面向農業機械的模塊化設計研究綜述*

熊建強

（新余學院機電工程學院，江西 新余 338004）

0 引言

農業機械化是農業現代化最重要的標志之一，是改善和轉變農業發展方式的關鍵技術基礎，是提高農業經濟與生態效益的重要途徑，是實施鄉村振興戰略的重要支撐手段，一個國家的農業發展水平很大程度上取決于農業機械化發展水平，因此，農業機械化是實現農業現代化的先決條件[1-2]。近年來，我國農機設計制造水平穩步上升，農機產品擁有總量不斷增長，農機作業能力得到快速提高，農作物生產已基本從單一依靠人力、畜力轉向主要依靠農機產品動力的模式，邁入了以機械化為主導的發展新階段。但是，由于受到農機產品功能需求多樣化和作業環境復雜化等因素的影響與制約，當前我國農業機械化和農機裝備產業發展，依然存在許多不平衡、不全面的問題，特別是農機產品科技創新能力較弱、研發水平較低，部分農機產品有效供給不足、售價偏高，農機結構與作業環境結合不緊密，嚴重阻礙了農業機械化發展的進程，影響并制約著農民的增收和創收能力[3-5]。

由于我國農機企業普遍采用傳統的農機產品設計方法來開展農業機械裝備研發，所以導致農業機械中零部件的重復性設計多、設計資源共享性差、標準化與互換性程度低等問題，從而使得農機產品的通用性不強[6]。為了有效解決農業機械產品功能個性化與生產成本之間的矛盾問題，提高農業機械產品的經濟性、通用性、適應性與互換性，不少研究者提出了采用模塊化設計方法進行農機研發的思路。通過綜合分析當前的研究現狀可知，農業機械模塊化主要集中于采用模塊化設計思想開展農業收獲、農業耕作與農業加工機械等方面的應用實踐研究，以及農業機械模塊化設計方法層面的應用理論研究，這些在提高農機研發水平方面取得了應有效果。因此，開展農機產品模塊化方面的研究，不僅可以解決農機產品所存在的價格方面問題，而且還能根據不同地區、不同耕作方式的農戶多樣化需求特征，快速設計、配置出適用于對農作物進行作業的個性化農機產品。

1 農業收獲機械模塊化設計研究進展

農業收獲機械模塊化設計主要圍繞水稻收獲機械、小麥收獲機械、折耳根收獲機械、馬鈴薯收獲機械與大蒜收獲機械等進行了相關研究。

刁培松等[7]基于結構模塊化設計方法，在融合層次分析法與動態規劃方法的基礎上，構建了面向動態規劃過程中的尋優評價模型，闡述了其相關參數與模型計算過程，并將該評價模型應用于小麥聯合收獲機的結構模塊化方案設計軟件體系中，驗證了方法的合理性和有效性。這種方法提高了模型解的求解精度，但模型計算過程較復雜，而且權重賦值存在差異，導致模型求解值的可靠性存在問題。尹健等[8]采用模塊化設計方法，對微型山地稻麥聯合收割機的總體方案與功能結構、參數選擇、系列化，以及結構模塊的劃分、組合與評價等進行了研究。該方法有效解決了山地聯合收割機在價格、性能和結構之間的矛盾問題，滿足了山地丘陵地區農機作業的各種特殊需求，實現了山地稻麥聯合收割機產品快速大規模個性化定制生產。尹健等[9]采用模塊化設計，將山地折耳根聯合收獲機的功能分為若干等級，并對其進行細化，直到能實現相應功能目標的具體載體為止，設計并構建了山地折耳根聯合收獲機的關鍵模塊，同時對不同模塊的組合及其性能特點進行了綜合評價分析。采用這種方法在較大程度上進一步細化了農機設計目標，同時還降低了農機的設計難度。由于小型水稻聯合收割機存在功能單一與價格高等問題，徐靜等[10]采用模塊化設計，將小型水稻聯合收割機功能劃分為基本功能模塊、輔助功能模塊以及特殊功能模塊，在農機模塊通用化設計的基礎上，能夠實現不同功能的調整與組合，形成多樣化的小型農機產品，滿足了特定情況下的水稻聯合收割機需求。

尹健等[11]針對山地農機存在的適應性差的特點，采用模塊化設計方法，對小型山地多功能農業作業機進行了結構設計，然后依據其特點進行了產品族的規劃。該方法達到了縮短農機產品研發周期、快速配置農機產品、降低農機產品成本價格、滿足山地農機多樣化需求的目的，但是對所構建的模塊庫提出了較高要求。趙東等[12]為提高大蒜機械化收獲的適應性，采用模塊化設計方法構建了功能集中的通用模塊單元和相對獨立的特殊模塊單元；農戶根據需求可選擇特殊模塊功能單元，以實現不同情況下的大蒜機械化收獲，還對不同功能模塊單元組合下的產品進行了試驗效果的驗證，證明了方法的有效性，其模塊化設計產品如圖1所示。

圖1 模塊化大蒜收割機

殷彥強[13]以馬鈴薯收獲機為產品基型，采用模塊化方法對收獲機進行設計，根據使用功能規格要求，擬定了馬鈴薯收獲機的系列型譜，建立了基于功能流模型的馬鈴薯收獲機模塊庫，根據個性化要求進行不同功能模塊的組合，配置成滿足不同作業環境要求的收獲機，并對收獲機樣機進行了虛擬仿真和試驗分析，獲得了預期效果。孔朵朵[14]采用模糊聚類分析對電驅式小型半喂入水稻聯合收割機關鍵部件進行了精確模塊劃分，采用橫向模塊化設計方法對聯合收割機開展模塊化設計，通過模塊組合而得到不同機型的對應性能評價結果，從而快速完成水稻聯合收割機個性化需求的定制。王剛[15]對稻麥聯合收割機底盤與割臺結構進行了模塊化設計，通過對這兩部分結構模塊的構建與組合，實現了具有統一接口的多功能目標產品。王帥[16]采用模塊化方法，對谷物聯合收割機智能監測系統的控制硬件進了模塊化設計，使監測系統的設計效率和通用性得到了大幅度提升。

以上文獻主要針對農機產品功能模塊庫的構建進行了研究，著重考慮模塊庫構建方法與各模塊之間的功能組合形式，所采用的模塊劃分方法復雜性高，缺乏高效、簡單、統一的模塊劃分模型，在指導農機模塊化實踐應用方面還存在一定不足，今后可以進一步探討簡化模塊化劃分準則和標準模型構建。

2 農業耕作機械模塊化設計研究進展

農業耕作機械模塊化設計主要圍繞播種機、插秧機、節水機、鋤草施肥機、移栽機等進行了相關研究。

宋楓等[17]采用模塊化設計方法，對履帶式微耕機驅動的元胡播種機傳動和同步定位結構進行了設計。該方法采用不同功能模塊組合，得到適用于不同環境的元胡播種機，通過對播種深度的動態調節，實現了元胡播種機精度的大幅提升。黃瑾媛[18]采用模塊化設計方法，結合農機設計手冊，確定施肥播種機的排肥軸與排種軸轉速和尺寸等參數，最后運用SolidWorks軟件構建了施肥播種機相關模塊庫。為有效降低高速插秧機設計與制造成本等，提高插秧機產品系列化水平，鮑俊峰[19]對高速插秧機底盤變速箱進行了模塊化設計，建立了相應的結構模塊，并對結構模塊參數進行了仿真分析與優化。胡健等[20]根據我國農機節水設備現狀及存在的問題，依據使用功能要求將節水設備分為八個獨立模塊，通過不同模塊的配置，實現節水設備一機多用的目標。通過對功能需求的精細化分析，構建了滿足不同節水工況下的模塊庫，對不同模塊庫的單元進行組合，達成不同功能需求目標。

張曉等[21]基于模塊化設計方法，對偏置式果園松土鋤草施肥機進行了研究，首先采用Pro/E軟件設計了相關結構模塊，然后進行了三維數字模型的仿真分析和樣機的試驗研究，試驗結果表明，通過模塊化方法能夠實現一機多用目標，提高了農業耕作機械的作業效率。岳高峰等[22]基于模塊化劃分原則，將微耕機劃分為通用模塊庫與專用模塊庫，并采用SolidWorks軟件設計了微耕機三維數字模型模塊庫。通過對三維數字結構模型的重構設計，提高了微耕機模塊設計水平、適應性與效率。張強[23]采用模塊化設計方法，對大棚作業多功能農業機器人進行了設計，田間試驗表明，大棚作業機器人能夠實現旋耕與精良播種作業等多種功能的快速切換，具有較高的實用性，提高了作業效率，其模塊化設計產品如圖2所示。

圖2 模塊化多功能農業機器人

蔣支禾[24]采用模塊化設計方法，對旋耕復式作業機進行結構功能模塊劃分的研究，從縱系列與橫系列兩個方面開展單元模塊化設計，以此增加適應不同環境的旋耕復式作業機產品類型，滿足了不同的農藝要求，提高了旋耕機作業的適應性。張翔等[25]采用模塊化方法，對耕播機進行模塊化設計，以滿足不同栽培方式、播種作業、耕種方式環境下的多需求農業生產要求。為縮短自動化穴苗移栽機研發周期和生產成本，高國華等[26]以移栽機關鍵模塊夾持爪設計為例，構建了參數化設計模塊數據庫，為擁有數據的查詢和調用功能，開發了相應的應用軟件平臺，實現了零件設計和數據庫的無縫銜接，在所開發的軟件平臺上便可完成移栽機夾持爪的結構模塊化設計，提高了移栽機設計效率和水平。劉海等[27]采用模塊化設計方法，對蔬菜聯合播種機進行了研究，設計出了一款具有復合功能的聯合播種機，田間試驗數據表明，所設計機型的各項指標參數超過行業標準水平。孫慧春等[28]從可用性理論角度，通過調研分析，基于用戶需求層面對微耕機進行模塊化設計，提高了微耕機的適應性和用戶滿意度。

農業耕作機械模塊化設計主要集中在農機產品模塊化設計實例研究，主要強調應用當前CAD/CAM軟件體系構建某一農機產品模塊庫，通過模塊庫組合實現相應農機產品的設計，采用的方法差異性較大，在開展農機通用化模塊化設計應用平臺方面還有欠缺。

3 農業加工機械模塊化設計研究進展

農業加工機械模塊化設計主要圍繞青貯機械、馬鈴薯加工機械與凈菜機械等開展了相關研究。

呂冰等[29]采用功能流模型方法，基于不同用戶需求的相關調研分析，首先明確青貯機械的總功能，然后對其進行分解，獲得相應的功能結構模型，再將青貯機械總結構劃分成若干模塊，最后對各種不同組合青貯機械模塊化設計方案進行綜合評價，獲得最佳的模塊化設計方案。采用功能流模型的難點在于需要明確農機產品功能與功能結構模型，以及要將功能流模型中的物料流、能量流與信息流模塊精準劃分。楊添璽[30]基于模塊化設計原理，通過功能結構需求解析，將馬鈴薯種薯智能切片機分為進料裝置、穩定中心裝置、檢測識別裝置、切割裝置、薯塊收集裝置五個模塊，完成了馬鈴薯種薯智能切片機機械部分的模塊化設計，通過不同模塊的組合來實現對應的功能。鄭軍海[31]采用模塊化方法，對背負式青貯裝備液氣壓控制系統、控制硬件以及控制軟件進行了模塊化設計方面的研究與實踐。周曉磊[32]采用模塊化設計方法將凈菜設備分為切菜、整理、稱重、裝盤以及包裝等多個模塊，為實現一體化的凈菜配置自動化生產設備的研發提供了技術支撐。采用一體化凈菜配置模塊化設計方法，能夠降低凈菜設備人力勞動強度，提高凈菜設備自動化水平與效率，但是機電一體化凈菜設備的適應性有待提高。

農業加工機械模塊化設計研究主要從功能的角度劃分與構建模塊庫等方面開展，而有關不同產品功能模塊之間的融合設計，以及模塊的適應性與可重構性等方面的研究還存在欠缺。

4 農業運輸機械模塊化設計研究進展

農業運輸機械模塊化設計主要圍繞農機減速器、農業防疫車與農業移動機器人平臺等開展了相關研究。

莊淑博[33]針對草原牲畜流動防疫車功能分散、工作效率低下、牲畜傳染病遏制不快以及防疫車空間使用不合理等問題，采用模塊化設計理念，對草原防疫車的功能結構進行了優化設計。相較于原產品，優化后的草原防疫車在功能、結構與空間上獲得了較大的改進，提升了空間利用和功能使用的效率，其模塊化設計產品如圖3所示。

圖3 模塊化草原牲畜流動防疫車

封超等[34]采用可重構模塊化設計思想，對小型農機減速器的運動參數與轉速進行計算分析，然后確定減速器的相關結構圖，通過結構圖進而獲得減速器可行的重構模塊化的優化設計方案。楊海飛[35]采用可重構模塊化設計方法，在對小型農機減速器功能結構研究的基礎上，構建了小型農機減速器的F-B-S模型，并組合形成了四種不同擋位的減速器，以適應不同作業環境的需求。但是此論文只對可重構化模塊的定義進行了描述，沒有對可重構模塊化設計的相關要素與流程進行深入研究。Corpe等[36]采用模塊化設計方法對農業移動機器人平臺進行了研究，并設計了平臺原型系統。試驗統計數據表明，采用模塊化設計能夠提高農業移動機器人平臺的靈活性、適應性、功能性和互換性。

農業運輸機械模塊化設計提出了采用可重構化模塊設計思想，但僅僅討論了在農業減速器方面的設計應用情況，而在農業機械產品的其他部件上缺少相應的深入分析和研究，沒有對可重構化模塊設計的應用準則和標準進行深入研究。

5 結語

近年來，現代設計方法、計算機與虛擬仿真技術、自動控制技術等的快速發展，給現代農業機械化發展帶來了新的挑戰與機遇。為不斷提高我國農機產品研發與核心競爭力，促進我國農業機械化水平的提升，在運用模塊化設計方法開展農業機械產品研發方面，以下幾個方面仍需要繼續深入研究。

1）農業機械模塊劃分研究。由于農業機械是一種結構較為復雜、功能需求多樣化、作業地域性差異較大的產品，因此需要根據農機產品使用與功能結構上的特點，來快速實現合理、準確的結構模塊劃分，模塊化劃分的正確與否直接影響、決定著模塊化設計方法運用的成敗。

2）農業機械模塊化設計應用平臺研究。在完善和構建農業機械產品設計方面的基礎數據體系上，結合參數化設計思想，研發出適合不同類型農業機械產品模塊化設計的應用系統平臺，簡化典型農業機械模塊化設計流程，研發人員只需掌握農業機械產品的使用尺寸要求與結構特點，便可以通過應用系統平臺，來修改相關零部件與模塊的參數或結構，能夠完成不同類型的農業機械產品的模塊化設計。

3）農業機械模塊化設計融合研究。針對不同類型、不同地域、不同功能的農業機械產品，如何實現它們之間功能結構模塊的標準化與互換性，是提高農機研發水平、降低農機價格的突破口之一。為此，需要精確熟悉和掌握不同農業機械產品功能結構模塊之間共性特征，使農業機械產品在共性特征方面都采用統一模塊來實現相應功能。

4）農業機械可重構模塊化設計。針對一定范圍內的農業機械，在對產品功能、性能以及規格進行解析的基礎上，構建出一系列可重構的模塊，通過不同模塊的重構、變型與配置，實現和滿足不同客戶個性化的農機產品需求。