基于三維標注及數控技術的農機零部件設計

趙宏平

蘇州市職業大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215100

三維標注技術也叫做MBD 工程化技術，在加工制造領域，三維標注技術是三維設計模型的核心支撐技術，能夠提供三維設計模型所需要的的數據源。如今，隨著數控技術的快速發展，數字化設計在機械制造中的應用越來越廣泛，尤其結合三維標注的設計手段，更是有效提高了機械設計的水平。但從國內外的應用情況看，數控技術與三維標注結合使用，主要集中在工程機械、礦山機械、環保機械等方面，而農業機械很少涉及。目前我國的農機設計采用二維圖紙較多，或者使用簡單的三維數字模型，設計周期較長，設計制造的效率也較低[1]。Bortolini M 等調查了美國加州129 家農機制造企業，發現只有13 家在設計時結合了三維標注和數控技術，使用率只有10%，尚有很大的普及空間，由此提出在一種新型多功能干草農業機械可持續設計中采用此方案，并給出生命周期評價和推廣建議[2]。Mamparambath AA 基于澳大利亞堪培拉地區的農機設計制造現狀，以生產和銷售數據為衡量指標，發現采用三維標注和數控技術設計方案的農機制造企業，生產和銷售數據明顯優于其它農機制造企業，說明該設計方案能夠加快高質量的農機設計，從而在農機市場上搶占先機，并探討了三位一體農機系統設計采用此方案的可行性[3]。而國內關于這方面的研究尚處于空白地帶，本文參考國外相關研究的經驗做法，提出一種基于三維標注及數控技術的農機零部件設計方案，旨在提高國內農機設計水平和效率，為國內農機制造業的發展提供借鑒。

1 農機零部件設計步驟

數字化設計在機械制造業的應用日益廣泛，尤其隨著CAD 三維設計技術的成熟，給機械研發模式帶來了較大的變化。在農機制造領域，越來越多地采用數字化設計方式，推動了新型農機的研發進程。根據美國、澳大利亞等國的農機設計進展，CAD 三維設計融合了標注方式，即三維標注技術在農機設計中得到了一定應用。基于三維標注技術的農機零部件設計步驟如下：（1）設計出2D 圖紙；（2）加入CAD 三維設計技術，構建三維模型；（3）導入三維標注系統，得到優化后的三維模型。其中第三步需結合仿真技術，包括離線仿真與即時仿真，在優化時要根據仿真結果進行。

2 農機零部件優化設計

2.1 傳統的設計方式

在傳統模式下，農機零部件設計主要采用一種階段性設計方式，即：概念設計—2D 圖紙設計—相關模型設計—工藝設計。這種階段性設計思路一般采用序列號分段模式，參與設計的每一個部門根據要求按部就班工作，只考慮本身的工作需求，較少顧及其它部分的需求[4]。農機設計若使用傳統方式，通常不會考慮到整個設計過程的生命周期，導致產品出現較多的缺陷，而且會反復修改設計方案，延長了設計周期。傳統模式下的農機設計屬于一種單向式的主體傳遞，各主體的相互聯系很少，且在2D 圖紙上容易忽略公差，設計出來的產品返工率較高，整個設計過程缺少統一化管理[5]。

2.2 以收割機擋板為例的優化設計

農機裝配通常較為復雜，尤其是一些大型農機，如拖拉機、收割機等，涉及到很多零部件，如何對每一個零部件進行優化設計，使之符合裝配要求，已成為農機智能化生產的一大關鍵因素。本文以收割機擋板為例，詳細探討農機零部件的優化設計。

在機械加工領域，零部件設計的2D 或3D 圖紙，需要標注出公差才能加工。例如一塊切割機擋板，只是給出190 cm 的尺寸要求，通常難以加工出正確尺寸。但在實際中，設計師在零部件設計時，一般只是在圖紙中指出要按照GBT1804-2000 執行，很少會標注公差，這已成為一個不成文的規定。或者有些設計師會在圖紙中給出一個統一的公差范圍，讓加工人員執行，但不會詳細標注。例如收割機擋板正確的2D 和3D 設計圖紙應如圖2 所示。

圖1 收割機擋板正確的設計圖紙Fig.1 Correct design drawing of harvester baffle

三維標注系統則提供了自動標注公差的功能，即將圖紙數據輸入系統，就會自動計算出公差。此外，三維標注系統還有一個非常重要的功能，就是能標注出零部件各位置的距離。如圖2 所示，為測量出收割機擋板兩個外側孔之間的距離，三維標注系統給出了測量條件選擇，起始點和終點都有三個選項：中心、最小、最大。即中心點距離、最小的內側距離、最大的外側距離，由此對孔位置形成了精確的定位，如圖3 所示。三維標注技術真正的意義在于得出機械加工所需要的裝配尺寸，使加工設計能夠符合既定的要求，而這一點在2D 工程圖上是比較難做到的。

圖2 兩孔距離測量Fig.2 Distance between two holes

圖3 兩孔位置精確定位Fig.3 Accurate location for two holes

圖4 協同設計功能Fig.4 Collaborative design function

從傳統農機設計的缺陷看，由于各參與的部門缺少交互，導致共同設計的理念缺失。而三維標注系統還提供了協同設計功能，如圖4 所示。在該功能界面上，所有設計人員可以共同參與收割機零部件模型設計，并對裝配好的收割機模型進行數控仿真。由于三維標注系統內置了運動算例功能，因此經過數控仿真后的三維標注模型，無論尺寸和造型都能達到預定的需求。在共同設計理念下，三維標注與數控技術的結合，極大地減少了零部件裝配的返工次數，并且促進了各部門的交流協作，使農機零部件設計形成更加精細化的管理。

2.3 優化后的農機零部件設計驗證

三維標注技術體系可集成，通過三維標注和數控技術，能夠使農機設計制造變得更加智能化。通過三維標注模型可以得到農機零部件的幾何特征以及備注信息，包括具體尺寸、精細度、公差等。三維標注模型庫通常采用管理樹的方式進行管理，每一節點對應一個三維標注模型，方便設計階段不同時的數據使用，達到協同設計與智能化制造的目的。優化后的農機零部件設計需要進行驗證，以收割機零部件設計為例，在優化設計之后，收割機的相關信息采用三維標注模型管理樹方式進行管理，收割機的不同零部件根據樹狀排列，然后進行零部件的編號，每一個編號對應一個零部件的信息，最后進行數控仿真和智能化加工。

3 結論

農業現代化是我國新時期的一大戰略，而農機智能化制造則是農業現代化的一個重要組成部分。為提升農機智能化制造的水平，本文提出一種基于三維標注及數控技術的農機零部件設計改進方案，提高了農機零部件設計效率，縮短了設計周期，同時在協同分析平臺的支持下，參與設計的各部門還能進行互動交流，及時提出修改意見，減少設計產品的返工次數。通過驗證，以管理樹方式實現了精細管理，方便設計人員準確獲取零部件信息，為數控仿真和智能化加工奠定基礎。