虛擬制造技術在農業機械設計中的應用與發展

楊寶珍

一、虛擬制造技術在農機設計中的重要性

我國是世界著名的農業大國。全國大約有80%的農民都在從事農業生產勞動，農業生產在國民經濟中占據著非常重要地位。加強農業基礎、增加農民收入、改善農民生活條件是目前我國國民經濟的首要任務。現代化農業生產中農業機械承擔了大部分勞動量，極大地減輕了農民的勞動負擔。農業機械已經是現代農民生產勞動中不可缺少的重要勞動工具，它改進了農民勞動生產方式，極大的提高了生產效率。提高我國農業機械產品的實用性、可靠性是促進我國農業發展的重要條件之一。近幾年，虛擬樣機技術逐漸成為農業機械制造業的主要研究方向。在農業機械設計、制造、改進調試和設備運行維護中具有重要作用。農機設備新機型的現場調試過程非常復雜，具有很多非人為的不確定因素和危險性。因此，在設備調試前，建立三維模型使設計者全身心投入到三維虛擬環境中，運用數字模型從虛擬裝配到產品展示過程等多方面對產品進行具體觀察、運動仿真分析和調試改進，實現對農機設備的整體認識，初步改正設計缺陷，提高產品質量和可靠性，降低產品開發和設計成本，縮短研制周期，從而提高產品的市場競爭力。

二、 虛擬制造技術的內涵

虛擬制造技術是以虛擬現實和仿真技術為基礎，利用三維軟件實現虛擬樣機的建模，進行結構分析，對各個零部件進行建模，確定每個結構的建模順序和各個零部件的特征，優化所建模型的特征。確保在后續的設計過程中每個零部件的主要參數不發生變化，確保與其相關零部件的參數和結構不產生變化。設計人員用計算機在虛擬環境中，利用虛擬環境的可視化和可交互式探索虛擬物體功能，對產品進行設計開發、加工、裝配、動態模擬。

三、虛擬裝配

整個虛擬裝配的目的是為了檢驗產品的設計可行性以及對產品整體的性能進行模擬仿真和檢測。對裝配體的檢測主要包括間隙驗證、碰撞檢查、零部件之間空間關系有無干涉，從而避免裝配體中的零部件在空間上出現相互重疊的現象。利用對產品的外型設計、色彩設計、功能展示、成品展示和性能檢驗過程建立多方面交互的計算機數字模型，來代替實物產品的一種設計方式。它能反映設計產品的實際特性，其中包括產品外觀、運動學、動力學特性和各個零部件之間的空間關系、邏輯關系。還能進行各個零部件之間動態干涉檢查等等。設計者在計算機上對產品進行三維可視化處理，實現產品從設計、生產、裝配、調試和使用等整個生命周期，模擬在真實環境下，根據仿真結果對產品進行設計、改進和提高。

四、虛擬設計到批量生產的優勢

虛擬樣機對機械零件進行模擬仿真，將整個制造過程進行綜合分析。選出最優的產品設計方案。在傳統設計中，需要制造出幾臺樣機，進行樣機調試和性能試驗是設計中必不可少的步驟。根據試驗結果進行改進。有時候甚至需要生產多部樣機多次、反復進行各種性能測試后才能將設計的新產品投入批量生產。傳統設計方式研發過程周期長，增加了設計成本，耗資巨大。虛擬制造技術能夠使設計產品在正式生產加工之前得到檢驗，在虛擬制造環境中，工程技術人員可以模擬現實生產環境直接對設計出的產品反復進行各種仿真實驗，還可以檢查產品的各項技術性能，提高了產品設計成功率。此外，虛擬制造技術在原型庫中擁有大量類似的產品，工程技術人員在設計過程中可以將它們任意調出進行修改和應用，輕而易舉的迅速生成新的產品。在產品的設計階段就進行對產品制造全過程的虛擬集成，將產品的開發設計、生產、實驗等全過程可能出現的所有問題解決，提高產品設計制造成功率。三維設計軟件中的新建工程圖可以將建成的三維實體模型轉換成結構和尺寸標注都非常準確的二維工程圖。還可以根據生產需要生成各種側視圖、軸測圖、剖視圖、局部放大圖等。制成標準的二維工程圖用于產品的批量生產。產品的整個虛擬設計到批量生產的過程降低了成本，減少投資，縮短產品開發周期，又對難以預測、瞬息萬變的市場需求做出快速響應，形成企業強大的市場競爭優勢。

五、虛擬制造技術在農機設計中的未來發展

農業機械設計過程中利用三維設計軟件經過虛擬設計、裝配、仿真調試以及完善修改，完成了虛擬樣機的整個設計過程。虛擬制造技術是現代科學技術和生產技術發展的必然結果，是農業機械制造技術與系統發展的必然趨勢。目前，小型農用無人駕駛飛機進行空中觀察和農田灑藥等作業，無人駕駛汽車以及各種智能機器人在現代社會中的發展已經不是新鮮事物了。我相信，在未來發展中農業機械總體設計的目標也會按人類需求不斷提高，農業機械將通過三維軟件虛擬設計制造技術，在深入研究人與農機設備和勞動生產環境三個主要要素各自性能及特征的基礎上不斷發展提高，從機器整個系統的整體性能出發，在操作農用機械的過程中，設備將信息通過視覺、觸覺、聽覺等感覺器官傳輸給工作人員，工作人員將信息通過中樞神經進行處理，然后指揮操縱機器。虛擬現實設計將通過人機工程學設計出的農業機械設備將更加先進、更加符合農業生產需求，更加人性化，智能化，能夠進行獨立的、復雜的生產勞動，操作簡單，可操控性好，功能上符合農業生產要求，減輕農民勞動作業強度，外觀符合人類審美要求，增加農民在勞動中的幸福感。

（作者單位：157000 黑龍江省農業機械工程科學研究院牡丹江農業機械化研究所）