CAD技術在農業機械設計中的應用

摘 要 在信息化時代背景下，農業機械的工作環境更為復雜，其使用會受到農作物和土壤等多方面因素的影響。將計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）技術應用在農業機械工程設計中可以降低設計難度、提高產品質量。以機械制圖和CAD技術為切入點，分析農業機械工程設計的特征，并以拖拉機液壓懸掛裝置為例，闡述CAD在農業機械設計中的應用實踐，對CAD技術在農業機械工程設計中的應用提出相關建議。

關鍵詞 農業機械;計算機輔助設計;機械工程設計

中圖分類號：S220.2 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.36.055

信息化的發展給農業機械化提供巨大的發展空間，農業機械在促進農業生產過程中具有非常重要的意義。農業機械正在面對非常嚴峻的挑戰，傳統農業機械已經無法滿足時代需求，必須向自動化、高質量方面發展，傳統手工制圖存在精度差、制圖速度慢等問題，因此利用計算機作為載體，以計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）技術為基礎，合理設計農業機械工程，具有非常重要的意義?；诖耍治鯟AD技術在農業機械設計中實際應用，為后續研究打下堅實基礎。

1 機械制圖和CAD技術

1.1 機械制圖

機械制圖是以圖樣作為核心，將機械工作原理、技術要求、結構尺寸等內容完全呈現出來，而將整個機械圖紙作為機械制圖重要組成部分，盡可能展現制造要求與設計要求。想要設計出真正符合設計要求的機械制圖，要滿足以下2個方面的內容。1）嚴格按照我國國際標準。我國對于機械圖樣有著非常嚴格的標準，如尺寸標注、比例、標題欄及圖紙幅面等都需要明確標注，只有嚴格按照規定進行實施，才能讓整個圖樣具有可讀性與實用性，減少制造環節的意見。2）嚴格實行三視圖與正投影法標準。正投影法是了解圖樣形態的重要途徑，而三視圖則是作為機械設計制圖技術的基礎，合理利用正投影法能完整呈現出物體最真實比例與形狀。俯視圖、左視圖、主視圖是將立體物品通過3個方向來繪制，將物體的實際尺寸與結構完整表達出來。

1.2 CAD技術

CAD技術能夠讓機械設計徹底突破傳統畫圖限制，讓設計人員能深入了解機械設計所表達的結構和意圖。通過專業的CAD繪圖軟件，能確保部件庫、標準件庫、常用件庫等儲存大量數據資源并完成計算工作，給工程設計和制圖工作帶來極大助力。可以看出，CAD技術可應用于設計以下2個方面。1）豐富符號庫與圖形。在往常機械設計中，通常會用到圖形符合，而CAD繪圖軟件則是利用多種標準件庫，并且在工程設計為機械設計提供豐富的圖形與符號，從而組成自制件庫。通過不斷組合圖形符號，能采用搭積木的方式構建詳細的工程設計圖樣。2）提高制圖效率與質量。制圖是以設計者靈活思維為基礎，設計出專業的圖紙，是整個機械設計中最為關鍵的元素，而在傳統機械設計過程中，通常使用紙作為載體，無論是設計改型還是其他方面的設計，都需要專業人員一筆一劃進行，會浪費大量時間，繪圖效率較低。而CAD軟件內含有多樣化資源庫，庫內存在大量應用模板，能提高制圖工作效率與科學性。在面對更改設計方案工作任務，可利用原有圖樣，對圖樣進行科學修改，從而提高新型改良機械效率。

2 農業機械工程設計特點

2.1 農業機械種類繁多

農業機械種類繁多，大概有20種，所涉及的范圍非常廣泛，按照使用價值不同，可分為以下3個方面：1）農業動力機械，如農田基建機械、拖拉機等;2）家禽機械，如飼料加工機械、牧草收割機械;3）農田作業機械，如水稻種植機械、播種機械、耕地機械等。以播種機械為例，可將其分為小區播種機、精密播種機、鋪膜播種機、谷物條播種機等[1]。

2.2 涉及機械工程設計所有子系統

農業機械內部結構非常復雜，其涉及范圍較廣，如農機動力系統、驅動系統等。以農業拖拉機為例，其是將動力系統安裝在農機結構上，從而構成高效拖拉機農機作業機組，此系統具有動力輸出軸、牽引和拖掛裝置、液壓懸掛裝置等;液壓懸掛裝置則是由液壓系統、控制系統、懸掛裝置等構成。因此，想要設計出高質量農業機械，必須要擁有很強的專業能力及豐富的設計經驗[2]。

3 拖拉機液壓懸掛裝置CAD工程設計實踐

3.1 優化設計

在農業機械工程設計時，先要研究農機各方面數據信息，再合理運用信息數據作為設計載體，從備選方案中選擇一套效率最高的方案，以滿足現代農機設計所有需求。在正常設計過程中，若無特殊情況，要嚴格按照機械設計規范標準、設計理論設計數學模型，最后得到機械設計的實時數據。雖然傳統設計技術具有合理的設計環節，但設計應用范圍較窄，只能應用于一些老式農機中，無法滿足現代一些新型農機應用。而CAD技術是在傳統設計基礎上進行優化，利用多方面優化技術擴大農機應用范圍、增加農機種類，同時給農機工程設計提供各種數據信息支持。只需要使用計算機就能及時找到機器所需要的所有零件，再按照機器指令點擊相對命令，顯示屏上就會出現操作的詳細說明[3]。

3.2 綠色設計

綠色設計可提高產品質量和延長產品生命周期，想要確保機械設計質量和水平，設計人員就必須在設計前研究產品環境，從而嚴格控制產品環節，讓其在滿足我國設計標準的同時減少設備運行能源消耗。除此之外，在設計過程時要嚴格控制環境指標，使用最先進、最科學的方式挑選產品原料，能有效降低能源消耗，防止在綠色設計時出現任何其他不良反應。在整個農業機械設計過程中，對材料實施循環利用或通過拆卸方式來實現材料重復利用，從而達到提高效率、節約能源的目的。例如，雷沃農機工程生產企業以綠色理念作為基礎，CAD軟件本身就具備一定的成本控制能力，能引導用戶在最短時間內熟練掌握軟件的設計方法。而評價決策系統作為整個CAD技術中的首要位置，通常應用于模擬活動后，后構建農業機械提供豐富資源與數據，提高元受力控制力和優化系數，提高機械設計質量，降低設計成本，生產最具有較高穩定性、可靠性的產品[4]。

3.3 系統設計

現如今，我國農業機械種類趨向于多樣化，結構形式同樣非常復雜，要利用全方位控制系統，來提高農機運行的準確度。農機機械則是由傳動系統、執行系統、操縱系統等部分構成[5]。再以CAD技術為基礎，對影響農業機械質量內外因素實施針對性研究，分析出影響因素與問題之間必然聯系，再利用科學的CAD模型完成解答任務。除此之外，工作人員還要構建健全的預測評價系統，對產品質量和外觀進行公平、公正的評價，合理規范系統設計。基礎的CAD三維實體模型設計中具有6種形狀，即三角形、方形、球形、柱形、錐形及棱臺等。因此，在設計過程中，要將數據參數化，同時進行模擬仿真，讓整個設計方案具有穩定性與可靠性。除此之外，CAD技術將設計中的建模技術與軟、硬件技術有效結合，是我國目前技術的重要體現[6]。

3.4 拖拉機懸掛裝置組成圖——方案設計

機械設計是使用三點懸掛法完成整個設計動作，而履帶式拖拉機要比機械設計少一點，采用兩點懸掛的方式。拖拉機各裝置下拉桿提高農具牽引力與傳遞力;上拉桿控制農具縱向作用力;提升臂帶動下拉桿上升與，而下降是受到農具重力控制;提升桿控制傳遞力，應用于提高牽引力（如圖1所示）。

3.5 結構設計

結構設計以原理圖為基礎，同時添加了定尺寸、構形、定材料等元素，讓材料、功能面、聯接都具有變形功能。此外，在整個拖拉機液壓懸掛裝置設計中，拖拉機相關與后置三點懸掛裝置尺寸，下懸掛點到拖拉機中心平面的橫向距離與橫向擺動量，下拉桿水動力輸出末端到下懸掛點的距離等數據規范;提高水平調節、高度、行程范圍，如水平調節范圍、運輸高度、立柱調節范圍等參數。

4 CAD輔助繪圖與分析

4.1 三維立體設計

在必要情況下，設計人員可進行三維模型繪制，三維模型繪制可用于計算機模擬裝配，便于設計人員可及時探測到設計問題，在第一時間提出能解決的方案，降低企業將要承受的經濟損失。三維模型繪制分層包含：三維零件模擬裝配、三維零件設計、三維模擬裝配、三維實體造型設計等。

4.2 計算機輔助有限元分析

要進一步分析農業機械設計手冊內容，嚴格按照內容標準來實施，合理應用剛度矩陣，來處理邊界要素，對農機機架、接頭采用建模措施，充分利用位移函數與剛度矩陣對一些承力部件同樣利用有限元進行深入研究。由于邊界條件不同，所運用的處理方式會出現較大差異，所造成的有限元方程所求解值帶來一定影響，會給工程設計中帶來標準要求，規定必須要對一致邊界條件進行專業處理，從而形成邊界條件處理規范。

5 CAD技術在農業機械工程設計中的應用建議

5.1 加強標準件、通用件的使用

農業機械的組裝通常是采用通用件與標準件兩種零件，同時要嚴格按照我國標準規范，而連接部件主要功能是連接這兩種零件之間的距離，確保農業機械組織的靈活性與適應性，其具有成本價格低廉、制造質量高等優點，如果使用其他自制件，會引發一系列問題，如接口適用性差、加工周期長等問題，很難確保農業機械的質量。

5.2 關注性能成本設計要素

農業機械要求性價比高、性能強、結構緊湊。因此，在設計過程中要提高農機性能與安全余量評估的重視程度，避免出現功能性能過剩情況，從而帶來使用成本浪費情況。成本控制作為農業機械生產的重要環節，它主要體現在保養維護、制作工藝、材料選擇等方面，合理控制設計成本，是設計者能力與知識的體現。

6 結語

在農業科技飛速發展的今天，CAD軟件設計在整個機械設計中發揮著極其重要的作用，并逐漸普及在農業機械工程設計中，給機械設計提供豐富的資源數據與專業模板。進一步探索CAD技術在機械設計的實踐應用，充分借助CAD技術，提高產品功能性，降低生產成本，促進農業機械設計的進程。

參考文獻：

[1] 尹超義.關于CAD技術在農業機械工程設計中的應用研究[J].河北農機，2021（14）：12-13.

[2] 劉玉芹.CAD技術在農業機械工程設計中的應用研究[J].南方農機，2021，52（1）：62-63.

[3] 都晨.CAD技術在農業機械工程設計中的應用分析[J].現代農機，2020（5）：26-27.

[4] 陳紅.農業機械數字化設計平臺研究：基于微信公眾平臺和移動學習[J].農機化研究，2020，42（2）：125-129.

[5] 顧冰潔.針對現代數字化設計制造技術在農業機械設計制造上的應用研究[J].中國機械，2019（6）：7.

[6] 杜岳峰，傅生輝，毛恩榮，等.農業機械智能化設計技術發展現狀與展望[J].農業機械學報，2019，50（9）：1-17.

收稿日期：2021-11-15

作者簡介：劉磊（1974—），男，山東濟寧人，大專，工程師，研究方向為農業機械等。E-mail：15054717166@139.com。