農業(yè)機械數(shù)字化設計與制造技術的應用

農業(yè)機械數(shù)字化設計與制造技術的應用摘要隨著計算機輔助設計和制造技術（CAD/CAM）的發(fā)展，尤其是三維數(shù)字化CAD的廣泛應用，為工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)設計注入了新的活力。農業(yè)機械作為機械工業(yè)的一部分，存在設計制造手段傳統(tǒng)，技術創(chuàng)新能力較弱等問題，加速農機產(chǎn)品設計制造的數(shù)字化是解決農機裝備技術及質量的有力保障。關鍵詞數(shù)字化技術；設計制造；農業(yè)機械ABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFCOMPUTERAIDEDDESIGNANDCOMPUTERAIDEDMANUFACTURECAD/CAM，ESPECIALLY3DIMENSIONDIGITIZEDCADTECHNOLOGYWASUSEDABUNDANTLYANDITPROMOTEDTHEACTIVITIESOFTHEINDUSTRYPRODUCTDESIGNASAPARTOFMACHINERYINDUSTRY,INAGRICULTUREMACHINERYTHEREEXISTEDSOMEPROBLEMSSUCHASOLDDESIGNMETHODANDWEAKCREATECAPABILITY,TOSPEEDTHEDIGITIZATIONOFAGRICULTUREMACHINERYDESIGNANDMANUFACTURECOULDIMPROVETHEQUALITYANDTECHNOLOGYOFITSEQUIPMENTKEYWORDSDIGITIZEDDESIGNTECHNOLOGYDIGITIZEDMANUFACTURETECHNOLOGYAGRICULTUREMACHINERY引言隨著現(xiàn)代科學技術的進步和高效農業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代農業(yè)加速向“數(shù)字”農業(yè)和“精確”農業(yè)發(fā)展。數(shù)字農業(yè)的發(fā)展將逐步實現(xiàn)農業(yè)生產(chǎn)的精確化、遠程化、自動化和虛擬化，它將極大地解放農業(yè)生產(chǎn)力，改變農業(yè)作業(yè)模式，實現(xiàn)農業(yè)生產(chǎn)質的飛躍。數(shù)字農業(yè)是以現(xiàn)代信息技術和農業(yè)工程技術為支撐，用數(shù)字化技術對農業(yè)所涉及的對象和全過程進行數(shù)字化和可視化表達、設計、控制、管理的現(xiàn)代農業(yè)高新技術體系，是一種全新的農業(yè)生產(chǎn)方式。數(shù)字農業(yè)將工業(yè)可控生產(chǎn)和計算機輔助設計的思想引入農業(yè)，把信息技術作為農業(yè)生產(chǎn)力的重要要素，參與到農業(yè)各個環(huán)節(jié)中，是今后我國實現(xiàn)農業(yè)信息化跨越發(fā)展的突破口1。與國外相比，我國農業(yè)機械化發(fā)展相對落后。農業(yè)勞動者創(chuàng)造的農業(yè)增加值，僅相當于美國、法國的1/10，加拿大、英國、澳大利亞、日本的1/6。機械化生產(chǎn)程度較低，許多方面的機械化生產(chǎn)還是空白。當前，我國農業(yè)已開始由傳統(tǒng)農業(yè)向現(xiàn)代農業(yè)轉變，進入了建設現(xiàn)代農業(yè)的新階段?，F(xiàn)代農業(yè)是以農機裝備為基礎的農業(yè)，農業(yè)機械化總體水平高低是衡量一個國家農業(yè)現(xiàn)代化程度的重要標志。目前，我國農業(yè)機械化水平還不適應發(fā)展農業(yè)產(chǎn)業(yè)化和建設現(xiàn)代農業(yè)的要求。特別是農機化技術儲備、技術創(chuàng)新能力較弱，經(jīng)濟作物生產(chǎn)機械化技術短缺，不能適應農業(yè)結構調整的客觀要求。我國的農業(yè)機械工業(yè)面臨著良好的發(fā)展機遇和嚴峻的挑戰(zhàn)。隨著農村產(chǎn)業(yè)結構調整和農村勞動力向二、三產(chǎn)業(yè)轉移步伐加快，一些地方出現(xiàn)了有效勞動力供給不足，爭勞力、搶農時的矛盾比較突出。一些經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)已開始推進農業(yè)生產(chǎn)全程機械化，傳統(tǒng)農業(yè)的生產(chǎn)方式已發(fā)生根本性的改變，以適應農村城鎮(zhèn)化、工業(yè)化和現(xiàn)代化的新要求；隨著優(yōu)勢農產(chǎn)品區(qū)域布局的形成和農業(yè)產(chǎn)業(yè)帶、種植業(yè)大戶的興起，農業(yè)產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營、標準化生產(chǎn)、規(guī)?；鳂I(yè)和社會化服務水平的提高，將主要依靠農機承擔農業(yè)勞動量。通過發(fā)展農業(yè)機械化，不僅使農民有條件分享工業(yè)化、現(xiàn)代化帶來的成果，還促進了農業(yè)節(jié)本增效，增加農民收入，帶動相關農機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展2。我國當前農機工業(yè)發(fā)展勢頭較好，但是也有很問題急需解決，如目前農業(yè)機械的高端產(chǎn)品研制生產(chǎn)仍然停滯不前，國內制造企業(yè)雖有了較大進步，但制造水平與產(chǎn)品開發(fā)能力仍然需要大幅提高。數(shù)字化設計制造技術將是解決農業(yè)機械裝備研制和生產(chǎn)問題的主要途徑之一。1數(shù)字化設計制造技術概述“數(shù)字化”（DIGITAL）是指信息（計算機）領域的數(shù)字（二進制）技術向人類生活各個領域全面推進的過程?！皵?shù)字化設計與制造技術”是指利用計算機軟硬件及網(wǎng)絡環(huán)境，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)全過程的一種技術，即在網(wǎng)絡和計算機輔助下通過產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，全面模擬產(chǎn)品的設計、分析、裝配、制造等過程。數(shù)字化設計與制造不僅貫穿企業(yè)生產(chǎn)的全過程，而且涉及企業(yè)的設備布置、物流物料、生產(chǎn)計劃、成本分析等多個方面3。數(shù)字化設計與制造技術的應用可以大大提高農業(yè)機械產(chǎn)品開發(fā)能力、縮短產(chǎn)品研制周期、降低開發(fā)成本、實現(xiàn)最佳設計目標和企業(yè)間的協(xié)作，使企業(yè)能在最短時間內組織全球范圍的設計制造資源共同開發(fā)出新產(chǎn)品，大大提高企業(yè)的競爭能力。數(shù)字化設計與制造技術集成了現(xiàn)代設計制造過程中的多項先進技術，包括三維建模、裝配分析、優(yōu)化設計、系統(tǒng)集成、產(chǎn)品信息管理、虛擬設計與制造、多媒體和網(wǎng)絡通訊等，是一項多學科的綜合技術。涉及的主要內容有11CAD/CAE/CAPP/CAM/PDMCAD/CAE/CAPP/CAM分別是計算機輔助設計、計算機輔助工程、計算機輔助工藝過程設計和計算機輔助制造的英文縮寫，它們是制造業(yè)信息化中數(shù)字化設計與制造技術的核心，是實現(xiàn)計算機輔助產(chǎn)品開發(fā)的主要工具。PDM技術集成是管理與產(chǎn)品有關的信息、過程及人與組織，實現(xiàn)分布環(huán)境中的數(shù)據(jù)共享，為異構計算機環(huán)境提供了集成應用平臺，從而支持CAD/CAPP/CAM/CAE系統(tǒng)過程的實現(xiàn)4。12異地、協(xié)同設計在因特網(wǎng)/企業(yè)內部網(wǎng)的環(huán)境中，進行產(chǎn)品定義與建模、產(chǎn)品分析與設計、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理及產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換等，異地、協(xié)同設計系統(tǒng)在網(wǎng)絡設計環(huán)境下為多人、異地實施產(chǎn)品協(xié)同開發(fā)提供支持工具。13基于知識的設計將產(chǎn)品設計過程中需要用到的各類知識、資源和工具融到基于知識的設計（或CAD）系統(tǒng)之中，支持產(chǎn)品的設計過程，是實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)的重要工具。設計知識包括產(chǎn)品設計原理、設計經(jīng)驗、既有設計示例和設計手冊/設計標準/設計規(guī)范等，設計資源包括材料、標準件、既有零部件和工藝裝備等資源。14虛擬設計、虛擬制造綜合利用建模、分析、仿真以及虛擬現(xiàn)實等技術和工具，在網(wǎng)絡支持下，采用群組協(xié)同工作，通過模型來模擬和預估產(chǎn)品功能、性能、可裝配性、可加工性等各方面可能存在的問題，實現(xiàn)產(chǎn)品設計、制造的本質過程，包括產(chǎn)品的設計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質量檢驗，并進行過程管理與控制等。15概念設計、工業(yè)設計概念設計是設計過程的早期階段，其目標是獲得產(chǎn)品的基本形或形狀。廣義的概念設計應包括從產(chǎn)品的需求分析到詳細設計之前的設計過程，如功能設計、原理設計、形狀設計、布局設計和初步的結構設計。從工業(yè)設計角度看，概念設計是指在產(chǎn)品的功能和原理基本確定的情況下，產(chǎn)品外觀造型的設計過程，主要包括布局設計、形狀設計和人機工程設計。計算機輔助概念設計和工業(yè)設計以知識為核心，實現(xiàn)形態(tài)、色彩、宜人性等方面的設計，將計算機與設計人員的創(chuàng)造性思維、審美能力和綜合分析能力相結合，是實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的重要手段5。16綠色設計是面向環(huán)保的設計（DFE，DESIGNFORENVIRONMENT），包括支持資源和能源的優(yōu)化利用、污染的防止和處理、資源的回收再利用和廢棄物處理等諸多環(huán)節(jié)的設計，是支持綠色產(chǎn)品開發(fā)、實現(xiàn)產(chǎn)品綠色制造，促進企業(yè)和社會可持續(xù)發(fā)展的重要工具。17并行設計以并行工程模式替代傳統(tǒng)的串行式產(chǎn)品開發(fā)模式，使得在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段就能很好地考慮后續(xù)活動的需求，以提高產(chǎn)品開發(fā)的一次成功率。數(shù)字化設計與制造技術中各組成部分作為獨立的系統(tǒng)，已在生產(chǎn)中得到了廣泛的應用，不僅大大提高了產(chǎn)品設計的效率，更新了傳統(tǒng)的設計思想，降低了產(chǎn)品的成本，增強了企業(yè)及其產(chǎn)品在市場上的競爭力，還在企業(yè)新的設計和生產(chǎn)技術管理體制建設中起到了很大作用。數(shù)字化設計與制造技術已成為企業(yè)保持競爭優(yōu)勢，實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)、進行企業(yè)間協(xié)作的重要手段6，7。2智能CAD技術與農機產(chǎn)品設計21智能CAD技術隨著工業(yè)技術的發(fā)展和激烈的市場競爭，產(chǎn)品更新?lián)Q代越來越快，產(chǎn)品的設計周期越來越短，現(xiàn)代CAD技術也在沿著信息集成過程集成企業(yè)集成的道路發(fā)展。傳統(tǒng)的CAD技術以計算為基礎，處理符號推理（方案設計、評價、決策、結構設計等）工作很困難，在農業(yè)機械設計工作中符號推理有著舉足輕重的地位，因此必須引入人工智能方法，采用專家系統(tǒng)技術，發(fā)展智能CAD（INTELLIGENTCAD,ICAD）技術，以適應創(chuàng)造性設計的要求。ICAD是一種由多個智能體（或稱專家系統(tǒng)）與多種CAD功能模塊有機集成的支持產(chǎn)品設計的復雜系統(tǒng)8。ICAD技術主要研究3個方面問題設計知識的表示與建模方法、知識利用和ICAD體系結構。方案設計（或稱概念設計）與支持變型設計的裝配建模是ICAD技術中的兩個重要環(huán)節(jié)9。在農業(yè)機械設計中引入ICAD技術，可以解決農業(yè)機械企業(yè)中重復性設計多、信息資源利用率低的難題，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，具有巨大的經(jīng)濟效益和應用前景。22農業(yè)機械設計領域的特點由于目前農機企業(yè)普遍采用傳統(tǒng)設計方法，在應用現(xiàn)代設計方法上遠遠落后于航天、汽車等其他行業(yè)，農機企業(yè)之間重復性設計多，企業(yè)信息資源利用率低，造成農機產(chǎn)品型號雜、產(chǎn)品標準化程度較低，產(chǎn)品質量提上不去，影響企業(yè)效益。農業(yè)機械設計領域的特點結構類型多、型號多。例如在播種機設計中，根據(jù)作物品種和農藝特點劃分，有條播機、穴播機和精密播種機等；按工作原理又分為機械式播種機和氣力式播種機等；按作業(yè)幅寬和配套動力又可分為單體播種機、2行、4行、6行、8行播種機等10。功能結構比較穩(wěn)定、結構復雜程度較小。播種機一般由機架、地輪、傳動系統(tǒng)、排種單體、開溝器、施肥器、覆土器和鎮(zhèn)壓器等組成，不同型號的播種機采用的部件類型和結構參數(shù)有區(qū)別，但產(chǎn)品功能基本相同。這種結構穩(wěn)定性非常便于采用模塊化變型設計技術和參數(shù)設計技術。農業(yè)機械試驗受季節(jié)性影響大、研究開發(fā)周期長，采用ICAD技術更能縮短產(chǎn)品研究開發(fā)周期，節(jié)約成本。23基于參數(shù)設計和裝配模型的智能設計框架從上述農機企業(yè)特點可以看出，采用基于實例推理的模塊化參數(shù)設計和變量設計技術可以大大提高農產(chǎn)品設計效率和設計水平，提高農機產(chǎn)品和企業(yè)的競爭力?；趨?shù)設計和裝配模型的智能設計框架，為解決ICAD技術中存在的問題提供一種新思路。裝配模型通過建立零部件之間的幾何模型及其裝配信息表達并維持設計意圖、產(chǎn)品原理和功能，是一種支持概念設計和變型設計的產(chǎn)品模型，而實例推理技術CBR以過去解決某類問題的成熟方案為基礎來解決相似問題提供了一種行之有效的方法，實例庫是組織已有技術的基礎11。基于參數(shù)化設計技術和裝配模型的智能設計框架的特點概念建模和變型設計方法密切相關；裝配模型是實例推理的基礎，CBR是智能設計系統(tǒng)的核心，裝配建模是在CBR運行中實現(xiàn)的，使裝配建模大量重用已有資源5。3數(shù)字化制造技術與農業(yè)裝備制造上世紀40年代末數(shù)字計算機誕生，不久就被試用于控制加工機床的加工運動，這就是數(shù)字控制機床。歷經(jīng)半個世紀的發(fā)展和應用，數(shù)控機床技術水平及擁有量已經(jīng)成為一個國家制造能力的重要標志。目前在發(fā)達國家，數(shù)字化制造技術與產(chǎn)品已經(jīng)成為提高企業(yè)和產(chǎn)品競爭力的重要手段。近半個世紀，特別是近三十年來，隨著信息技術的迅速發(fā)展，信息技術與制造技術相融合，使制造日益走向數(shù)字化，制造技術發(fā)展日益加快。在發(fā)達國家的大型企業(yè)中，已實現(xiàn)無圖紙生產(chǎn)，廣泛使用CAD/CAM，實現(xiàn)100數(shù)字化設計。制造過程技術在快速成型、并