農業機械智能化設計技術發展現狀與展望

駱啟敏

（巧家縣農機安全監理站，云南 巧家 654600）

1 農業機械智能化設計技術發展

1.1 農業機械的模塊化設計

模塊化設計指的是在分析產品功能性的條件下設計的一系列功能模塊，而這些模塊的結合則能夠組成各種類型的產品供客戶選擇。農業機械通常較為復雜，并且模塊常常無法充分適應，所以時常無法發揮模塊化設計的優點。所以，對于農業機械的模塊化設計需要針對模塊的劃分、優化和評價幾個方面開展。

（1）模塊的劃分。如今常見的劃分手段有聚類式及啟發式等，啟發式結合工程適用背景來建立數學規劃模型，利用相應的算法來獲得模塊劃分的最優解。聚類式通過矩陣和網絡的設計來表現產品元素拓撲關系，同時根據聚類算法來計算其中零件的成組模塊區分，最主要的方式有兩點，一種是以DSM聚類作為基礎的模塊劃分方法，另一種則是以圖論作為基礎的模塊劃分方法。啟發式的劃分方法較為容易得出局部最優解，而聚類法則較為復雜，一些較為復雜的產品則并不適用。結合模塊劃分標準可以將模塊劃分手段分成以產品功能性、結構、生命周期三個層面的模塊劃分方法。

（2）模塊的優化及評價。產品的模塊化劃分較為靈活，而模塊化方案的不同，模塊度也會存在一定差異。根據模塊的系統和屬性等層面來探討模塊化產品的優化問題，找出影響產品優化的因素，構建系統成本結構，重點改善系統的運作成本。而農業機械中應用模塊化設計則需要注意兩個層面的問題：其一，農業機械組件和功能性一般會存在一定的異質性，同時組件間的耦合強度普遍較高。所以，在實現模塊劃分過程中，需要重點關注其異質性，對組件進行同質化約簡。而且，因為農業機械組件較為復雜，所以需要進一步考量產品生命周期的影響；其二，需要結合客戶的要求和設計知識支撐的系統模塊參數設計問題。模塊化的設計需要有一個較為完備的應用體系，不但要做到模塊劃分，而且還要設計好模塊主參數。

1.2 計算機輔助建模

目前，CAD 計算機輔助系統用作建模中，主要有PTC Creo參數化建模技術等，在農機產品數字化設計中有著普遍的應用。一般的產品模型數據與標準并不能有效地支撐幾何構造歷史等設計理念的傳遞，而通過以歷史作為基礎的參數化建模手段則能夠利用宏命令來實現CAD 模型的交換。CAD 建模需要利用設計知識來實現智能化的設計，而設計知識與計算機建模的結合，則能夠進一步保證模型的適用性。CAD 模型的設計知識分為尺寸、標準、材料特征等幾個層面的隱性知識。以NIST CPM 作為基礎的面向并行工程的設計數據庫表示模型則將知識描述為三個層面，提出以知識為基礎的參數化設計系統。這類系統通過運用KBE 技術把AGMA 標準結合在了直齒圓柱齒輪的CAD 系統建模中。基于Web 技術的CAD 建模系統則能夠更加快速地產生CAD 模型以及CNC 代碼，形成一種CAD 參數通用模型，利用嵌入式工程概念以及專家知識和設計標準編程與原型軟件包結合的方式來創建CDM 模型，實現產品的自動化開發。

1.3 虛擬仿真

（1）農業機械中虛擬仿真技術的運用。結合生物技術及農藝技術，是集結先進制造技術和智能控制技術以及新材料的先進手段。農業機械仿真涉及到了農業科學、機械學、控制學等多個學科領域，目前仿真工具雖然能夠化解多數仿真問題，不過若想進一步滿足農業機械較為繁雜且多物理耦合的要求則需要根據各個農業機械領域的仿真進行分析。

（2）虛擬現實技術的應用。VR 技術的推廣也為農業機械設計帶來了影響，針對一些結構繁雜，設計起來難度較大的大型農業機械來說，通過VR 技術能夠針對其外觀、功能性、結構等完成建模，并通過虛擬現實技術來實現虛擬作業，對產品的功能性以及設計方案進行評價，并實現人與農業機械的靈活交互。現階段，VR 技術在農業機械中的運用已經成為了各界所廣泛關注的話題，而這一技術的應用也有著顯著的成效，主要應用于虛擬裝配以及虛擬試驗中。其一，虛擬裝配技術。和一般的裝配技術對比，虛擬裝配通過VA 能夠在沉浸式的條件下實現農業機械的裝配，并在產品裝配的方向上來確定其可裝配性，并設計裝配方案。尤其是一些較為復雜的裝配工作，VA 技術擁有著顯著的優勢。由于VA 技術的推廣，國內外都針對虛擬裝配技術的裝配建模以及裝配流程設計等進行了深入的研究；其二，虛擬試驗。利用VR 技術完成農業機械的虛擬試驗不但可以確定產品性能的預測，而且還可以為操作人員了解農業機械提供條件。VR 技術在農業機械虛擬試驗中的應用尚不夠成熟，而通過VR 技術開發的非道路車輛虛擬樣機系統則能夠完成模擬駕駛的目標，通過這一手段可以還實現駕駛控制系統的評測。

2 農機智能化設計技術發展趨勢的展望

2.1 農機設計基礎數據及互作機理

在當前的發展形勢下，現代農業發展及糧食安全的需求逐漸提升，若想對其保障進行有效提高，就要在實際的農機設計基礎上，對其中的設計數據不足、產品質量不高等問題的原因進行細致的分析。

2.2 按照用戶需求進行個性化、定制化的農機設計

根據用戶對農機的實際需求特點，對用戶的需求采用大數據技術進行分析和總結，將農機使用與用戶需求的根本聯系進行總結，對合理優化的用戶需求模型進行建立，將用戶需求與產品設計制造之間的關系、轉化等進行深入的分析和整合，緊密結合用戶的需求來設計產品的功能與結構，不斷提高農機設計制造的效率與質量，降低成本消耗，不斷提升經濟效益和核心競爭力。

2.3 實現多領域協同仿真技術的發展方向

隨著當前農業現代化技術的不斷發展，精細化、信息化農業的不斷發展與進步，精細農業、信息農業的發展，對農機的整體性能與質量也提出了更高的要求，農機的仿真技術也要不斷的進行轉型與優化，要從單一的仿真理論及模式轉變為多系統、全面的仿真理論模式。