河北農業機械定制生產平臺研究

河北農業大學機電工程學院 李昕 馬志凱 袁永偉 張博

1 河北農機產業現狀

河北東臨渤海，西倚太行，北與內蒙古、遼寧交界，地形復雜多樣，山地、丘陵、平原等類型齊全，包含了水田和旱地，農作物種植多樣化，耕地類型復雜。農業機械是科學技術向農業生產需求轉化的成果，農業機械的狀況反映了制造業的發展水平。河北擁有一大批農業機械生產企業，比如河北圣和農業機械有限公司、河北久豐農業機械有限公司、河北雷肯農業機械有限公司、河北農哈哈機械集團、河北英虎農業機械制造有限公司、河北博亞農業機械制造有限公司等，研發和生產各種還田機、深松機、旋耕機、收獲機、打捆機、拖拉機等。河北省農業裝備產品的研發以結構簡單、中小功率的產品為主。中小型農業機械設備具有體積小、重量輕、行走靈活的特點，是當今農業機械化作業的重要設備，有廣闊的潛在市場。目前，中小型農業機械設備特點為以下幾方面。

1.1 農業機械設備功能多，專業化強

用戶對功能的需求呈現多樣化的特點，對產品所具備的功能并非都需要，無形中為多余功能承擔了不必要的費用。

1.2 單一設備需求量小

針對用戶實際需求進行小批量生產，導致生產成本提高，加大了用戶的負擔[1]。

1.3 農業機械產品開發過程系統性差，效率低

先進生產技術應用不普及，生產與設計過程相分離，客戶參與度低，缺乏客戶協同設計的支撐技術[2]。

農業機械產品與用戶需求脫節，造成了農業機械產品的積壓，增加了營銷和庫存等環節的費用。隨著互聯網技術、信息技術、先進制造技術的推廣和滲透，傳統的農機制造業也面臨轉型和變革。農業裝備產品的特點是結構復雜，種類繁多，專用性強，定制生產模式是發展農機制造業的重要切入點，定制化生產和服務成為農機制造業有力的競爭手段。

2 定制生產模式

定制生產利用網絡信息平臺，為客戶提供個性化的產品，并且接近批量化生產的成本，以迎合多樣化的市場需求，提高企業生存空間和競爭能力。定制生產模式的基本特征如下。

2.1 以客戶需求為核心指導產品研發

定制生產模式強調客戶參與，關注客戶需求，是一種訂單拉動型生產模式。以訂單為導向，進行產品設計、生產全過程的規劃和實施。

2.2 對市場做到快速響應

利用產品在功能、結構方面的相似性，將產品分解為標準化、模塊化、可操作的單元，通過單元接口重構為變化的方案，將單件生產全部或部分轉化為批量生產，具有很高的柔性，效率高，靈活性強。

2.3 技術是生產實施基礎，定制生產模式的關鍵技術如下

2.3.1 虛擬現實技術

工業生產中的虛擬現實技術包含了虛擬建模技術、虛擬仿真技術、虛擬裝配技術和虛擬制造技術。虛擬建模技術是利用計算機軟硬件建立虛擬可視化零件模型。隨著建模理論的發展，虛擬建模技術已不是早期對點、線、面、幾何體等簡單圖素的堆砌，而是具有工程約束和尺寸驅動功能的參數化特征建模技術。虛擬裝配技術將零件模型按照一定的配合關系、約束關系組裝在一起，為產品設計提供了完整的結構信息。裝配模型可以分解為爆炸圖，零件在空間中按一定距離分散，目的是展示零部件之間的相互位置關系[3]。虛擬仿真技術模擬真實的系統和環境，進行產品生產或工作過程仿真，目的是預測產品制造可行性，以及產品的工作性能。工作過程仿真可以進行非載荷狀態下的運動學模擬，也可以進行載荷狀態下的動力學模擬，以檢驗產品運行過程中，零部件的干涉情況，運動軌跡、參數的變化，以及震動、變形情況。從而避免失誤，降低投資風險。虛擬制造以產品設計方案模型為核心，對產品加工可行性、生產經濟性進行分析與預測，進行工藝規劃、工序制定、數控編程、加工制造等環節的決策與控制。產品虛擬開發系統組成如圖1所示。

圖1 產品虛擬開發系統組成

2.3.2 柔性制造技術

伴隨著計算機軟硬件、信息技術、自動化技術的發展，和成組技術、物流技術、數控設備的應用，柔性制造技術（FMT）產生。柔性制造系統是高自動化程度的生產系統，由多臺數控加工設備組成，能夠根據加工對象的變化，不斷調整加工步驟和刀具、夾具等工藝裝備，在時空上具有高度靈活性。柔性制造系統主要由物料系統、加工設備和信息系統幾部分組成。物料系統包含了自動化倉庫、自動運輸車、工業機器人，負責物料的存儲和運輸。加工設備包括數控加工機床和加工中心，實現零件的切削加工。信息系統主要由控制系統和檢測系統組成，控制系統負責生產過程中的物料控制和加工控制，檢測系統監視整個生產過程，能夠進行數據信息的采集與處理，根據結果對生產過程進行反饋與控制。柔性制造技術在生產多品種、中小批量的產品時，相比傳統大規模單一生產技術，經濟效益顯著。柔性制造系統組成如圖2所示[3]。

圖2 柔性制造系統組成

2.3.3 CIMS

CIMS即計算機集成制造系統，是基于系統觀點，運用信息技術、自動化技術、管理技術，進行組織生產和管理的方法。包含了時間集成和空間集成，時間集成指CIMS涵蓋了制造系統生命周期的各個階段和環節，考慮從上游到下游的各項工作，將串行工程轉化為并行工程?？臻g集成是將不同的功能單元，比如CAD、CAE、CAPP、CAM等，借助于硬件、軟件、標準化的數字接口，整合到系統中，能夠實現數據的傳輸和交換。CIMS是集產品設計、生產、管理、銷售、維護于一體的多層次復雜系統。完成了由自動化孤島的“點”狀加工，到多臺加工設備連接而成的“線”狀加工，乃至企業全部運作流程系統化的“網狀”加工。CIMS借助于信息技術、物流管理系統，構建產品協同設計系統，為客戶、企業和供應商提供了高效的合作交流平臺[3]。CIMS系統的體系結構如圖3所示。

圖3 CIMS系統的體系結構

3 定制生產在農機制造中的應用

網絡信息技術的發展為定制設計提供了技術支持，在客戶和企業之間建立了一個良好的溝通橋梁。客戶通過網絡定制系統對產品提出個性化要求，參與到企業的設計生產過程中。定制生產核心是實現操作者、設備和環境的和諧、統一。

以農用拖拉機為例，客戶在系統定制界面選擇所需要的類型，提供動力、輪距、軸距、時速、功率、輸出軸轉速、標定牽引力、尺寸、前輪距、后輪距等一系列整機基本參數，根據參數范圍進行選擇。依據性能指標確定拖拉機底盤類型，對部件模塊，如行走系統、轉向系統、制動系統、傳動系統、液壓系統、牽引裝置、動力輸出裝置等根據功能需求進行配置[4]。駕駛室是操作者作業的主要場所，內飾設計要充分考慮操作的安全性與舒適性，依據人機工程學理論，符合人體尺寸、運動特征和認知特征，滿足操作舒適性需求，視野范圍安全適宜，顯示裝置布局合理，圖形符號識別性強，有助于提高操作人員的工作效率。設置轉向盤、踏板、操縱桿、儀表盤等選項模塊，操作者根據個人工作習慣進行選擇。外觀設計注重整體造型統一，與環境相協調，客戶可以選擇拖拉機機罩、機罩通風口、前大燈等設計要素。依據美學原理列出色彩搭配方案，供客戶選擇。定制系統界面實時顯示拖拉機三維模型，能夠進行放大、縮小、旋轉操作，可以在各個角度觀察模型的外部形態和內部結構。改變定制選項，價格隨之改變，直到客戶得到滿意的定制結果。

企業層面采用數字設計技術、機器人技術、柔性制造技術、計算機集成制造系統等先進信息化制造技術，基于模塊化和產品族的思想，重新組織產品制造過程，構建物料協同供應鏈，保持批量生產的低成本、高效率和高質量的特點。農用拖拉機可視化定制生產系統如圖4所示。

圖4 農用拖拉機可視化定制生產系統

4 河北省農機制造前景展望

受區域、地形、作物品種、生長環境、種植習慣等因素的影響，客戶對農業機械產品有不同的需求。定制生產模式能夠為農機市場提供個性化產品和服務，并且具有成本低、周期短、質量高的特點?；诳沙掷m發展理念，今后農機產品要走“綠色化”產業道路，重點關注生態、環保產品的研究，采用新能源，減少排放和污染。為適應中國制造2025和農業4.0的需求，關注自動駕駛農機技術、精準農業技術、農業機器人技術的研究，加快智能農機產業化的步伐。此外，還要不斷完善農機定制開發體系，充實產品和技術等信息化資源，樹立企業品牌形象，推動企業農機產品創新，提升企業農機產品的競爭優勢。