農(nóng)機(jī)數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)的研究

付亞萍

(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院大豆研究所，哈爾濱 150086)

0 引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械化是提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平、加快農(nóng)業(yè)發(fā)展、御抗自然災(zāi)害及保障糧食安全的的條件之一，目前，世界農(nóng)業(yè)發(fā)展水平正在向大型化、多功能、集成化、高速化、自動化、智能化、復(fù)式聯(lián)合作業(yè)等方向發(fā)展。我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化正處于快速上升時期，但是與發(fā)達(dá)國家相比，仍然存在農(nóng)機(jī)產(chǎn)品自主創(chuàng)新能力弱、農(nóng)業(yè)設(shè)備設(shè)計及開發(fā)技術(shù)手段落后、核心技術(shù)及材料生產(chǎn)差距較大等問題。因此，加快提升我國農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的生產(chǎn)速度及質(zhì)量、全面提升我國農(nóng)機(jī)裝備水平迫在眉睫[1-3]。

農(nóng)機(jī)產(chǎn)品及相關(guān)設(shè)備的設(shè)計及研發(fā)主要分為四個階段[4-5]。1)產(chǎn)品規(guī)劃階段：按照設(shè)計要求，專業(yè)人員提出產(chǎn)品設(shè)計任務(wù)書；2)零部件設(shè)計階段：不斷優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計過程及關(guān)鍵零部件的設(shè)計；3)工藝設(shè)計階段：完成產(chǎn)品的總體設(shè)計；4)生產(chǎn)控制階段：對設(shè)計出來的產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)檢，當(dāng)質(zhì)檢過程出現(xiàn)問題后要進(jìn)行不斷優(yōu)化與修改，保證產(chǎn)品可以獲得良好的性能參數(shù)。農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計及研發(fā)的生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計及研發(fā)的生產(chǎn)工藝流程

農(nóng)機(jī)數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要是依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計目標(biāo)及具體任務(wù)利用計算機(jī)輔助工具進(jìn)行產(chǎn)品全面數(shù)字化設(shè)計，利用各種幾何造型系統(tǒng)獲得產(chǎn)品設(shè)計前期存在的不足與缺陷。

1 內(nèi)涵及發(fā)展意義

1.1 內(nèi)涵

農(nóng)機(jī)數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)是基于數(shù)字化設(shè)計及計算機(jī)仿真模擬技術(shù)及材料研發(fā)與應(yīng)用等，對農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化與分析，通過可視化檢查及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計中存在缺陷與不足，如數(shù)據(jù)的運(yùn)算、關(guān)鍵零部件的裝配、動態(tài)模擬等，還可以的出多種設(shè)計方案，及時對設(shè)計方案進(jìn)行修改，避免農(nóng)業(yè)產(chǎn)品設(shè)計過程中存在返工現(xiàn)象，可以顯著提高農(nóng)機(jī)產(chǎn)品研發(fā)效率，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期[8-9]。

1.2 應(yīng)用意義

農(nóng)機(jī)數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)對于推動農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)效率，提高農(nóng)機(jī)產(chǎn)品研發(fā)的可靠性與穩(wěn)定性，應(yīng)用意義主要表現(xiàn)為：1)集成化，農(nóng)機(jī)數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)不僅僅是面向產(chǎn)品生產(chǎn)的某一環(huán)節(jié)，而是對農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的整個生產(chǎn)全過程的現(xiàn)代設(shè)計集成系統(tǒng)，實現(xiàn)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)全過程的數(shù)字化信息管理與控制；2)智能化，與傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計方法與技術(shù)相比，利用農(nóng)機(jī)數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)需要產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)人員全部了解生產(chǎn)細(xì)節(jié)與過程，主要依靠計算機(jī)設(shè)計研發(fā)出滿足生產(chǎn)目標(biāo)的產(chǎn)品，且農(nóng)機(jī)數(shù)字化設(shè)計與制造系統(tǒng)具有自動更新知識、豐富數(shù)據(jù)庫的能力，可以彌補(bǔ)人員設(shè)計時的相關(guān)缺陷，提高產(chǎn)品研發(fā)的速度，減少成本投入，保證農(nóng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)在激烈的市場競爭中提升自身競爭力及產(chǎn)品研發(fā)能力。

2 農(nóng)機(jī)數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 農(nóng)機(jī)產(chǎn)品數(shù)字化建模技術(shù)

農(nóng)機(jī)產(chǎn)品數(shù)字化建模是基于計算機(jī)建模軟件，以產(chǎn)品設(shè)計的模型信息為基礎(chǔ)，對設(shè)計模型的形狀、屬性、尺寸、零部件的裝配等進(jìn)行形體表達(dá)，數(shù)字化建模決定了農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計水平及研發(fā)效率。目前，常見的計算機(jī)輔助軟件主要包括CAD、Pro/ENGINRRE、UG、Soildworks、CAXA等[6]，通過數(shù)字模擬、仿真、檢驗等數(shù)字分析技術(shù)，優(yōu)化并改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計方案，提高產(chǎn)品的研發(fā)效率與質(zhì)量，可以顯著降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，減少由于前期人工設(shè)計等原因造成的產(chǎn)品返工[7]。農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的建模過程如圖2所示。

圖2 數(shù)字化設(shè)計建模基本流程圖

2.2 數(shù)字化仿真技術(shù)

數(shù)字化仿真技術(shù)是對產(chǎn)品整體系統(tǒng)進(jìn)行模擬與仿真，呈現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)行為及其性能特征，用于評估產(chǎn)品設(shè)計過程中的配置、尺寸及裝配是否合理，工作性能是否滿足生產(chǎn)要求，預(yù)測產(chǎn)品設(shè)計過程中可能存在的性能缺陷，為系統(tǒng)的設(shè)計及生產(chǎn)提供決策。數(shù)字化仿真技術(shù)的基本工作流程，首先是在集合建模的基礎(chǔ)上，提取產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù)及技術(shù)特征，對產(chǎn)品模型進(jìn)行參數(shù)求解與數(shù)值試驗，產(chǎn)品設(shè)計人員可以根據(jù)仿真結(jié)果提取相應(yīng)的價值信息，為后續(xù)產(chǎn)品的生產(chǎn)制造提供科學(xué)參考依據(jù)。目前常見的數(shù)字化仿真技術(shù)如表1所示。

表1 常見的數(shù)字化仿真技術(shù)及其應(yīng)用特點

2.3 DFA計算機(jī)裝配技術(shù)

DFA計算機(jī)裝配技術(shù)是在產(chǎn)品設(shè)計后期將所有零部件裝配成一體，保證零件的裝配合理性，是產(chǎn)品設(shè)計及研發(fā)的最終目標(biāo)。在進(jìn)行農(nóng)機(jī)產(chǎn)品DFA技術(shù)應(yīng)用時，主要是基于相關(guān)產(chǎn)品概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用DFA裝配知識庫，基于產(chǎn)品的可裝配性評價指標(biāo)及相關(guān)裝配知識，對產(chǎn)品設(shè)計的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行可裝配性評價與推理決策。在開展DFA計算機(jī)裝配技術(shù)時，需要將產(chǎn)品設(shè)計人員、裝配人員、生產(chǎn)制造人員及銷售人員共同參與進(jìn)來，通過預(yù)覽產(chǎn)品關(guān)鍵零部件的預(yù)覽裝配過程，在線規(guī)劃產(chǎn)品裝配過程，如裝配順序及相關(guān)裝配路徑等，及時進(jìn)行產(chǎn)品調(diào)整，保證后期生產(chǎn)制造過程中的合理性與可靠性，是提高研發(fā)效率的重要環(huán)節(jié)及核心技術(shù)。

3 應(yīng)用思路分析

農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計及制造范圍廣泛、種類多且市場需求較大，目前我國農(nóng)機(jī)產(chǎn)品共分為15個大類、96個小類，共計超過3 000種產(chǎn)品，但是由于我國農(nóng)機(jī)生產(chǎn)及制造技術(shù)在技術(shù)水平、自主創(chuàng)新能力、產(chǎn)品研發(fā)等與發(fā)達(dá)國家還有較大的差距，在基于計算機(jī)仿真技術(shù)、快速建模技術(shù)及動態(tài)分析技術(shù)加速農(nóng)機(jī)產(chǎn)品研發(fā)的同時，未來應(yīng)該加強(qiáng)對農(nóng)機(jī)產(chǎn)品性能的預(yù)測及優(yōu)化。

3.1 突出農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的自主創(chuàng)新能力

在農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計及制造過程中可以優(yōu)化設(shè)計方案與設(shè)計理念。但是目前農(nóng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)較多，未來提高市場競爭力，應(yīng)該加強(qiáng)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)的自主創(chuàng)新能力，在農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計及研發(fā)過程中，加強(qiáng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫開發(fā)及決策技術(shù)等的應(yīng)用。

3.2 發(fā)展虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是數(shù)字化設(shè)計及制造技術(shù)的延申與發(fā)展，它是集3D建模技術(shù)、多媒體、實時視頻顯示及控制、多傳感器融合、實時跟蹤、場景融合等新技術(shù)與新手段等為一體，在傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計及制造過程中除了給生產(chǎn)者直觀的靜態(tài)三維模型，還可以創(chuàng)建一個虛擬世界，讓設(shè)計者身臨其境地感受到產(chǎn)品的設(shè)計過程及工作性能，給設(shè)計者帶來虛擬的全感官體驗。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、研發(fā)周期長的大型農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計與研發(fā)，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以模擬產(chǎn)品的工作性能，更加清晰地展現(xiàn)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能，更好地優(yōu)化復(fù)雜農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計過程。

3.3 基于產(chǎn)品研發(fā)的智能推理技術(shù)

基于產(chǎn)品研發(fā)的智能推理技術(shù)又被稱為基于規(guī)則推理技術(shù)(Rule-based reasoning，RBR)，是一種接近人類思維的方法，主要是當(dāng)設(shè)計者開始研發(fā)新產(chǎn)品的同時，根據(jù)以往類似的產(chǎn)品設(shè)計，針對二者之間的聯(lián)系與差別，進(jìn)而確定新的產(chǎn)品設(shè)計方案，基本設(shè)計流程如圖3所示。可以為相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計提供實例策略及優(yōu)化，是未來數(shù)字化設(shè)計及制造技術(shù)的發(fā)展熱點之一。

圖3 基于產(chǎn)品研發(fā)的智能推理技術(shù)基本流程

4 結(jié)論

農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備是保證農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的物質(zhì)基礎(chǔ)與條件之一，農(nóng)業(yè)機(jī)械水平及綜合實力的不斷提升，實現(xiàn)了我國農(nóng)產(chǎn)品由依賴進(jìn)口到目前自給自足的基本平衡。農(nóng)機(jī)數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)在提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力、增強(qiáng)農(nóng)機(jī)產(chǎn)業(yè)在保障國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展及糧食安全的能力、提升我國農(nóng)業(yè)發(fā)展在國際競爭力及實現(xiàn)全面建設(shè)農(nóng)村農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)揮著重要作用。