農(nóng)業(yè)機械數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)機械數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)的應(yīng)用摘要隨著計算機輔助設(shè)計和制造技術(shù)（CAD/CAM）的發(fā)展，尤其是三維數(shù)字化CAD的廣泛應(yīng)用，為工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計注入了新的活力。農(nóng)業(yè)機械作為機械工業(yè)的一部分，存在設(shè)計制造手段傳統(tǒng)，技術(shù)創(chuàng)新能力較弱等問題，加速農(nóng)機產(chǎn)品設(shè)計制造的數(shù)字化是解決農(nóng)機裝備技術(shù)及質(zhì)量的有力保障。關(guān)鍵詞數(shù)字化技術(shù)；設(shè)計制造；農(nóng)業(yè)機械A(chǔ)BSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFCOMPUTERAIDEDDESIGNANDCOMPUTERAIDEDMANUFACTURECAD/CAM，ESPECIALLY3DIMENSIONDIGITIZEDCADTECHNOLOGYWASUSEDABUNDANTLYANDITPROMOTEDTHEACTIVITIESOFTHEINDUSTRYPRODUCTDESIGNASAPARTOFMACHINERYINDUSTRY,INAGRICULTUREMACHINERYTHEREEXISTEDSOMEPROBLEMSSUCHASOLDDESIGNMETHODANDWEAKCREATECAPABILITY,TOSPEEDTHEDIGITIZATIONOFAGRICULTUREMACHINERYDESIGNANDMANUFACTURECOULDIMPROVETHEQUALITYANDTECHNOLOGYOFITSEQUIPMENTKEYWORDSDIGITIZEDDESIGNTECHNOLOGYDIGITIZEDMANUFACTURETECHNOLOGYAGRICULTUREMACHINERY引言隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進步和高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)加速向“數(shù)字”農(nóng)業(yè)和“精確”農(nóng)業(yè)發(fā)展。數(shù)字農(nóng)業(yè)的發(fā)展將逐步實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精確化、遠(yuǎn)程化、自動化和虛擬化，它將極大地解放農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，改變農(nóng)業(yè)作業(yè)模式，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)的飛躍。數(shù)字農(nóng)業(yè)是以現(xiàn)代信息技術(shù)和農(nóng)業(yè)工程技術(shù)為支撐，用數(shù)字化技術(shù)對農(nóng)業(yè)所涉及的對象和全過程進行數(shù)字化和可視化表達(dá)、設(shè)計、控制、管理的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高新技術(shù)體系，是一種全新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。數(shù)字農(nóng)業(yè)將工業(yè)可控生產(chǎn)和計算機輔助設(shè)計的思想引入農(nóng)業(yè)，把信息技術(shù)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的重要要素，參與到農(nóng)業(yè)各個環(huán)節(jié)中，是今后我國實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化跨越發(fā)展的突破口1。與國外相比，我國農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展相對落后。農(nóng)業(yè)勞動者創(chuàng)造的農(nóng)業(yè)增加值，僅相當(dāng)于美國、法國的1/10，加拿大、英國、澳大利亞、日本的1/6。機械化生產(chǎn)程度較低，許多方面的機械化生產(chǎn)還是空白。當(dāng)前，我國農(nóng)業(yè)已開始由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，進入了建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的新階段?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)是以農(nóng)機裝備為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)，農(nóng)業(yè)機械化總體水平高低是衡量一個國家農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。目前，我國農(nóng)業(yè)機械化水平還不適應(yīng)發(fā)展農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化和建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的要求。特別是農(nóng)機化技術(shù)儲備、技術(shù)創(chuàng)新能力較弱，經(jīng)濟作物生產(chǎn)機械化技術(shù)短缺，不能適應(yīng)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的客觀要求。我國的農(nóng)業(yè)機械工業(yè)面臨著良好的發(fā)展機遇和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。隨著農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和農(nóng)村勞動力向二、三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移步伐加快，一些地方出現(xiàn)了有效勞動力供給不足，爭勞力、搶農(nóng)時的矛盾比較突出。一些經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)已開始推進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全程機械化，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)方式已發(fā)生根本性的改變，以適應(yīng)農(nóng)村城鎮(zhèn)化、工業(yè)化和現(xiàn)代化的新要求；隨著優(yōu)勢農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域布局的形成和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)帶、種植業(yè)大戶的興起，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、規(guī)?；鳂I(yè)和社會化服務(wù)水平的提高，將主要依靠農(nóng)機承擔(dān)農(nóng)業(yè)勞動量。通過發(fā)展農(nóng)業(yè)機械化，不僅使農(nóng)民有條件分享工業(yè)化、現(xiàn)代化帶來的成果，還促進了農(nóng)業(yè)節(jié)本增效，增加農(nóng)民收入，帶動相關(guān)農(nóng)機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展2。我國當(dāng)前農(nóng)機工業(yè)發(fā)展勢頭較好，但是也有很問題急需解決，如目前農(nóng)業(yè)機械的高端產(chǎn)品研制生產(chǎn)仍然停滯不前，國內(nèi)制造企業(yè)雖有了較大進步，但制造水平與產(chǎn)品開發(fā)能力仍然需要大幅提高。數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)將是解決農(nóng)業(yè)機械裝備研制和生產(chǎn)問題的主要途徑之一。1數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)概述“數(shù)字化”（DIGITAL）是指信息（計算機）領(lǐng)域的數(shù)字（二進制）技術(shù)向人類生活各個領(lǐng)域全面推進的過程。“數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)”是指利用計算機軟硬件及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)全過程的一種技術(shù)，即在網(wǎng)絡(luò)和計算機輔助下通過產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，全面模擬產(chǎn)品的設(shè)計、分析、裝配、制造等過程。數(shù)字化設(shè)計與制造不僅貫穿企業(yè)生產(chǎn)的全過程，而且涉及企業(yè)的設(shè)備布置、物流物料、生產(chǎn)計劃、成本分析等多個方面3。數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)的應(yīng)用可以大大提高農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品開發(fā)能力、縮短產(chǎn)品研制周期、降低開發(fā)成本、實現(xiàn)最佳設(shè)計目標(biāo)和企業(yè)間的協(xié)作，使企業(yè)能在最短時間內(nèi)組織全球范圍的設(shè)計制造資源共同開發(fā)出新產(chǎn)品，大大提高企業(yè)的競爭能力。數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)集成了現(xiàn)代設(shè)計制造過程中的多項先進技術(shù)，包括三維建模、裝配分析、優(yōu)化設(shè)計、系統(tǒng)集成、產(chǎn)品信息管理、虛擬設(shè)計與制造、多媒體和網(wǎng)絡(luò)通訊等，是一項多學(xué)科的綜合技術(shù)。涉及的主要內(nèi)容有11CAD/CAE/CAPP/CAM/PDMCAD/CAE/CAPP/CAM分別是計算機輔助設(shè)計、計算機輔助工程、計算機輔助工藝過程設(shè)計和計算機輔助制造的英文縮寫，它們是制造業(yè)信息化中數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)的核心，是實現(xiàn)計算機輔助產(chǎn)品開發(fā)的主要工具。PDM技術(shù)集成是管理與產(chǎn)品有關(guān)的信息、過程及人與組織，實現(xiàn)分布環(huán)境中的數(shù)據(jù)共享，為異構(gòu)計算機環(huán)境提供了集成應(yīng)用平臺，從而支持CAD/CAPP/CAM/CAE系統(tǒng)過程的實現(xiàn)4。12異地、協(xié)同設(shè)計在因特網(wǎng)/企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)的環(huán)境中，進行產(chǎn)品定義與建模、產(chǎn)品分析與設(shè)計、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理及產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換等，異地、協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計環(huán)境下為多人、異地實施產(chǎn)品協(xié)同開發(fā)提供支持工具。13基于知識的設(shè)計將產(chǎn)品設(shè)計過程中需要用到的各類知識、資源和工具融到基于知識的設(shè)計（或CAD）系統(tǒng)之中，支持產(chǎn)品的設(shè)計過程，是實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)的重要工具。設(shè)計知識包括產(chǎn)品設(shè)計原理、設(shè)計經(jīng)驗、既有設(shè)計示例和設(shè)計手冊/設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)/設(shè)計規(guī)范等，設(shè)計資源包括材料、標(biāo)準(zhǔn)件、既有零部件和工藝裝備等資源。14虛擬設(shè)計、虛擬制造綜合利用建模、分析、仿真以及虛擬現(xiàn)實等技術(shù)和工具，在網(wǎng)絡(luò)支持下，采用群組協(xié)同工作，通過模型來模擬和預(yù)估產(chǎn)品功能、性能、可裝配性、可加工性等各方面可能存在的問題，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、制造的本質(zhì)過程，包括產(chǎn)品的設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗，并進行過程管理與控制等。15概念設(shè)計、工業(yè)設(shè)計概念設(shè)計是設(shè)計過程的早期階段，其目標(biāo)是獲得產(chǎn)品的基本形或形狀。廣義的概念設(shè)計應(yīng)包括從產(chǎn)品的需求分析到詳細(xì)設(shè)計之前的設(shè)計過程，如功能設(shè)計、原理設(shè)計、形狀設(shè)計、布局設(shè)計和初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計。從工業(yè)設(shè)計角度看，概念設(shè)計是指在產(chǎn)品的功能和原理基本確定的情況下，產(chǎn)品外觀造型的設(shè)計過程，主要包括布局設(shè)計、形狀設(shè)計和人機工程設(shè)計。計算機輔助概念設(shè)計和工業(yè)設(shè)計以知識為核心，實現(xiàn)形態(tài)、色彩、宜人性等方面的設(shè)計，將計算機與設(shè)計人員的創(chuàng)造性思維、審美能力和綜合分析能力相結(jié)合，是實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的重要手段5。16綠色設(shè)計是面向環(huán)保的設(shè)計（DFE，DESIGNFORENVIRONMENT），包括支持資源和能源的優(yōu)化利用、污染的防止和處理、資源的回收再利用和廢棄物處理等諸多環(huán)節(jié)的設(shè)計，是支持綠色產(chǎn)品開發(fā)、實現(xiàn)產(chǎn)品綠色制造，促進企業(yè)和社會可持續(xù)發(fā)展的重要工具。17并行設(shè)計以并行工程模式替代傳統(tǒng)的串行式產(chǎn)品開發(fā)模式，使得在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段就能很好地考慮后續(xù)活動的需求，以提高產(chǎn)品開發(fā)的一次成功率。數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)中各組成部分作為獨立的系統(tǒng)，已在生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，不僅大大提高了產(chǎn)品設(shè)計的效率，更新了傳統(tǒng)的設(shè)計思想，降低了產(chǎn)品的成本，增強了企業(yè)及其產(chǎn)品在市場上的競爭力，還在企業(yè)新的設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)管理體制建設(shè)中起到了很大作用。數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)已成為企業(yè)保持競爭優(yōu)勢，實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)、進行企業(yè)間協(xié)作的重要手段6，7。2智能CAD技術(shù)與農(nóng)機產(chǎn)品設(shè)計21智能CAD技術(shù)隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和激烈的市場競爭，產(chǎn)品更新?lián)Q代越來越快，產(chǎn)品的設(shè)計周期越來越短，現(xiàn)代CAD技術(shù)也在沿著信息集成過程集成企業(yè)集成的道路發(fā)展。傳統(tǒng)的CAD技術(shù)以計算為基礎(chǔ)，處理符號推理（方案設(shè)計、評價、決策、結(jié)構(gòu)設(shè)計等）工作很困難，在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計工作中符號推理有著舉足輕重的地位，因此必須引入人工智能方法，采用專家系統(tǒng)技術(shù)，發(fā)展智能CAD（INTELLIGENTCAD,ICAD）技術(shù)，以適應(yīng)創(chuàng)造性設(shè)計的要求。ICAD是一種由多個智能體（或稱專家系統(tǒng)）與多種CAD功能模塊有機集成的支持產(chǎn)品設(shè)計的復(fù)雜系統(tǒng)8。ICAD技術(shù)主要研究3個方面問題設(shè)計知識的表示與建模方法、知識利用和ICAD體系結(jié)構(gòu)。方案設(shè)計（或稱概念設(shè)計）與支持變型設(shè)計的裝配建模是ICAD技術(shù)中的兩個重要環(huán)節(jié)9。在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中引入ICAD技術(shù)，可以解決農(nóng)業(yè)機械企業(yè)中重復(fù)性設(shè)計多、信息資源利用率低的難題，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，具有巨大的經(jīng)濟效益和應(yīng)用前景。22農(nóng)業(yè)機械設(shè)計領(lǐng)域的特點由于目前農(nóng)機企業(yè)普遍采用傳統(tǒng)設(shè)計方法，在應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計方法上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于航天、汽車等其他行業(yè)，農(nóng)機企業(yè)之間重復(fù)性設(shè)計多，企業(yè)信息資源利用率低，造成農(nóng)機產(chǎn)品型號雜、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，產(chǎn)品質(zhì)量提上不去，影響企業(yè)效益。農(nóng)業(yè)機械設(shè)計領(lǐng)域的特點結(jié)構(gòu)類型多、型號多。例如在播種機設(shè)計中，根據(jù)作物品種和農(nóng)藝特點劃分，有條播機、穴播機和精密播種機等；按工作原理又分為機械式播種機和氣力式播種機等；按作業(yè)幅寬和配套動力又可分為單體播種機、2行、4行、6行、8行播種機等10。功能結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度較小。播種機一般由機架、地輪、傳動系統(tǒng)、排種單體、開溝器、施肥器、覆土器和鎮(zhèn)壓器等組成，不同型號的播種機采用的部件類型和結(jié)構(gòu)參數(shù)有區(qū)別，但產(chǎn)品功能基本相同。這種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性非常便于采用模塊化變型設(shè)計技術(shù)和參數(shù)設(shè)計技術(shù)。農(nóng)業(yè)機械試驗受季節(jié)性影響大、研究開發(fā)周期長，采用ICAD技術(shù)更能縮短產(chǎn)品研究開發(fā)周期，節(jié)約成本。23基于參數(shù)設(shè)計和裝配模型的智能設(shè)計框架從上述農(nóng)機企業(yè)特點可以看出，采用基于實例推理的模塊化參數(shù)設(shè)計和變量設(shè)計技術(shù)可以大大提高農(nóng)產(chǎn)品設(shè)計效率和設(shè)計水平，提高農(nóng)機產(chǎn)品和企業(yè)的競爭力?；趨?shù)設(shè)計和裝配模型的智能設(shè)計框架，為解決ICAD技術(shù)中存在的問題提供一種新思路。裝配模型通過建立零部件之間的幾何模型及其裝配信息表達(dá)并維持設(shè)計意圖、產(chǎn)品原理和功能，是一種支持概念設(shè)計和變型設(shè)計的產(chǎn)品模型，而實例推理技術(shù)CBR以過去解決某類問題的成熟方案為基礎(chǔ)來解決相似問題提供了一種行之有效的方法，實例庫是組織已有技術(shù)的基礎(chǔ)11?；趨?shù)化設(shè)計技術(shù)和裝配模型的智能設(shè)計框架的特點概念建模和變型設(shè)計方法密切相關(guān)；裝配模型是實例推理的基礎(chǔ)，CBR是智能設(shè)計系統(tǒng)的核心，裝配建模是在CBR運行中實現(xiàn)的，使裝配建模大量重用已有資源5。3數(shù)字化制造技術(shù)與農(nóng)業(yè)裝備制造上世紀(jì)40年代末數(shù)字計算機誕生，不久就被試用于控制加工機床的加工運動，這就是數(shù)字控制機床。歷經(jīng)半個世紀(jì)的發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)控機床技術(shù)水平及擁有量已經(jīng)成為一個國家制造能力的重要標(biāo)志。目前在發(fā)達(dá)國家，數(shù)字化制造技術(shù)與產(chǎn)品已經(jīng)成為提高企業(yè)和產(chǎn)品競爭力的重要手段。近半個世紀(jì)，特別是近三十年來，隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，信息技術(shù)與制造技術(shù)相融合，使制造日益走向數(shù)字化，制造技術(shù)發(fā)展日益加快。在發(fā)達(dá)國家的大型企業(yè)中，已實現(xiàn)無圖紙生產(chǎn)，廣泛使用CAD/CAM，實現(xiàn)100數(shù)字化設(shè)計。制造過程技術(shù)在快速成型、并