農機數字化車間制造過程研究——基于物聯網和智能大數據云存儲

張自敏，樊艷英，陳冠萍，李碧青

(賀州學院，廣西 賀州 542899)

0 引言

數字化技術和先進制造技術的結合，給我國的制造業帶來巨大的沖擊，前景無限光明。數字化設計制造主要包括設計數字化、制造數字化和制造裝備數字化。其中，設計數字化可以設計農機零部件的基本模型，還可以在虛擬的環境中對零部件進行裝配整合，進行結構優化和強度分析等；制造數字化可以規劃加工路線，并對加工路線進行仿真和優化；裝備數字化主要是采用數控加工設備，利用編程的方式自動加工。物聯網和智能大數據云存儲技術可以將設計數字化、制造數字化和裝備數字化緊密的結合到一起，形成數字化加工管理方案。如果將其使用在農機數字化車間管理學系統中，可以有效提高農機部件加工的效率和質量，對于提升車間的作業生產能力和創新能力具有重要的作用。

1 基于物聯網和大數據存儲的智能數字化加工技術

隨著智能數字化加工技術的出現，機械制造行業面臨著前所未有的挑戰，當然也給機械設計制造行業帶來了無限契機。農機設計制造行業在機械行業中占有重要的地位，隨著農業自動化技術的不斷提升，越來越多的農業機械被使用在農業生產過程中，極大地促進了農機設計制造行業的發展。農機數字化設計制造過程中，為了提高設計效率，往往會采用數字化仿真軟件和經驗數據庫，而要保證數字化設計數據資源的共享和協同性，將海量數據分享給每個設計師，并保持實時互動，則需要一個大數據存儲和物聯網通信的服務平臺。其主要解決以下問題：

1)設計制造過程的建模與仿真。建模和仿真是農機數字化設計的基礎，建模和仿真是指采用計算機軟件對加工零部件進行建模，然后通過擬合加工路徑得到刀位軌跡曲線，最后進行試加工，以調整加工誤差，優化加工工藝參數，確保得到性價比最好的符合要求的機械零部件。

2)網絡化設計與制造。網絡化敏捷設計與制造重點發展領域應包括敏捷信息基礎結構、敏捷產品設計技術、敏捷工藝設計技術、基于網絡的研究開發和敏捷生產技術。為了使設計制造的工程師之間和各個部門之間能夠協同工作，可以引入物聯網技術，實現數據的實時通信和共享。

3)虛擬產品開發。虛擬產品開發有4個核心要素，包括數字化產品和過程模型、產品信息管理、高性能計算與通訊和組織及管理的改變。通過開發虛擬產品可以預先得到加工產品的模型，利用優化手段使模型達到最優后進行產品的加工制造。

采用數字化加工技術可以有效地提高農機零部件設計加工的效率，將物聯網和大數據存儲系統引入更加能夠提高數據的共享和存儲效率，從而實現數字化車間的自動化生產。

2 農機數字化車間核心技術及物聯網智能云平臺

從一般意義上來說，整個數字化設計制造過程主要包括計算機輔助設計、計算機輔助制造、快速成型、三坐標測量和數控加工等。其中，計算機輔助設計和計算機輔助制造是兩個密不可分的整體，在模具或者單件小批量加工時，CAD/CAM表現出了強大的優勢。CAD/CAM一般是指利用計算機硬件和軟件手段進行產品的三維造型、圖紙設計、虛擬裝配仿真、加工工藝仿真和數控編程等。其中，三維造型是非常重要的，因為從三維造型到數控加工可以自動化生成加工程序。產品的三維造型可以通過兩種方式來實現：一是正向設計，從產品的概念到數字模型的產生都是由工程師獨立設計；二是逆向設計，通過對已有產品實物的測量和外形分析，反求出原始的設計數據，并在次數據的基礎上進行改進和設計開發，從而可以大大縮短設計周期，降低產品的設計成本。目前，最常用的CAD/CAM設計工具有UG、Pro/E、CATIA等大型通用軟件。以拖拉機齒輪的加工為例，其流程如圖1所示。

圖1 拖拉機變速箱齒輪數字化加工流程

在拖拉機變速箱數字化加工過程中，可以利用數字化設計加工和仿真軟件進行模型的成型和刀具軌跡的規劃。刀具軌跡具體可以采用曲線擬合的手段，通過擬合型值點，反求加工刀具的走刀控制點，最終形成完整的數控加工路線。為了使各模塊順利運行，還需要車間集成管理系統，如圖2所示。

圖2 車間數字化集成管理系統

根據數字化加工流程，為了實現車間的數字化加工還需要對車間進行集成化管理，主要包括數據采集模塊、實時監測模塊和信息管理模塊。各部分功能的實現可以由軟件系統來協調，如圖3所示。

圖3 軟件系統結構框圖

根據數字化車間集成管理的服務需求，可以架構系統的軟件結構。從總體來說，主要分為3個層次，包括管理層、數據層和底層設備層。這3個層次可以根據具體的應用需求進行設計，其基礎是基于物聯網的通信，如圖4所示。

圖4 基于物聯網的數據通信模塊

數據通信模塊主要包括人機互動模塊、任務管理模塊、設備驅動模塊和數據的上傳與通信模塊，結合物聯網和云平臺可以架構數字化車間的智能服務系統，如圖5所示。基于云平臺技術可以構建數字化車間的智能服務系統，云服務系統主要由3大模塊組成，包括軟件即服務SaaS、平臺(即服務PaaS)和基礎設施即服務IaaS，通過3大模塊可以有效地提高數字化車間的自動化管理水平和效率。

圖5 基于云平臺的智能服務系統

3 基于物聯網和云服務平臺的農機車間數字化設計

為了驗證云服務平臺方案在數字化車間使用的可行性，以農機變速箱的齒輪設計制造為例，對智能化云服務平臺進行驗證。齒輪是各種農機變速箱必有的機械零部件其外形毛坯，如圖6、圖7所示。

圖6 變速箱齒輪

當前直齒輪的設計已經趨于成熟，但隨時農機功率和運行速度的增加，斜齒輪和渦輪更多地被應用到變速箱。斜齒輪和渦輪的設計和加工過程較為復雜，而采用數字化設計將有效地提高設計效率。

圖7 數字化設計零部件毛坯模型

在數字化設計過程中，可以利用云服務平臺對零部件的模型進行創建，利用物聯網共享數據庫信息和經驗數據可以對刀具等參數進行選擇，設計效率較高。刀具的選擇如圖8所示。為了保證數控加工的準確性和高效性，可以在數控加工之前進行加工仿真，調整加工誤差，再生成加工程序，根據刀具的需求參數可以選擇相應的數控加工刀具的相應參數，如圖9所示。

刀具選擇好之后，利用云服務系統仿真軟件對加工路徑進行了擬合，然后通過提取點得到刀位的軌跡圖；最后，自動生成了加工程序，將利用數字化車間加工方法和傳統加工方法進行了對比，得到了如表1所示的數據統計表。

圖8 刀具數字化選擇

圖9 刀具數字化參數選擇

加工工序編號傳統加工方法周期/d數字化加工方法周期/d13.52.824.23.634.63.943.82.953.32.662.11.5

為了驗證基于物聯網云平臺在農機數字化加工車間使用的可行性，對數字化加工方法和傳統加工方法的效率進行了對比，結果表明：數字化加工方法可以有效地提高加工效率，縮短加工周期。由此驗證了方案的可行性。

4 結論

在現代化農機裝備的生產設計過程中，為了實現農機車間的數字化生產過程，提高自動化作業能力，將物聯網和智能大數據云平臺引入到了數字化車間，使數字化車間具有建模、仿真、工藝規劃和數據共享等功能。為了驗證方案的可行性，以農機齒輪的加工為例，進行了數字化加工實驗驗證，并將不同加工工序的工期和傳統加工方法進行了對比。結果表明：采用本次設計的數字化加工方案可以有效地提高加工效率，縮短加工周期，對于農機車間加工能力和加工水平的提升具有重要的作用。