數字化設計技術在農業機械設計中的應用

李 娜，孟朝霞

(濟寧職業技術學院，山東 濟寧 272000)

0 引言

隨著世界人口的不斷增長，可利用資源逐漸減少，帶來了糧食緊張及環境惡化等一系列問題[1-2]，隨著農業機械化水平的不斷提升與發展，逐漸將傳統、封閉、低效率的農業生產轉變為自動化程度較高的現代農業生產方式，大幅度提高了農業機械的生產效率與資源利用率。農業機械化是農業可持續發展的必要條件與主要推動力，同時也是保障食品安全的重要工程措施之一。

要想實現農業機械化水平的穩步發展與創新，必須不斷進行農業機械技術發展與工藝改革。我國農業機械自主創新能力較弱，農業機械開發、設計及制造技術手段及工藝較為落后，目前軟件模擬技術開發體系一直采用引進或者跟蹤模仿的生產模式，缺少對新型農業機械產品相關機理、設計理論的研究，重大產品的研發仍然停留在理論階段，農業機械新產品的可靠性試驗主要以田間驗證為主，這些都嚴重制約了我國農業機械的發展與創新，難以實現較大的技術突破[3]。

數字化設計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，利用各種幾何造型系統明確產品設計前期存在的不足與缺陷，并通過數字模擬、仿真、檢驗等數字分析技術，優化新型產品的設計方案，提高產品的生產效率，是保證農業機械產品生產高效、快速、可靠的重要技術手段之一[4]。

1 數字化設計技術及農業機械化的內涵及發展意義

1.1 數字化設計技術

1.1.1 內涵

數字化設計技術是基于數字化設計及計算機仿真模擬技術等，對相關產品的初始設計環節進行方案優化與模擬分析，通過可視化檢查發現產品設計中存在的不足，并提供多種優化設計方案，對設計方案進行修改，避免在產品設計過程中存在返工現象，可以顯著提高產品開發效率，縮短產品的研發周期，降低產品的生產成本，主要內容及開發體系如圖1所示。

1.1.2 發展意義

數字化設計技術在現代機械產品設計、加工及制造等多個領域占有重要地位，基于計算機技術的強大邏輯運算能力、重復工作能力，具有較快的響應速度與推理決策能力等優勢，可以極大地提高產品開發的效率，縮短產品開發周期，數字化設計技術已成為目前主要的產品生產制造基礎技術與輔助工具。在進行產品開發的過程中，可以對所研制的產品進行分析與綜合評判，對不合理的地方進行優化修改，與人工研發相比，數字化設計技術具有較強的優勢，如表1所示。

表1 人工設計與數字化設計技術特點對比

1.2 農業機械化技術

1.1.1 內涵

農業機械化技術，主要是指在農業生產中的各項作業環節中應用先進的農業機械化裝備代替傳統的人工勞動，改善農業生產條件的農業技術。

1.1.2 發展意義

1)保證農作物抵御自然災害。自然災害，如風、干旱、洪澇、病蟲害、雜草等是限制農業發展的重要外界因素，隨著農業機械的逐漸發展，如排灌機械可以減輕旱澇災害對農作物的影響；植保機械可以有效控制農業生產中的病蟲害、雜草及鼠害等，據2015—2021年統計數據可知(表2)，植保機械的作業面積與挽回糧食損失呈正相關關系。

表2 植保機械作業面積與挽回糧食損失的關系

2)合理利用水資源。我國是世界上的貧水國家之一，而農業生產中的水資源浪費十分嚴重，因此，在農業生產中合理利用淡水資源對于農業可持續發展具有重要意義。隨著節水技術，如滴灌技術、微噴灌技術、加氣灌溉技術[6]等的不斷推廣，顯示出巨大的節水與增產優勢，滴灌與傳統噴灌技術對比如表3所示。

表3 滴灌技術與傳統地面噴灌的效果對比 單位：%

3)防治農業環境污染。農業生產中的環境污染主要是指化肥農藥、地膜及秸稈焚燒等帶來的環境污染問題，長期使用化肥農藥會導致污染物流失到空氣、土壤及水中，給農業綠色可持續發展帶來了巨大的挑戰。隨著精量施肥技術、機械精密噴灑技術、保護性耕作技術及機械回收地膜技術等的不斷推廣應用，可以緩解農業生產中的環境污染，促進農業健康發展。

2 數字化設計技術在農業機械設計中的應用現狀

2.1 數字化設計關鍵技術

2.1.1 CAD

CAD(Computer Aided Design)是目前農業機械產品設計及制造中最常見的一種計算機技術之一，被稱為“計算機輔助設計技術”，可以對初期產品的設計構思、結構及加工設計等進行繪制、創建、分析、修改及優化。

2.1.2 CAE

CAE(Computer Aided Engineering)是計算機輔助工程技術，對農業機械等相關產品進行產品結構物理狀態特性分析，主要包括線性分析、非線性分析、靜態分析、熱場分析、電場及磁場分析等，對產品內部結構運動規律及受力進行分析，完成產品結構的優化與設計。

2.1.3 CAM

CAM(Computer Aided Manufacture)是計算機輔助制造技術，指當CAD進行產品設計完成后，對CAD模型自動生成產品及零部件加工的數控代碼，直接用于數控加工，實現產品無紙化生產，其核心技術為數控技術，利用數控機床完成對控制刀具的運動角度、方向、速度等控制，完成產品的加工與生產。

2.1.4 PDM

隨著計算機繪圖技術的逐漸發展，現有的計算機圖紙管理系統難以滿足實際生產的需求，目前計算機圖紙的編號、分類及歸檔等主要依靠人工進行，采用PDM可以對制造產品整個生產周期的數據進行保存與歸檔，實現產品生產圖紙的有效及統一管理[6]。

2.2 應用發展現狀

2.2.1 實現農業機械生產智能化發展

目前，農業機械生產已經基本實現自動化控制，正在逐步向智能化方向發展，同時農業機械智能化發展也是未來的熱點及難點，通過少量的技術人員與智能數字系統相配合實現農業機械的設計、工藝優化、生產調度及故障診斷等，將人工智能控制技術、神經網絡技術及專家決策系統等應用到農業機械中，可以實現農業機械的生產智能化。

2.2.2 計算機制圖技術

數字化技術可以實現農業機械產品設計中數字化模型構建，利用幾何造型功能，實現產品模型的快速構建，研發人員可以通過各個角度進行產品觀察，根據產品研發信息還進行材料定義及仿真模擬。在單個產品零部件設計完成后，可以進行零部件的裝配，并基于產品裝配模型，實現樣品的運動學仿真，分析產品設計的合理性，通過預覽產品關鍵零部件的裝配過程，如裝配順序及相關裝配路徑等，及時進行產品調整，保證產品后期生產制造過程中的合理性與可靠性，提高產品研發效率。

3 數字化設計技術未來發展思路分析

3.1 提高學科交叉融合程度，形成數字化開發集成平臺

傳統數字化技術主要包括設計制造理論和方法、計算機模擬及數據倉庫開發等技術，近年來，逐漸融合了計算機輔助設計、可靠性設計、虛擬樣機制造、虛擬裝配技術等，未來應逐步加強學科之間的交叉、互融與集成，逐漸完善形成數字化開發與集成平臺，提升產品的設計與管理能力，逐步應用到各類產品的設計及開發中，極大地推動我國制造業的進步與發展。

3.2 實現產品整個生命周期的數字化設計

未來基于數字化設計技術，實現產品數字化設計及制造管理，對產品生產的所有環節，如零件采購、產品制造、產品質量控制、銷售、服務及運輸等進行高效、有序管理，并結合相關技術實現對產品整個生命周期的信息采集與控制。

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。數字化設計技術是實現農業機械智能化發展及工業4.0計劃的重要技術基礎之一，是立國之本，也是強國根基，是保障糧食安全、提升綜合國力的重要技術。本研究基于數字化設計與制造的技術內涵及發展意義，提出目前數字化設計技術在農業機械生產及制造中的應用研究現狀及核心技術，分析數字化設計技術在農業機械設計中的應用研究現狀與發展核心思路，研究結果對于推動我國農業機械化進程提供發展技術參考與借鑒。