實時圖像和視頻的交流交互,還需要借助于大數(shù)據(jù)云平臺。在設計交互式數(shù)字化平臺時,利用多媒體設計軟件創(chuàng)建模型,利用鍵盤和鼠標對模型進行操作,如移動、旋轉和縮放等。在一些多媒體設計軟件上,將鼠標放在功能按鈕上,會有功能的簡介和提示。當交互平臺的功能創(chuàng)建完成后,可以利用多媒體軟件制成客戶端,然后利用多媒體網(wǎng)絡實現(xiàn)工程師和企業(yè)各部門之間的交流交互或者遠程交互。

農(nóng)機數(shù)字化設計過程中,由于交流交互的設計資源和內(nèi)容繁多,特別是一些設計影像和三維仿真等會占用大量的內(nèi)存,一般的服務器或者硬盤設備已經(jīng)無法承載這些龐大的數(shù)據(jù),因此借助大數(shù)據(jù)云存儲來設計平臺。基于大數(shù)據(jù)的多媒體網(wǎng)絡云服務平臺不僅可以完成交流交互資源的存儲,還可以協(xié)助完成一些平臺功能,如圖2所示。

圖2 數(shù)字化設計交互平臺功能Fig.2 The functions of digital design interactive platform

基于大數(shù)據(jù)云存儲的多媒體網(wǎng)絡平臺為數(shù)字化設計平臺提供個性化和信息化的交流交互環(huán)境,實現(xiàn)設計產(chǎn)品的展示、產(chǎn)品的三維仿真展示、產(chǎn)品效果展示,以及產(chǎn)品評價等功能。

以產(chǎn)品的參數(shù)化設計為例,在農(nóng)機蝸輪蝸桿零部件的設計上,由于SolidWorks中沒有繪制漸開線的功能,采用曲線擬合的方式構建漸開線,其數(shù)學模型為

(1)

其中,r1、r2分別是蝸桿、蝸輪的分度圓半徑,θk為漸開線上K點的展角,rk為漸開線在任意點K的向徑。

蝸輪數(shù)學模型如圖3所示。利用漸開線的計算模型,通過修剪齒廓和掃描操作可以得到齒槽,然后對齒槽進行陣列得到蝸輪。如果采用數(shù)字化設計,只需要設計一次蝸輪的計算模板,將模板以交流交互軟件的形式發(fā)送給交互端,只需輸入一些參數(shù),便可以方便地繪制出蝸輪零部件。在利用云存儲平臺時,還可以利用大數(shù)據(jù)挖掘的方法來快速的找到某個設計的相關案例,更加方便地實現(xiàn)參數(shù)化設計。

圖3 蝸輪數(shù)學模型Fig.3 The mathematical model of worm wheel

目前,數(shù)據(jù)挖掘的方法有很多種,神經(jīng)網(wǎng)絡算法和遺傳算法等是常用的數(shù)據(jù)挖掘智能算法,本次采用遺傳算法編碼的形式。假設模型計算模板庫為函數(shù)f(x,y),其邊界條件為ut-1,對模板庫進行遺傳編碼可得

(2)

利用泛函構造邊界條件,可以將數(shù)據(jù)集的邊界條件離散化。其中,泛函的二階邊界條件為

(3)

其中,R表示數(shù)據(jù)集的強加邊界,根據(jù)極小位能原理,可以構造如式(3)所示的泛函數(shù),即

(4)

引入泛函算子,則有

(5)

(6)

其中,v是一個隨機數(shù)的形式,且v∈[0,1],則數(shù)據(jù)挖掘的最終數(shù)學模型可以表達為為

(7)

在參數(shù)化計算模型數(shù)據(jù)挖掘的過程中,利用遺傳算法對數(shù)據(jù)進行可拓分析,進行分析時,由于數(shù)據(jù)量較大,因此借助于云計算服務平臺。其中,基本框架如圖4所示。

圖4 大數(shù)據(jù)云平臺服務模型框架Fig.4 The service model framework for big data cloud platform

云平臺是近年來發(fā)展起來的一種服務平臺,可以實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的存儲和共享,在農(nóng)機數(shù)字化設計過程中,可以通過大數(shù)據(jù)云平臺實現(xiàn)交流交互數(shù)據(jù)的共享。在遠程端,很多企業(yè)之間可以利用云端如Web瀏覽器對資源進行充分的利用,以請求業(yè)務數(shù)據(jù)和返回業(yè)務數(shù)據(jù)的方式,實現(xiàn)設計過程的交流和交互,也可以通過視頻會議、遠程對話、遠程效果展示、協(xié)同仿真、協(xié)同設計等方式,整合設計和人才資源,實現(xiàn)農(nóng)機的高效化和數(shù)字化設計。

3 數(shù)字化設計平臺農(nóng)機零部件設計案例

農(nóng)機零部件的參數(shù)化設計是農(nóng)機數(shù)字化設計平臺的重要組成部分,只需要輸入?yún)?shù)便可以完成零部件模型的創(chuàng)建。參數(shù)化設計也是數(shù)字化設計平臺交流交互的重要內(nèi)容,在進行零部件的設計時,工程師之間或者部門之間無需多次重復建模,創(chuàng)建一次參數(shù)化設計模板后,可以共享交流使用。以農(nóng)機蝸輪蝸桿的創(chuàng)建為例,其參數(shù)化對話框如圖5所示。

圖5 蝸桿基本參數(shù)對話框Fig.5 The basic parameters dialog box of Worm

創(chuàng)建參數(shù)化對話框時,首先要根據(jù)蝸輪蝸桿的基本畫法用建模軟件進行宏錄制,得到宏代碼后可以在VB軟件中繼續(xù)進行編程設計,如全局變量的聲明、計算結構尺寸等,然后通過編程調(diào)試便可以得到如圖6所示的可視化界面。

圖6 蝸輪基本參數(shù)對話框Fig.6 The basic parameters dialog box of turbine

蝸輪參數(shù)化的可視化對話框的創(chuàng)建和蝸桿的類似,創(chuàng)建好可視化對話框后,只需要在對話框里輸入相應的參數(shù),如模數(shù)、頭數(shù)和齒數(shù)等相關數(shù)據(jù)后,便可以設計出蝸輪蝸桿的三維模型,如圖7所示。

圖7 蝸桿三維模型Fig.7 Three-dimensional model of worm

通過數(shù)字化平臺進行參數(shù)設計可以得到如圖7所示的蝸桿模型,在創(chuàng)建模型時無需再在軟件中從底層設計,從而可以有效地提高設計效率。在數(shù)字化平臺的交互式設計時,可以通過多媒體網(wǎng)絡對可視化的參數(shù)化設計界面進行共享,在遠程端,設計師也可以方便地通過參數(shù)化界面生產(chǎn)各種農(nóng)機配件三維模型,也可以進行實時地交流和評價。

為了驗證基于多媒體網(wǎng)絡交互式數(shù)字化農(nóng)機部件設計平臺的效果,將設計周期和傳統(tǒng)軟件直接建模的方法設計周期進行了對比,如表1所示。由對比結果可以看出：采用數(shù)字化平臺可以有效地縮短設計周期,提高設計效率。

表1 設計周期統(tǒng)計Table 1 Design cycle statistics h

4 結論

為了提高農(nóng)機的設計制造效率及企業(yè)各部門或者企業(yè)之間的協(xié)同設計制造能力,將多媒體網(wǎng)絡和大數(shù)據(jù)云平臺技術引入到了農(nóng)機數(shù)字化設計平臺上,通過參數(shù)化設計和交流交互功能的使用,有效地提高了平臺的協(xié)同設計能力。為了驗證平臺的可靠性,以農(nóng)機蝸輪蝸桿的設計為例,對數(shù)字化設計平臺的設計效果進行了驗證,驗證時主要以設計周期為實驗目的。通過設計周期的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：采用數(shù)字化設計平臺可以明顯地提高設計效率,縮短設計周期,對提高農(nóng)機零部件的現(xiàn)代化設計效率具有重要的現(xiàn)實意義。