淺談農(nóng)業(yè)機(jī)械的數(shù)字化技術(shù)研究與發(fā)展

侯麗華

摘要：數(shù)字化技術(shù)如CAD/CAE/CAM虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)等技術(shù)的飛速發(fā)展深刻的改變了農(nóng)業(yè)機(jī)械化設(shè)計(jì)的格局與模式，本文首先詳細(xì)梳理虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)與理論研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，結(jié)合分析了農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造現(xiàn)狀，進(jìn)而細(xì)致深入地分析基于數(shù)字化技術(shù)農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的未來的發(fā)展趨勢，針對(duì)信息技術(shù)如互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的數(shù)字化發(fā)展提供的歷史機(jī)遇，研究面向農(nóng)機(jī)產(chǎn)品開發(fā)過程的數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)體系與設(shè)計(jì)模式。以期為我國農(nóng)業(yè)機(jī)械的數(shù)字化設(shè)計(jì)探索提供有益參考的新途徑。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；數(shù)字化技術(shù)；研究與發(fā)展

當(dāng)前，隨著我國工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的迅猛的發(fā)展，工業(yè)化和和信息化已步入深入融合階段，信息化與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化也進(jìn)入蓬勃發(fā)展期，經(jīng)濟(jì)全球化、貿(mào)易自由化和社會(huì)信息化倒逼我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械只有通過信息化的手段進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)水平、降低生產(chǎn)成本，才能在激烈的市場競爭中取勝。如何有效的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品開發(fā)周期，如何達(dá)到最優(yōu)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量，如何有效降低農(nóng)業(yè)機(jī)械的成本與價(jià)格，如何完善農(nóng)業(yè)機(jī)械的售后服務(wù)等，這一系列的問題不斷的拷問我國農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程，信息化與數(shù)字化是解決上述的問題的有效手段。通過信息化與數(shù)字化的手段可以有效提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)水平，通過數(shù)字化設(shè)備能有效的調(diào)控農(nóng)業(yè)機(jī)械的精密的制造與加工，通過企業(yè)信息化與數(shù)字化的管理手段能否實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的生產(chǎn)管理與用戶反饋。本文主要對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢，以及農(nóng)業(yè)機(jī)械的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法與技術(shù)，并結(jié)合從事農(nóng)機(jī)產(chǎn)品多年的設(shè)計(jì)與制造經(jīng)驗(yàn)和數(shù)字化設(shè)計(jì)特點(diǎn)，以及 CAD/CAM/CAE、虛擬樣機(jī)、虛擬測試等新技術(shù)的應(yīng)用加以深入的討論與研究。

一、數(shù)字化驅(qū)動(dòng)下農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)研發(fā)

農(nóng)業(yè)機(jī)械是衡量一國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的水平的主要指標(biāo)之一，因而提供數(shù)字化手段提高我國農(nóng)業(yè)裝備的設(shè)計(jì)水平，對(duì)于在貿(mào)易全球化背景下提升農(nóng)業(yè)裝備制造業(yè)企業(yè)在國際上的競爭力具有不言而喻的歷史意義。隨著信息技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字化設(shè)計(jì)已經(jīng)全方位多層次的滲透到農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中的方方面面，也給農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)帶來了巨大的變化。

1）信息技術(shù)與數(shù)字化的應(yīng)用極大降低設(shè)計(jì)成本。

農(nóng)業(yè)機(jī)械的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)涉及到數(shù)據(jù)開采、知識(shí)發(fā)現(xiàn)及其重用技術(shù)、知識(shí)的表達(dá)與組織、知識(shí)數(shù)據(jù)庫的開發(fā)、基于知識(shí)的決策技術(shù)等。農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)可以在線上進(jìn)行互動(dòng)設(shè)計(jì)，企業(yè)可以與用戶進(jìn)行反饋論證與修改。設(shè)計(jì)者可以在線發(fā)布農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)效果，用戶可以在線反饋設(shè)計(jì)過程中存在的問題，相比于以前農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)都在紙質(zhì)上進(jìn)行繪圖，在線農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的極大的促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與實(shí)踐；以往產(chǎn)品創(chuàng)新主要集中于具體設(shè)計(jì)過程，如今從產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)的各個(gè)階段均強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。如基于藍(lán)牙技術(shù)的變量施肥機(jī)速度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)、溫室環(huán)境下黃瓜采摘機(jī)器人信息獲取設(shè)計(jì)、基于RFID 的農(nóng)機(jī)安全監(jiān)理現(xiàn)場巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基于資源管理和Silverlight技術(shù)的農(nóng)業(yè)裝備信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，以及Ajax 技術(shù)在農(nóng)業(yè)裝備信息網(wǎng)中的應(yīng)用。均是信息技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)在農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中應(yīng)用的典范

2）數(shù)字化技術(shù)強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)。

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展催生了許多新需求，這些新需求也亟需新的設(shè)計(jì)的方法，就目前農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)水平來看主要三種主流的設(shè)計(jì)方法，一是德國設(shè)計(jì)理論的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法，二是TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）三是公理設(shè)計(jì)（AxiomaticDesign，AD），對(duì)于目前我國而言，需要對(duì)先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行引進(jìn)、消化、吸收再創(chuàng)新。更需要產(chǎn)品設(shè)計(jì)師跨區(qū)域的進(jìn)行交流互動(dòng)，跨部門甚至跨企業(yè)共同協(xié)作進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造等。數(shù)字化的設(shè)計(jì)平臺(tái)能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)者之間提供實(shí)時(shí)的交流平臺(tái)。基于互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，可實(shí)現(xiàn)跨實(shí)現(xiàn)跨部門、跨行業(yè)、跨區(qū)域的設(shè)計(jì)者之間的溝通與交流。數(shù)字化虛擬設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)與需求的協(xié)同統(tǒng)一，鍛煉設(shè)計(jì)者虛擬想象空間，提升農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)水平，有效實(shí)現(xiàn)零污染的設(shè)計(jì)理念，促進(jìn)綠色設(shè)計(jì)理念的形成與發(fā)展。如基于離散元法的數(shù)字化設(shè)計(jì)、精密播種機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)、拖拉機(jī)隊(duì)列自動(dòng)控制系統(tǒng)、秧盤育秧精準(zhǔn)播種的穴孔同步對(duì)中裝置及其控制系統(tǒng)，以及基于力控組態(tài)軟件的溫室監(jiān)控系統(tǒng)均是農(nóng)業(yè)機(jī)械協(xié)同設(shè)計(jì)的樣例。

3）虛擬現(xiàn)實(shí)便捷了農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與展示。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)獨(dú)特魅力之處在于能將農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)構(gòu)思、實(shí)施及展現(xiàn)都表現(xiàn)為多媒體如三維圖形、語音和視頻，能然設(shè)計(jì)者和未來的潛在使用者身臨其境地體驗(yàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)整體過程。通過多媒體技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)海量、實(shí)時(shí)、豐富的農(nóng)業(yè)接卸虛擬設(shè)計(jì)素材。面向某些特色農(nóng)業(yè)機(jī)械，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)困難、設(shè)計(jì)周期長大大影響了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程。然而如果采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以有效的克服以上缺點(diǎn)，一方面可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬產(chǎn)品的某些性能，另外一方面也便于設(shè)計(jì)人員對(duì)產(chǎn)品的修改與調(diào)整。大大縮短了農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)周期。滿足變化莫測的市場需求。如虛擬樣機(jī)技術(shù)在畜牧機(jī)械設(shè)計(jì)、基于ADAMS 的蓮藕切片虛擬樣機(jī)建模與仿真、基于Pro/E三軸臥式TMR 飼料車的建模及運(yùn)動(dòng)仿真、SPH 在土壤高速切削仿真系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用、蓮藕切片機(jī)慣性力平衡仿真優(yōu)化、大型中空軸式靜壓軸承流固耦合數(shù)值模擬，以及電渦流緩速器制動(dòng)力矩影響因素的仿真均是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

結(jié)論

本文首先細(xì)致的分析了農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)特點(diǎn)與需求，以及存在的問題，針對(duì)數(shù)字化與信息技術(shù)的發(fā)展趨勢與特點(diǎn)，如CAD/CAE/CAM虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)等技術(shù)的飛速發(fā)展深刻的改變了農(nóng)業(yè)機(jī)械化設(shè)計(jì)的格局與模式，本文首先詳細(xì)梳理虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)與理論研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，結(jié)合分析了農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造現(xiàn)狀，進(jìn)而細(xì)致深入地分析基于數(shù)字化技術(shù)農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的未來的發(fā)展趨勢，針對(duì)信息技術(shù)如互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的數(shù)字化發(fā)展提供的歷史機(jī)遇，研究面向農(nóng)機(jī)產(chǎn)品開發(fā)過程的數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)體系與設(shè)計(jì)模式，采用數(shù)字化對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)所帶來的優(yōu)點(diǎn)即在產(chǎn)品開發(fā)的不同階段運(yùn)用數(shù)字化模型描述產(chǎn)品，并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、開發(fā)、評(píng)價(jià)、修改，通過這方面的討論，以期為我國農(nóng)業(yè)機(jī)械的數(shù)字化設(shè)計(jì)探索提供有益參考的新途徑與新思路。

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（作者單位：國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心）