農機數字化設計與制造技術的研究

付亞萍

(黑龍江省農業科學院大豆研究所，哈爾濱 150086)

0 引言

農業機械化是提高農業生產水平、加快農業發展、御抗自然災害及保障糧食安全的的條件之一，目前，世界農業發展水平正在向大型化、多功能、集成化、高速化、自動化、智能化、復式聯合作業等方向發展。我國農業機械化正處于快速上升時期，但是與發達國家相比，仍然存在農機產品自主創新能力弱、農業設備設計及開發技術手段落后、核心技術及材料生產差距較大等問題。因此，加快提升我國農機產品的生產速度及質量、全面提升我國農機裝備水平迫在眉睫[1-3]。

農機產品及相關設備的設計及研發主要分為四個階段[4-5]。1)產品規劃階段：按照設計要求，專業人員提出產品設計任務書；2)零部件設計階段：不斷優化產品設計過程及關鍵零部件的設計；3)工藝設計階段：完成產品的總體設計；4)生產控制階段：對設計出來的產品進行質檢，當質檢過程出現問題后要進行不斷優化與修改，保證產品可以獲得良好的性能參數。農機產品設計及研發的生產工藝流程如圖1所示。

圖1 農機產品設計及研發的生產工藝流程

農機數字化設計與制造技術是現代產品設計的關鍵技術之一，主要是依據產品設計目標及具體任務利用計算機輔助工具進行產品全面數字化設計，利用各種幾何造型系統獲得產品設計前期存在的不足與缺陷。

1 內涵及發展意義

1.1 內涵

農機數字化設計與制造技術是基于數字化設計及計算機仿真模擬技術及材料研發與應用等，對農機產品的設計環節進行優化與分析，通過可視化檢查及時發現產品設計中存在缺陷與不足，如數據的運算、關鍵零部件的裝配、動態模擬等，還可以的出多種設計方案，及時對設計方案進行修改，避免農業產品設計過程中存在返工現象，可以顯著提高農機產品研發效率，縮短產品的研發周期[8-9]。

1.2 應用意義

農機數字化設計與制造技術對于推動農業機械產品的研發效率，提高農機產品研發的可靠性與穩定性，應用意義主要表現為：1)集成化，農機數字化設計與制造技術不僅僅是面向產品生產的某一環節，而是對農機產品的整個生產全過程的現代設計集成系統，實現農機產品開發與生產全過程的數字化信息管理與控制；2)智能化，與傳統產品設計方法與技術相比，利用農機數字化設計與制造技術需要產品設計研發人員全部了解生產細節與過程，主要依靠計算機設計研發出滿足生產目標的產品，且農機數字化設計與制造系統具有自動更新知識、豐富數據庫的能力，可以彌補人員設計時的相關缺陷，提高產品研發的速度，減少成本投入，保證農機生產企業在激烈的市場競爭中提升自身競爭力及產品研發能力。

2 農機數字化設計與制造技術研究現狀

2.1 農機產品數字化建模技術

農機產品數字化建模是基于計算機建模軟件，以產品設計的模型信息為基礎，對設計模型的形狀、屬性、尺寸、零部件的裝配等進行形體表達，數字化建模決定了農機產品的設計水平及研發效率。目前，常見的計算機輔助軟件主要包括CAD、Pro/ENGINRRE、UG、Soildworks、CAXA等[6]，通過數字模擬、仿真、檢驗等數字分析技術，優化并改進產品的設計方案，提高產品的研發效率與質量，可以顯著降低產品的生產成本，縮短產品的研發周期，減少由于前期人工設計等原因造成的產品返工[7]。農機產品的建模過程如圖2所示。

圖2 數字化設計建模基本流程圖

2.2 數字化仿真技術

數字化仿真技術是對產品整體系統進行模擬與仿真，呈現系統的動態行為及其性能特征，用于評估產品設計過程中的配置、尺寸及裝配是否合理，工作性能是否滿足生產要求，預測產品設計過程中可能存在的性能缺陷，為系統的設計及生產提供決策。數字化仿真技術的基本工作流程，首先是在集合建模的基礎上，提取產品的關鍵參數及技術特征，對產品模型進行參數求解與數值試驗，產品設計人員可以根據仿真結果提取相應的價值信息，為后續產品的生產制造提供科學參考依據。目前常見的數字化仿真技術如表1所示。

表1 常見的數字化仿真技術及其應用特點

2.3 DFA計算機裝配技術

DFA計算機裝配技術是在產品設計后期將所有零部件裝配成一體，保證零件的裝配合理性，是產品設計及研發的最終目標。在進行農機產品DFA技術應用時，主要是基于相關產品概念設計與結構設計，利用DFA裝配知識庫，基于產品的可裝配性評價指標及相關裝配知識，對產品設計的各個環節進行可裝配性評價與推理決策。在開展DFA計算機裝配技術時，需要將產品設計人員、裝配人員、生產制造人員及銷售人員共同參與進來，通過預覽產品關鍵零部件的預覽裝配過程，在線規劃產品裝配過程，如裝配順序及相關裝配路徑等，及時進行產品調整，保證后期生產制造過程中的合理性與可靠性，是提高研發效率的重要環節及核心技術。

3 應用思路分析

農業機械產品的設計及制造范圍廣泛、種類多且市場需求較大，目前我國農機產品共分為15個大類、96個小類，共計超過3 000種產品，但是由于我國農機生產及制造技術在技術水平、自主創新能力、產品研發等與發達國家還有較大的差距，在基于計算機仿真技術、快速建模技術及動態分析技術加速農機產品研發的同時，未來應該加強對農機產品性能的預測及優化。

3.1 突出農機產品的自主創新能力

在農機產品設計及制造過程中可以優化設計方案與設計理念。但是目前農機生產企業較多，未來提高市場競爭力，應該加強農機產品設計研發的自主創新能力，在農機產品設計及研發過程中，加強數據采集、數據庫開發及決策技術等的應用。

3.2 發展虛擬現實技術

虛擬現實技術是數字化設計及制造技術的延申與發展，它是集3D建模技術、多媒體、實時視頻顯示及控制、多傳感器融合、實時跟蹤、場景融合等新技術與新手段等為一體，在傳統農機產品設計及制造過程中除了給生產者直觀的靜態三維模型，還可以創建一個虛擬世界，讓設計者身臨其境地感受到產品的設計過程及工作性能，給設計者帶來虛擬的全感官體驗。對于結構復雜、研發周期長的大型農機產品的設計與研發，采用虛擬現實技術可以模擬產品的工作性能，更加清晰地展現農機產品的內部結構與性能，更好地優化復雜農機產品的設計過程。

3.3 基于產品研發的智能推理技術

基于產品研發的智能推理技術又被稱為基于規則推理技術(Rule-based reasoning，RBR)，是一種接近人類思維的方法，主要是當設計者開始研發新產品的同時，根據以往類似的產品設計，針對二者之間的聯系與差別，進而確定新的產品設計方案，基本設計流程如圖3所示。可以為相關產品的設計提供實例策略及優化，是未來數字化設計及制造技術的發展熱點之一。

圖3 基于產品研發的智能推理技術基本流程

4 結論

農業機械裝備是保證農業現代化進程的物質基礎與條件之一，農業機械水平及綜合實力的不斷提升，實現了我國農產品由依賴進口到目前自給自足的基本平衡。農機數字化設計與制造技術在提高農業綜合生產能力、增強農機產業在保障國家經濟發展及糧食安全的能力、提升我國農業發展在國際競爭力及實現全面建設農村農業結構發揮著重要作用。