农业机械数字化设计与制造技术的应用

1、农业机械数字化设计与制造技术的应用摘 要：随着计算机辅助设计和制造技术（CAD/ CAM）的发展，尤其是三维数字化 CAD 的广泛应用，为工业产品开发设计注入了新的活力。农业机械作为机械工业的一部分，存在设计制造手段传统，技术创新能力较弱等问题，加速农机产品设计制造的数字化是解决农机装备技术及质量的有力保障。关键词：数字化技术；设计制造；农业机械Abstract:With the development of Computer Aided Design and Computer Aided Manufacture (CAD/CAM)，especially 3- Dimension digiti

2、zed CAD technology was used abundantly and it promoted the activities ofthe industry product design. As a part of machinery industry, in agriculture machinery there existed some problems such as old design method and weak create capability, to speed the digitization of agriculture machinery design a

3、nd manufacture could improve the quality and technology of its equipment.Key words:Digitized Design Technology;Digitized Manufacture Technology;Agriculture Machinery引 言随着现代科学技术的进步和高效农业的发展，现代农业加速向“数字”农业和“精确”农业发展。数字农业的发展将逐步实现农业生产的精确化、远程化、自动化和虚拟化，它将极大地解放农业生产力，改变农业作业模式，实现农业生产质的飞跃。数字农业是以现代信息技术和农业工程技术为支撑，

4、用数字化技术对农业所涉及的对象和全过程进行数字化和可视化表达、设计、控制、管理的现代农业高新技术体系，是一种全新的农业生产方式。数字农业将工业可控生产和计算机辅助设计的思想引入农业，把信息技术作为农业生产力的重要要素，参与到农业各个环节中，是今后我国实现农业信息化跨越发展的突破口1。与国外相比，我国农业机械化发展相对落后。农业劳动者创造的农业增加值，仅相当于美国、法国的1/10，加拿大、英国、澳大利亚、日本的 1/6。机械化生产程度较低，许多方面的机械化生产还是空白。当前，我国农业已开始由传统农业向现代农业转变，进入了建设现代农业的新阶段。现代农业是以农机装备为基础的农业，农业机械化总体水平高

5、低是衡量一个国家农业现代化程度的重要标志。目前，我国农业机械化水平还不适应发展农业产业化和建设现代农业的要求。特别是农机化技术储备、技术创新能力较弱，经济作物生产机械化技术短缺，不能适应农业结构调整的客观要求。我国的农业机械工业面临着良好的发展机遇和严峻的挑战。随着农村产业结构调整和农村劳动力向二、三产业转移步伐加快，一些地方出现了有效劳动力供给不足，争劳力、抢农时的矛盾比较突出。一些经济发达地区已开始推进农业生产全程机械化，传统农业的生产方式已发生根本性的改变，以适应农村城镇化、工业化和现代化的新要求；随着优势农产品区域布局的形成和农业产业带、种植业大户的兴起，农业产业化经营、标准化生产、规

6、模化作业和社会化服务水平的提高，将主要依靠农机承担农业劳动量。通过发展农业机械化，不仅使农民有条件分享工业化、现代化带来的成果，还促进了农业节本增效，增加农民收入，带动相关农机产业的发展2。我国当前农机工业发展势头较好，但是也有很问题急需解决，如目前农业机械的高端产品研制生产仍然停滞不前，国内制造企业虽有了较大进步，但制造水平与产品开发能力仍然需要大幅提高。数字化设计制造技术将是解决农业机械装备研制和生产问题的主要途径之一。1 数字化设计制造技术概述“数字化”（Digital）是指信息（计算机）领域的数字（二进制）技术向人类生活各个领域全面推进的过程。“数字化设计与制造技术”是指利用计算机软硬

7、件及网络环境，实现产品开发全过程的一种技术，即在网络和计算机辅助下通过产品数据模型，全面模拟产品的设计、分析、装配、制造等过程。数字化设计与制造不仅贯穿企业生产的全过程，而且涉及企业的设备布置、物流物料、生产计划、成本分析等多个方面3。数字化设计与制造技术的应用可以大大提高农业机械产品开发能力、缩短产品研制周期、降低开发成本、实现最佳设计目标和企业间的协作，使企业能在最短时间内组织全球范围的设计制造资源共同开发出新产品，大大提高企业的竞争能力。数字化设计与制造技术集成了现代设计制造过程中的多项先进技术，包括三维建模、装配分析、优化设计、系统集成、产品信息管理、虚拟设计与制造、多媒体和网络通讯等

8、，是一项多学科的综合技术。涉及的主要内容有：1.1 CAD/CAE/CAPP/CAM/PDMCAD/CAE/CAPP/CAM 分别是计算机辅助设计、计算机辅助工程、计算机辅助工艺过程设计和计算机辅助制造的英文缩写，它们是制造业信息化中数字化设计与制造技术的核心，是实现计算机辅助产品开发的主要工具。PDM技术集成是管理与产品有关的信息、过程及人与组织，实现分布环境中的数据共享，为异构计算机环境提供了集成应用平台，从而支持 CAD/CAPP/CAM/CAE 系统过程的实现4。1.2 异地、协同设计在因特网 / 企业内部网的环境中，进行产品定义与建模、产品分析与设计、产品数据管理及产品数据交换等，异

9、地、协同设计系统在网络设计环境下为多人、异地实施产品协同开发提供支持工具。1.3 基于知识的设计将产品设计过程中需要用到的各类知识、资源和工具融到基于知识的设计（或 CAD）系统之中，支持产品的设计过程，是实现产品创新开发的重要工具。设计知识包括产品设计原理、设计经验、既有设计示例和设计手册 / 设计标准 / 设计规范等，设计资源包括材料、标准件、既有零部件和工艺装备等资源。1.4 虚拟设计、虚拟制造综合利用建模、分析、仿真以及虚拟现实等技术和工具，在网络支持下，采用群组协同工作，通过模型来模拟和预估产品功能、性能、可装配性、可加工性等各方面可能存在的问题，实现产品设计、制造的本质过程，包括产

10、品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，并进行过程管理与控制等。1.5 概念设计、工业设计概念设计是设计过程的早期阶段，其目标是获得产品的基本形或形状。广义的概念设计应包括从产品的需求分析到详细设计之前的设计过程，如功能设计、原理设计、形状设计、布局设计和初步的结构设计。从工业设计角度看，概念设计是指在产品的功能和原理基本确定的情况下，产品外观造型的设计过程，主要包括布局设计、形状设计和人机工程设计。计算机辅助概念设计和工业设计以知识为核心，实现形态、色彩、宜人性等方面的设计，将计算机与设计人员的创造性思维、审美能力和综合分析能力相结合，是实现产品创新的重要手段5。1.6 绿色设计是

11、面向环保的设计 （DFE，Design for Environment），包括支持资源和能源的优化利用、污染的防止和处理、资源的回收再利用和废弃物处理等诸多环节的设计，是支持绿色产品开发、实现产品绿色制造，促进企业和社会可持续发展的重要工具。1.7 并行设计以并行工程模式替代传统的串行式产品开发模式，使得在产品开发的早期阶段就能很好地考虑后续活动的需求，以提高产品开发的一次成功率。数字化设计与制造技术中各组成部分作为独立的系统，已在生产中得到了广泛的应用，不仅大大提高了产品设计的效率，更新了传统的设计思想，降低了产品的成本，增强了企业及其产品在市场上的竞争力，还在企业新的设计和生产技术管理体制

12、建设中起到了很大作用。数字化设计与制造技术已成为企业保持竞争优势，实现产品创新开发、进行企业间协作的重要手段6，7。2 智能 CAD 技术与农机产品设计2.1 智能CAD 技术随着工业技术的发展和激烈的市场竞争，产品更新换代越来越快，产品的设计周期越来越短，现代CAD 技术也在沿着信息集成过程集成企业集成的道路发展。传统的 CAD 技术以计算为基础，处理符号推理（方案设计、评价、决策、结构设计等）工作很困难，在农业机械设计工作中符号推理有着举足轻重的地位，因此必须引入人工智能方法，采用专家系统技术，发展智能 CAD（Intelligent CAD, ICAD）技术，以适应创造性设计的要求。IC

13、AD 是一种由多个智能体（或称专家系统）与多种 CAD 功能模块有机集成的支持产品设计的复杂系统8。ICAD 技术主要研究 3 个方面问题：设计知识的表示与建模方法、知识利用和 ICAD 体系结构。方案设计（或称概念设计）与支持变型设计的装配建模是ICAD 技术中的两个重要环节9。在农业机械设计中引入 ICAD 技术，可以解决农业机械企业中重复性设计多、信息资源利用率低的难题，缩短产品开发周期，具有巨大的经济效益和应用前景。2.2 农业机械设计领域的特点由于目前农机企业普遍采用传统设计方法，在应用现代设计方法上远远落后于航天、汽车等其他行业，农机企业之间重复性设计多，企业信息资源利用率低，造成

14、农机产品型号杂、产品标准化程度较低，产品质量提上不去，影响企业效益。农业机械设计领域的特点：结构类型多、型号多。例如在播种机设计中，根据作物品种和农艺特点划分，有条播机、穴播机和精密播种机等；按工作原理又分为机械式播种机和气力式播种机等；按作业幅宽和配套动力又可分为单体播种机、2 行、4 行、6 行、8 行播种机等10。功能结构比较稳定、结构复杂程度较小。播种机一般由机架、地轮、传动系统、排种单体、开沟器、施肥器、覆土器和镇压器等组成，不同型号的播种机采用的部件类型和结构参数有区别，但产品功能基本相同。这种结构稳定性非常便于采用模块化变型设计技术和参数设计技术。农业机械试验受季节性影响大、研究

15、开发周期长，采用 ICAD 技术更能缩短产品研究开发周期，节约成本。2.3 基于参数设计和装配模型的智能设计框架从上述农机企业特点可以看出，采用基于实例推理的模块化参数设计和变量设计技术可以大大提高农产品设计效率和设计水平，提高农机产品和企业的竞争力。基于参数设计和装配模型的智能设计框架，为解决 ICAD 技术中存在的问题提供一种新思路。装配模型通过建立零部件之间的几何模型及其装配信息表达并维持设计意图、产品原理和功能，是一种支持概念设计和变型设计的产品模型，而实例推理技术(CBR)以过去解决某类问题的成熟方案为基础来解决相似问题提供了一种行之有效的方法，实例库是组织已有技术的基础11。基于参

16、数化设计技术和装配模型的智能设计框架的特点：概念建模和变型设计方法密切相关；装配模型是实例推理的基础，CBR 是智能设计系统的核心，装配建模是在 CBR 运行中实现的，使装配建模大量重用已有资源5。3 数字化制造技术与农业装备制造上世纪 40 年代末数字计算机诞生，不久就被试用于控制加工机床的加工运动，这就是数字控制机床。历经半个世纪的发展和应用，数控机床技术水平及拥有量已经成为一个国家制造能力的重要标志。目前在发达国家，数字化制造技术与产品已经成为提高企业和产品竞争力的重要手段。近半个世纪，特别是近三十年来，随着信息技术的迅速发展，信息技术与制造技术相融合，使制造日益走向数字化，制造技术发展日益加快。在发达国家的大型企业中，已实现无图纸生产，广泛使用 CAD/CAM，实现100% 数字化设计。制造过程技术在快速成型、