農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用研究

梁秀娟，嵇海旭

（廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，廣東 湛江 524008）

農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品具有種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易操作等特點(diǎn)，我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)機(jī)械具有非常廣闊的市場(chǎng)潛力。然而，受到傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念與設(shè)計(jì)工藝的影響，我國(guó)機(jī)械產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)水平偏低，數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，顛覆了農(nóng)業(yè)機(jī)械的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，極大地提升了農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的效率與質(zhì)量，尤其是CAD、CAE等技術(shù)，更是改變了產(chǎn)品的生命周期，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備整體設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

1 數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的內(nèi)涵與優(yōu)勢(shì)

1.1 數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的內(nèi)涵

數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)指的是一種將聲音、圖文轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，之后再轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制代碼，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息傳遞與處理的技術(shù)。在信息化時(shí)代，數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)逐漸演變成為依靠計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助的新型設(shè)計(jì)技術(shù)，故計(jì)算機(jī)是數(shù)字化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是核心。從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，即以計(jì)算機(jī)為核心構(gòu)建數(shù)字化模型，再通過(guò)數(shù)字化平臺(tái)展開產(chǎn)品研發(fā)的一種技術(shù)，數(shù)字化技術(shù)最明顯的特點(diǎn)即不需要實(shí)物模型。

1.2 數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

（1）數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)視為一種產(chǎn)品定義模型，其可以在各行業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮作用，且具有較大的發(fā)展空間；（2）數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)可進(jìn)行仿真模擬處理，不需要實(shí)物模型，因而可有效降低設(shè)計(jì)成本；（3）相比傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)形式，數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)依托數(shù)字化平臺(tái)，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)更具靈活性，不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制；（4）在數(shù)字化設(shè)計(jì)中，可以采取分工合作模式進(jìn)行多元設(shè)計(jì)，將不同板塊的設(shè)計(jì)交由不同小組同步進(jìn)行設(shè)計(jì)，整體設(shè)計(jì)更加系統(tǒng)化，提高了設(shè)計(jì)效率。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的特征與現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的特征主要體現(xiàn)在：第一，我國(guó)農(nóng)作物類型比較豐富，所以農(nóng)業(yè)機(jī)械種類繁多，例如播種機(jī)就包括條播機(jī)、精密播種機(jī)、穴播機(jī)等多個(gè)類型；第二，雖然農(nóng)業(yè)機(jī)械種類豐富多樣，但大多數(shù)功能比較簡(jiǎn)單，上手難度低，操作也比較便利。目前我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備大部分是由傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)件、鎮(zhèn)壓器、軸輪等構(gòu)件組成。這些均為數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，提供了良好基礎(chǔ)與廣闊前景。

目前，數(shù)字化設(shè)計(jì)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用技術(shù)包括CAD、CAE等技術(shù)。數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，不僅提高了設(shè)計(jì)效率，降低了設(shè)計(jì)成本，而且也極大地縮短了農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)周期，更便于達(dá)到設(shè)計(jì)要求。而且，為了給農(nóng)業(yè)機(jī)械后續(xù)維修工作提供便利，在初期設(shè)計(jì)時(shí)，更注重農(nóng)業(yè)機(jī)械的整體化設(shè)計(jì)。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的不斷提升，農(nóng)業(yè)機(jī)械的市場(chǎng)需求增加，產(chǎn)品定制需求增多，而且對(duì)產(chǎn)品的品質(zhì)要求也更加嚴(yán)格。在這一新的商業(yè)環(huán)境下，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)更應(yīng)注重?cái)?shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，必要時(shí)進(jìn)行跨部門合作，更好地展開農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模化、自動(dòng)化發(fā)展，提供保障，為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的進(jìn)一步提升，提供內(nèi)動(dòng)力。

3 數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用熱點(diǎn)

3.1 計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)

計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)簡(jiǎn)稱CAD，以現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念為基礎(chǔ)，不僅具有開放性較強(qiáng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式，而且開發(fā)程序也具有較強(qiáng)規(guī)范性。從數(shù)字技術(shù)層面來(lái)看，CAD技術(shù)在概念、任務(wù)、技術(shù)等層面均有所優(yōu)化，可以設(shè)計(jì)更多優(yōu)秀產(chǎn)品。以CAD技術(shù)為核心設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，大部分是以概念設(shè)計(jì)產(chǎn)品與構(gòu)型設(shè)計(jì)產(chǎn)品。其中，概念設(shè)計(jì)即制定產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的具體內(nèi)容，而構(gòu)型設(shè)計(jì)即明確具體細(xì)節(jié)。

3.2 虛擬原型技術(shù)

虛擬原型技術(shù)簡(jiǎn)稱VR是最近5年內(nèi)數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的翹楚，得到了設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重點(diǎn)關(guān)注。VR技術(shù)是在CAD、CAM、CAE技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，其可以在特有技術(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)多方面技術(shù)進(jìn)行全面整合。VR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)成品信息與基本概念的整合，并從行為、感官以及功能等方面不斷對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。在該技術(shù)中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程被視為多個(gè)不同極端，且逐漸向全生命周期進(jìn)行轉(zhuǎn)變，以此推動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)兩個(gè)階段的融合，在很大程度上推動(dòng)了各行業(yè)的發(fā)展。

3.3 知識(shí)工程技術(shù)

知識(shí)工程技術(shù)簡(jiǎn)稱KBE，是現(xiàn)階段應(yīng)用率最高，且特色最明顯的一種數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)。KBE技術(shù)主要應(yīng)用在提前預(yù)測(cè)未來(lái)市場(chǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，因而該技術(shù)的應(yīng)用比較依賴新知識(shí)內(nèi)容。同時(shí)，KBE技術(shù)在信息傳遞、知識(shí)展示等方面，也具有較好的應(yīng)用效果。而且，還能夠單獨(dú)構(gòu)建顯性、隱性知識(shí)統(tǒng)一建模，有利于技術(shù)創(chuàng)新的橫縱向發(fā)展。

4 數(shù)字化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品中的具體應(yīng)用

4.1 VR技術(shù)的應(yīng)用

VR技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，將影音資料、3D影像、多媒體等進(jìn)行整合，使設(shè)計(jì)人員可以更好地利用個(gè)人想法，創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的設(shè)計(jì)情境，所以應(yīng)用VR技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以享受身臨其境般的設(shè)計(jì)體驗(yàn)。目前，VR技術(shù)主要應(yīng)用在大型設(shè)備的設(shè)計(jì)中，對(duì)設(shè)備的特殊性能進(jìn)行模擬，之后逐步實(shí)現(xiàn)設(shè)備與功能之間的優(yōu)化。與此同時(shí)，通過(guò)其創(chuàng)設(shè)的信息反饋平臺(tái)，能夠加速產(chǎn)品的投放，提升產(chǎn)品應(yīng)用效果，讓用戶直接了解產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而更好地掌握設(shè)備應(yīng)用要點(diǎn)。在國(guó)外，應(yīng)用VR展開農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的技術(shù)有很多種，最具代表性的即可視化技術(shù)，該技術(shù)以CAD技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建功能性模型，再通過(guò)模型輸入的方式，將其傳遞到VR環(huán)境中，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)備強(qiáng)化。例如，用戶可以通過(guò)VR頭盔顯示器，直接對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行操控體驗(yàn)。同時(shí)，VR技術(shù)在農(nóng)業(yè)設(shè)備拆裝中也有廣泛應(yīng)用，如小麥聯(lián)合收獲機(jī)的各方面功能，均可以通過(guò)VR技術(shù)展現(xiàn)出來(lái)，包括原理展示、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等，讓使用者可以進(jìn)行拆裝練習(xí)，不斷提升自身對(duì)機(jī)械設(shè)備的操控與應(yīng)用能力。此外，VR-CAD系統(tǒng)在虛擬環(huán)境設(shè)計(jì)中也可以發(fā)揮作用，優(yōu)化農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)模式與功能效果。

4.2 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備產(chǎn)品的創(chuàng)新

數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備產(chǎn)品的創(chuàng)新方面，即利用數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的使用性能、使用效果等進(jìn)行創(chuàng)新，增強(qiáng)產(chǎn)品的新穎性，并提供給消費(fèi)者更多選擇。目前，在農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)中，主要從該類型農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的常見(jiàn)使用問(wèn)題或故障入手，從設(shè)計(jì)層面針對(duì)性地采取改進(jìn)措施，進(jìn)而降低故障發(fā)生率以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，提升該類型農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，擴(kuò)大市場(chǎng)份額。一般情況下，在利用數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新時(shí)，主要從技術(shù)分析、材料優(yōu)選等方面進(jìn)行。例如，近幾年我國(guó)研發(fā)出了一種新型拖拉機(jī)，該拖拉機(jī)不同于傳統(tǒng)低功率拖拉機(jī)，其采用了數(shù)字化同步器與動(dòng)力換擋配合靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，具有獨(dú)立的控制機(jī)構(gòu)與控制面板，不僅更易操作，而且系統(tǒng)更加靈活，功率更高。

4.3 協(xié)同化優(yōu)化設(shè)計(jì)

在當(dāng)下復(fù)雜的市場(chǎng)環(huán)境下，農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)不僅涉及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，而且為了更好地滿足消費(fèi)者個(gè)性化的定制需求，必要時(shí)還需要進(jìn)行跨企業(yè)合作。所以，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中，數(shù)字化設(shè)計(jì)的應(yīng)用與協(xié)同化發(fā)展，已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造企業(yè)生存的關(guān)鍵。因此，數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的協(xié)同化設(shè)計(jì)中具有較好的應(yīng)用效果。為了從海量的技術(shù)信息與零件資源中，找到所需要的信息與數(shù)據(jù)，必須利用數(shù)字化技術(shù)對(duì)搜索技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)所需零件參數(shù)與性能的高效率搜索。例如，PTC企業(yè)的Web服務(wù)器，其中儲(chǔ)存了海量的技術(shù)型方案，我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品制造企業(yè)應(yīng)借鑒這一做法，以不斷地提升數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用效果。

此外，隨著環(huán)保理念不斷深入人心，為了建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)，農(nóng)業(yè)行業(yè)也應(yīng)朝著綠色化方向發(fā)展，而數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，極大地促進(jìn)了農(nóng)業(yè)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，顯著提升了農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的節(jié)能效果，降低了能源損耗，充分發(fā)揮了環(huán)保能力。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的數(shù)字化發(fā)展還處在探索性階段，很多理論、方法等還不夠成熟。在進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代后，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)更應(yīng)注重?cái)?shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，充分利用數(shù)字化設(shè)計(jì)效率高、成本低、可控性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，持續(xù)提升農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的科學(xué)性、高效性，并不斷利用數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)展開農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，以不斷促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化、規(guī)模化，進(jìn)而推動(dòng)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平更上一層樓。