CAD/CAM在新型農(nóng)業(yè)機械設(shè)計制造自動化中的應(yīng)用及發(fā)展分析

李鵬飛 ，秦亞凡 ，趙 朔

（華北理工大學(xué)，河北 唐山 063210）

CAD（計算機輔助設(shè)計）和CAM（計算機輔助制造）是20世紀(jì)60年代興起的一種計算機應(yīng)用技術(shù)，主要依靠計算機、軟件和各種外圍設(shè)備進行工作，囊括二維平面圖形設(shè)計、二維幾何圖形設(shè)計、數(shù)控加工編程、有限元分析、仿真模擬以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等內(nèi)容。CAD/CAM技術(shù)經(jīng)過長時間的發(fā)展普及，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到機械制造的各個領(lǐng)域。CAD主要利用計算機及其圖形處理能力幫助設(shè)計人員進行設(shè)計工作。CAM則主要利用計算機輔助整合從生產(chǎn)準(zhǔn)備到產(chǎn)品制造的整個流程活動[1]。相較于煩瑣的傳統(tǒng)設(shè)計流程，CAD技術(shù)能夠大幅度提升整個企業(yè)的設(shè)計效率，易于優(yōu)化更改方案的特點，縮短了設(shè)計周期。CAM技術(shù)將計算機、生產(chǎn)過程和制造設(shè)備聯(lián)系到一起，統(tǒng)一了整個生產(chǎn)流程，實現(xiàn)了高度的自動化，大大減少了人力成本和管理費用。

1 我國農(nóng)業(yè)機械現(xiàn)狀

1）從效率方面來看，目前我國的農(nóng)業(yè)機械化率還有待提高，截至2018年年底，多項農(nóng)作物產(chǎn)品種植、施肥、收獲機械化率均未到25%，因國產(chǎn)變速箱、后橋等必要設(shè)施故障頻發(fā)，故障率極高，直接影響了農(nóng)業(yè)機械的利用效率和使用頻率。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與收獲時間有限，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機械作業(yè)時間較短，使用率較低的情況下更易導(dǎo)致零部件的老化和損耗，同時也因為作業(yè)時間較短，迭代頻率與其他機械相比持續(xù)走低，智能化效率也難以提升。

2）從創(chuàng)新性方面來看，國產(chǎn)農(nóng)業(yè)機械主要以中小型為主，低端、低質(zhì)量產(chǎn)品較多，國外持續(xù)發(fā)展大型、寬幅和高效的農(nóng)業(yè)機械。國產(chǎn)農(nóng)業(yè)機械制造者為追求更高的使用效率，一味地創(chuàng)新和發(fā)展高馬力的發(fā)動機，而液壓系統(tǒng)、底盤技術(shù)、加工工藝等多方面無法和高馬力設(shè)備匹配。另外，不斷復(fù)制低端、低智能產(chǎn)品，創(chuàng)新發(fā)展不夠，在農(nóng)業(yè)機械中還存在著個別配件創(chuàng)新極端的問題，國家大力提倡科技創(chuàng)新在一定程度上改變了這一狀態(tài)。但和其他機械相比、和國外發(fā)達(dá)國家相比，我國農(nóng)業(yè)機械創(chuàng)新性仍有很大的不足。

3）從購買指向性來看，從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的農(nóng)民平均年齡為41.7歲，文化程度較低，即使近年來不斷有社會各界下鄉(xiāng)普及知識，但對于智能化程度較高的農(nóng)業(yè)機械仍需具備一定文化素養(yǎng)才能操作，農(nóng)民的購買需求指向性為實用性、價廉性和簡便性。我國目前主要生產(chǎn)中小型農(nóng)業(yè)機械，國產(chǎn)農(nóng)業(yè)機械還存在很多弊端，大型農(nóng)業(yè)機械主要以進口為主，價格較高，不符合農(nóng)民的購買指向性。現(xiàn)如今農(nóng)民更傾向于購買簡便性更高的聯(lián)合收割機，但由于每年作業(yè)時間較短，更新?lián)Q代所需時間較長，更加智能的農(nóng)業(yè)機械不符合農(nóng)民的購買指向性和可用性。

2 CAD/CAM技術(shù)在新型農(nóng)業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化中的應(yīng)用

2.1 CAD在三維設(shè)計農(nóng)機零部件中的應(yīng)用

在三維CAD設(shè)計建模下，可以對農(nóng)機的常用零部件進行直觀的機構(gòu)分析，避免了由于二維圖設(shè)計不精確而造成實物拆卸的情況，縮短了設(shè)計周期。在設(shè)計耕整機械時，常常因為其型號較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境不同而出現(xiàn)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化程度低、產(chǎn)品質(zhì)量不佳的情況，從而影響企業(yè)效益。具體而言，按耕地機械劃分，可分為耕整機、微耕機、田園管理機、淺耕深松機等；按整地機械劃分，可分為懸耕機、滾軋耙、鎮(zhèn)壓器等。在CAD三維設(shè)計中，雖然各型號的耕整機械零部件種類參數(shù)不同，但其所實現(xiàn)的產(chǎn)品功能基本一致，故CAD三維設(shè)計更有利于播種機械結(jié)構(gòu)的模塊參數(shù)設(shè)計，更有助于縮短產(chǎn)品的研發(fā)及生產(chǎn)周期，從而減少設(shè)計制造成本，提高經(jīng)濟效益[2]。

2.2 CAD在現(xiàn)代化農(nóng)機普及教學(xué)中的應(yīng)用

CAD技術(shù)具有直觀的表達(dá)方式，可以實現(xiàn)3D構(gòu)件的展示，容易被各個領(lǐng)域想要了解農(nóng)機的人們理解，在教學(xué)和農(nóng)機普及中體現(xiàn)出了十分顯著的利用價值。對于二維圖表達(dá)十分復(fù)雜的零件，通過CAD軟件可以靈活地用半剖視圖、全剖視圖對零件進行合理表達(dá)，還可以對作業(yè)中的結(jié)構(gòu)進行運動仿真，對于現(xiàn)代農(nóng)機設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化起到了不可或缺的作用[3]。

2.3 CAM技術(shù)在農(nóng)機裝備制造中的應(yīng)用

在農(nóng)機裝備制造中，CAM計算機輔助制造技術(shù)可以有效地實現(xiàn)農(nóng)機零部件的切削加工，在各類零部件中，軸承類零件、發(fā)動機類零件等受其作用尤其突出。

2.3.1 軸承類零件

軸承類零件大多數(shù)是回轉(zhuǎn)體的圓形表面，這些零件表面具有短而薄的特點，這些零件必須在各種天氣條件下可靠運轉(zhuǎn)，在各種極具挑戰(zhàn)的情況下運行，需要滿足使用壽命長、耐潮濕腐蝕、高壓工況下持久耐用的要求[4]。因此，要求對零件進行精密加工，利用CAM計算機輔助制造技術(shù)能夠有效地滿足加工時對零件的各種要求。農(nóng)機中常用的為球類軸承，此類軸承既要承受徑向力，同時也要承受軸向力。由此產(chǎn)生的變形對于零件有著更高的精度要求，而CAM數(shù)控加工技術(shù)可以有效滿足這些零件所要求的細(xì)節(jié)，有效保證了該類零件的使用期望。

2.3.2 發(fā)動機類零件

農(nóng)機設(shè)備出現(xiàn)故障的成因按照特點分類可分為磨損性故障、錯用性故障、固有薄弱性故障。其中，磨損性故障和固有薄弱性故障只能通過使用性能更好的材料以及改善發(fā)動機結(jié)構(gòu)才能解決[5]。而在加工復(fù)合材料等難加工的材料時，CAM輔助加工制造技術(shù)則可以在保證精度的同時，對一些使用普通手段難以加工的有復(fù)雜腔壁的零件實現(xiàn)充分加工，精準(zhǔn)切割，解決精度控制的問題，有效避免由于機械加工產(chǎn)生的瑕疵。此外，利用CAM技術(shù)輔助加工時，還可對發(fā)動機中易磨損的零件進行模塊化生產(chǎn)，減小維修壓力，縮短維修時間，使發(fā)動機零件的生產(chǎn)變得高效化、低成本化。

2.3.3 懸掛類零件

在農(nóng)機設(shè)備進行掛接與升降的過程時，需要懸掛裝置來進行工作。對于懸掛類裝置，一是要保證連桿位置可以滿足國家規(guī)定的相關(guān)要求，二是要保障在運行過程中牽引裝置與不同的農(nóng)具接口有著一定的互換性，使得農(nóng)機在運行中有穩(wěn)定的牽引力。這就需要有關(guān)人員利用計算機輔助設(shè)計技術(shù)對限位機構(gòu)進行合理設(shè)計，將擺動幅度控制在有效范圍內(nèi)，通過計算機對活動桿的應(yīng)力、強度以及剛度的精確分析，來設(shè)計滿足生產(chǎn)載荷的結(jié)構(gòu)，從而提高機械作業(yè)的穩(wěn)定性。在傳統(tǒng)加工技術(shù)中，無法滿足新型農(nóng)機設(shè)備懸掛系統(tǒng)中懸掛與眾多電子元件、傳感器等擴展部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的配合加工需求，而通過數(shù)控加工進行計算機輔助應(yīng)用，即可有效配合產(chǎn)品的各種加工需求。

3 CAD/CAM技術(shù)在農(nóng)機制造中的應(yīng)用特點及其優(yōu)缺點

3.1 CAD/CAM在農(nóng)機制造的應(yīng)用特點

一直以來，我國農(nóng)業(yè)機械企業(yè)都偏向于采用傳統(tǒng)的設(shè)計制造方法，所以已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于汽車、航天、數(shù)控機床等行業(yè)，而我國農(nóng)業(yè)機械的生產(chǎn)制造又存在設(shè)計重復(fù)度高、生產(chǎn)規(guī)模分散、自動化程度低等問題[6]。

農(nóng)業(yè)機械為了適應(yīng)各種地形和農(nóng)作物，有著大量不同的型號和結(jié)構(gòu)類型，但是機械結(jié)構(gòu)大多比較穩(wěn)定，復(fù)雜程度也比較低。對于不同農(nóng)作物的不同生長周期，農(nóng)業(yè)機械也只能選擇在特定時間進行試驗，進一步延長了農(nóng)機的開發(fā)周期。從當(dāng)前的情況來看，我國農(nóng)業(yè)機械企業(yè)近些年效益不佳，導(dǎo)致大多數(shù)農(nóng)業(yè)機械企業(yè)對CAD/CAM等新技術(shù)的引進應(yīng)用也持保守態(tài)度，沒有足夠的經(jīng)濟實力將新技術(shù)引進并投入到農(nóng)業(yè)機械設(shè)計生產(chǎn)中。

引進應(yīng)用CAD/CAM等新技術(shù)具有諸多益處，可以提高農(nóng)業(yè)機械智能化程度，大幅度縮短農(nóng)業(yè)機械的開發(fā)周期，并節(jié)約成本。在一些零件的設(shè)計過程中，可以使用軟件對二維圖形進行工程圖紙的繪制，再根據(jù)圖形參數(shù)利用三維圖形軟件進行零件的三維圖形設(shè)計。根據(jù)生成的模型形狀和數(shù)控機床刀具的各種參數(shù)，得到完整的零件加工軌跡[7]。

3.2 CAD/CAM技術(shù)的優(yōu)缺點分析

CAD/CAM技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械的加工設(shè)計中主要通過二維的軟件繪圖來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工繪圖，一直以來，傳統(tǒng)手工繪圖都是影響機械設(shè)計生產(chǎn)效率的因素之一，傳統(tǒng)繪圖依賴于設(shè)計人員的多方面溝通交流，其中修改和繪圖占據(jù)了絕大部分時間，非常影響設(shè)計效率。而圖形程序庫對于尺寸參數(shù)的自動調(diào)整提高了設(shè)計方案的質(zhì)量和效果，三維立體空間造型也保證了小型零件的加工精度。在CAD/CAM技術(shù)的輔助下，整個設(shè)計生產(chǎn)制造流程將會變得十分可控，設(shè)計人員和生產(chǎn)人員可以運用自己的設(shè)計經(jīng)驗和判斷能力來控制整個設(shè)計和生產(chǎn)制造過程，一旦發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，可以立即采取有效措施予以糾正[8]。

目前，CAD/CAM技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械研發(fā)應(yīng)用方面普遍存在規(guī)模小、人才短缺、創(chuàng)新能力弱、新產(chǎn)品開發(fā)周期長等問題。二維制圖能力薄弱，三維技術(shù)應(yīng)用不足，導(dǎo)致許多農(nóng)業(yè)機械企業(yè)仍然無法利用CAD/CAM技術(shù)進行產(chǎn)品的開發(fā)。我國的農(nóng)業(yè)機械企業(yè)迫切需要CAD/CAM技術(shù)的具體支持，以達(dá)到開發(fā)新產(chǎn)品、縮短研發(fā)周期、節(jié)約生產(chǎn)成本的目的[9]。

4 CAD/CAM技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域的發(fā)展前景

按照規(guī)劃，到2035年我國將實現(xiàn)農(nóng)業(yè)全程全面機械化，而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)全程全面機械化也是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化目標(biāo)的基礎(chǔ)。

隨著CAD/CAM輔助設(shè)計制造技術(shù)不斷被應(yīng)用到各種農(nóng)業(yè)機械設(shè)計及工藝加工之中，對于農(nóng)業(yè)機械的原理分析、方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)總體設(shè)計、基本繪制和分析都有著極大的輔助作用。而近年來隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展，CAD/CAM輔助設(shè)計制造技術(shù)能夠更好地擬合數(shù)據(jù)分析曲線并進行對比，對力的分析和更加節(jié)約能源的建構(gòu)方法進行模擬，達(dá)到更高的數(shù)據(jù)分析要求，這將在很大程度上降低性能成本、完善設(shè)計的工藝性，輔助農(nóng)業(yè)機械實現(xiàn)創(chuàng)新性和完全性的發(fā)展。

目前，國內(nèi)的大型農(nóng)業(yè)機械主要以進口為主，而CAD/CAM輔助設(shè)計制造技術(shù)的大范圍普及會在很大程度上幫助國內(nèi)推進大型農(nóng)業(yè)機械的生產(chǎn)與創(chuàng)新，提高中小型農(nóng)業(yè)機械的智能化程度和穩(wěn)定性，在設(shè)計生產(chǎn)中通過數(shù)據(jù)擬合能夠直接降低故障率，同時降低生產(chǎn)成本[10]。通過材料與加工工藝的改進，生產(chǎn)更加綠色環(huán)保的農(nóng)業(yè)機械，將CAD/CAM技術(shù)與液壓及電器控制相結(jié)合，提高農(nóng)業(yè)機械的智能化水平和生產(chǎn)效率。未來我國農(nóng)業(yè)機械將朝著更加機械化、智能化、綠色化、現(xiàn)代化的方向發(fā)展，更加貼合可持續(xù)發(fā)展的理念和目標(biāo)。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著農(nóng)業(yè)機械制造行業(yè)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械制造行業(yè)對于計算機智能制造方面的要求逐漸提高，行業(yè)自動化水平大幅提升，CAD/CAM技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械自動化發(fā)展中起到了顯著的解放農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的作用。由普通制造轉(zhuǎn)為智能制造是我國農(nóng)業(yè)機械制造領(lǐng)域的一次重要的產(chǎn)業(yè)變革，增強了我國在世界農(nóng)業(yè)機械制造行業(yè)的影響力。然而目前我國與國際頂尖的農(nóng)業(yè)機械制造水平仍有一定的距離，應(yīng)該積極推動新技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械制造行業(yè)的廣泛應(yīng)用，抓住良好的發(fā)展契機，提高我國農(nóng)業(yè)機械的國際競爭力，促進我國實現(xiàn)農(nóng)業(yè)全程全面機械化。