數字化設計系統在農業機械設計制造中的應用

姚 楠，王偉超

（哈克（邯鄲）農業機械裝備制造有限公司，河北 邯鄲 056000）

現代機械產品在我國的地位日益提高，主要原因在于我國經濟水平的持續提高以及國家改革步伐的加速，促使農機產品獲得顯著發展。農機產品的發展還給人們的生活提供了極大的便利，推動了其他產業的發展。農業的發展少不了機械的支撐，但是機械在應用實踐中不可避免地會產生各種無法預計的問題，由此影響到農業生產。對此，農業若想取得持續發展，就需要科學規劃農機產品，而農機設計環節需要充分應用現代數字化設計制造技術中的數字化設計系統。

1 數字化設計系統的概念與特征

1.1 概念

農機產品設計應根據其應用方向展開，完善功能構成，在應用階段降低故障出現的概率，農業生產活動也可以更加高效地處理。數字化設計觀念在農機產業方面盡管使用周期不長，但是獲得了較好成效，其設計出的產品結構更加符合應用標準，能依靠計算機處理的設計任務節約信息分析計算的所用時間。依靠計算機內的功能系統，可以順利完成圖紙描繪，且基于系統虛擬來觀察運轉過程的機械穩固性，最后獲得的機械產品更加安全有效。

1.2 特征

數字化設計系統是一種應用較為普遍的先進科技，在具體使用過程中呈現出很多特征。1）數字化設計系統作為一個集中的設計模型，能夠被用于很多領域，而且適應性較強，同時有較大的潛藏空間，這些潛藏空間能夠處理許多可能存在的弊端。2）數字化設計系統能夠實現多組共同運轉的可能性，促使工作效率得到大幅度提升，并且，使用數字化設計系統能夠節約大量時間及成本，從本質上提升工作效率。3）因為該種模型是集中的，所以能夠保證其設計效果。此外，設計環節能進行模型虛擬處理，該技術也是完全借助計算機軟件來完成電腦合成的，能夠克服傳統技術對實體模型的依賴性。因此，相較于傳統設計方式，數字化設計系統最大的特點在于可節省成本與提升工作效率。

2 數字化設計系統的應用熱點

在農機產品設計制造環節，數字化設計能夠起到非常關鍵的作用，但是要想實現農機產品設計制造和數字化設計制造的充分結合，相關人員還必須在技術、觀念上不斷創新。

2.1 CACD 技術

CACD 技術主要依靠現代設計的觀念而展開，機械設計模式存在一定的開放性，同時開發程序非常標準。就數字技術而言，其主要是在任務、概念、科技與施工等方面進行了整體完善，進而為整個農業的持續發展生產大量優質產品，且提出了一系列改進技術。總體來講，以CACD 技術為主的產品包括概念設計產品與構型設計產品，而概念設計重點負責編制方案內容，構型設計就是確定具體細節。這兩種技術的協同出現，對設備質量、功能、成本與最后交貨期間做出了明確決定。

2.2 VP 技術

VP 技術是數字化設計系統的一個關鍵分支，獲得了人們的廣泛關注。VP 技術是基于CAX 等技術研發出來的，其把信息系統、先進制造系統與先進虛擬系統等用在復雜系統的整個壽命周期，且展開整體管理，從系統方面研究復雜系統，支撐“從上到下”的復雜系統研發方式。VP 技術是結合產品設計資料和產品概念出現的，在功能、行為與感官特性等層面同物理原型盡量類似的能虛擬的計算機模型。VP 技術通過約10 年的發展，已能夠取代部分物理原型，在設備設計方面獲得了普遍應用。

2.3 KBE 技術

數字化設計制造系統中KBE 的應用越來越普遍。現代設計與傳統設計的差別是因為市場、競爭與技術發展環境的改變，更為依賴對新知識的獲得，而非依靠經驗。在AI技術與KBE 等方面產生的依靠框架、設計、模型以及本體等諸多建模技術知識，目的在于獲得計算機自動推理知識，提升計算機自動服務水平[1]。針對新知識的獲得，一般有以下幾個來源：現有知識及市場數據、數字虛擬和仿真現實、物理模型測試、樣機測試、現有產品工作表現。

3 數字化設計系統在農業機械設計制造中的具體應用

3.1 農機產品的革新

為加快國家工業產業發展速度，必須注重農機產品的設計完善。比如，最早使用的拖拉機的功率分布有很多弊端，整個市場基本均是低功率的拖拉機，極少出現高功率的拖拉機，這樣將直接制約整個農業產業的發展；為改善這種狀況，如今出現了很多依靠數字化系統設計的農機產品。又如，數字化同步器和動力換擋搭配靜液壓傳動的全新拖拉機，在具體生產階段能夠直接顯示相關生產信息，且可與最早的信息資料相比較[2]。在操控方面，其系統更加靈活，操作性較強，而且附著單獨的操控面板與操控機構，進而使操控效果更加凸顯。從總體上來說，在革新農機產品時，可以從技術掃描、技術研究與材料優選角度著手，借助最新的數字系統使之具備更好的知識表達能力。因此，不管是數據創建或者組織應用，均有較好的成效，可以充分結合決策技術與知識表達。

3.2 VR 技術的應用

當前，VR 技術已被應用于諸多領域，充分突出了VR技術的學術應用優勢。在農業設計制造中，VR 技術也表現出良好的應用效果，可以結合三維影像、影音資源和多媒體等，讓設計師更好地根據個人想法創建出對應的情景，為用戶帶來良好體驗，使其產生一種身臨其境的感覺。就我國來講，VR 技術主要被應用于大型設備中，由此模擬設備的一些特殊性能逐漸完善結構與性能[3]，而且其創建的數據反饋系統能夠加速設備投放速度，提高使用效果，讓大量使用者直接知道其優點所在，掌握其結構性能。另外，國外依靠VR 系統設計出的農機產品涉及的技術較多，最常見的就是增強可視化系統內容，重點以CAD 為主，獨立創建一個功能性模型，且借助模型輸入形式，將之傳送至VR環境中，完成增強產品的目標。比如，在農機產品中存在特殊的VR 頭盔顯示儀，透過屏幕便可以讓操作人員直接產生操控體驗；其內在的VR－CAD 軟件也可以融入虛擬環境中的輔助設計，由此全面完善大型產品的設計方式與功能效果[4]。從整體來講，在國外這種技術已發展得相當成熟，創建了特殊的體系。然而，我國相應的研究依舊處于起步期間，農村還沒有廣泛應用該技術，理論與技術模式均有很多不足。同時，依靠農業教學自身產生的“機械設計技術”也具有較高的使用率，在演示產品時使用了大量的設計教學內容，較為普遍的是拆裝教學內容、運行原理內容與故障檢測內容等。其中，拆裝教學內容主要使用了VR 軟件，讓操作人員戴上VR 頭盔，遠距離觀察演示說明，掌握怎樣準確拆裝農業機械。比如，小麥聯合收割機的各項功能可以依靠VR 技術得到體現，包含內部構造、拆裝訓練與原理展示等。當下農場的具體原型經在Unity 系統上的積極研發，能創建虛擬可視化系統[5]。此外，還可以基于VR技術把設備的操作與拆卸都呈現出來，使操作人員按照實際情況嘗試多次練習，提高自身操作技能與應用水平。正因如此，促使農機設計制造更充滿數字化特征。

3.3 注重機械協同設計

農機產品制造單位正處于新的商業環境中，如設備定制需求增加，跨部門以及跨企業協同展開設備設計和制造等，因此機械設計制造協同屬于現代企業迎合全新商業環境的重要途徑，還是國家發展農機產業以及整個機械產業所發展的趨勢。估計發現，發達國家制造單位在新產品研發階段通常有40%～70%的工作是和其他企業或合作伙伴共同完成的。怎樣從大量的產品資源中挑選適當的資源，這可通過現有知識庫內的搜索算法實現。雖然像PTC 企業這種把全部的資源均融進自身的服務器的方法在搜索算法方面實現得比較簡單，但是當前在我國并不現實[6]。對此，供貨商可在自身的服務器上供應配件的資源數據。農機產品在農業經濟與農業發展階段中一直處在非常關鍵的位置，把數字化設計系統融進農機產業是轉變農機制造形式，用新科技改造傳統產業，支撐新興農業科技，增強農業競爭力的關鍵途徑。

3.4 環保技術的應用

如今，我國農業慢慢朝著環境友好型方向轉變，對農機產品設計制造環節提出了更高的要求。利用數字化設計系統能夠明顯提高農機設備的節能效果，彰顯其環保能力，減少能源的總體消耗，為企業創造大量收益。通常情況下，環保技術能夠以仿真實驗的形式實現，經過技術調整設計出新型的環保型的農機產品。

4 結束語

機械產品制造創新速度不斷加快，使數字化系統在人們的生活及生產活動方面起到了越來越重要的作用，使用范圍也不斷擴大，現已經變成人們實際生活中必不可少的關鍵部分。在農機產品設計制造方面，數字化設計系統的使用明顯提高了生產與修整效率，既保障了生產效率，也保障了制造質量，使傳統設計獲得全面改善。因此，農業機械設計過程中應積極嘗試應用KBE 技術、VP 技術、CACD技術，通過現代數字化設計技術彌補傳統設計模式的不足。