CAD/CAM在新型農業機械設計制造自動化中的應用及發展分析

李鵬飛 ，秦亞凡 ，趙 朔

（華北理工大學，河北 唐山 063210）

CAD（計算機輔助設計）和CAM（計算機輔助制造）是20世紀60年代興起的一種計算機應用技術，主要依靠計算機、軟件和各種外圍設備進行工作，囊括二維平面圖形設計、二維幾何圖形設計、數控加工編程、有限元分析、仿真模擬以及產品數據管理等內容。CAD/CAM技術經過長時間的發展普及，已經被廣泛應用到機械制造的各個領域。CAD主要利用計算機及其圖形處理能力幫助設計人員進行設計工作。CAM則主要利用計算機輔助整合從生產準備到產品制造的整個流程活動[1]。相較于煩瑣的傳統設計流程，CAD技術能夠大幅度提升整個企業的設計效率，易于優化更改方案的特點，縮短了設計周期。CAM技術將計算機、生產過程和制造設備聯系到一起，統一了整個生產流程，實現了高度的自動化，大大減少了人力成本和管理費用。

1 我國農業機械現狀

1）從效率方面來看，目前我國的農業機械化率還有待提高，截至2018年年底，多項農作物產品種植、施肥、收獲機械化率均未到25%，因國產變速箱、后橋等必要設施故障頻發，故障率極高，直接影響了農業機械的利用效率和使用頻率。由于農業生產與收獲時間有限，導致農業機械作業時間較短，使用率較低的情況下更易導致零部件的老化和損耗，同時也因為作業時間較短，迭代頻率與其他機械相比持續走低，智能化效率也難以提升。

2）從創新性方面來看，國產農業機械主要以中小型為主，低端、低質量產品較多，國外持續發展大型、寬幅和高效的農業機械。國產農業機械制造者為追求更高的使用效率，一味地創新和發展高馬力的發動機，而液壓系統、底盤技術、加工工藝等多方面無法和高馬力設備匹配。另外，不斷復制低端、低智能產品，創新發展不夠，在農業機械中還存在著個別配件創新極端的問題，國家大力提倡科技創新在一定程度上改變了這一狀態。但和其他機械相比、和國外發達國家相比，我國農業機械創新性仍有很大的不足。

3）從購買指向性來看，從事農業生產的農民平均年齡為41.7歲，文化程度較低，即使近年來不斷有社會各界下鄉普及知識，但對于智能化程度較高的農業機械仍需具備一定文化素養才能操作，農民的購買需求指向性為實用性、價廉性和簡便性。我國目前主要生產中小型農業機械，國產農業機械還存在很多弊端，大型農業機械主要以進口為主，價格較高，不符合農民的購買指向性。現如今農民更傾向于購買簡便性更高的聯合收割機，但由于每年作業時間較短，更新換代所需時間較長，更加智能的農業機械不符合農民的購買指向性和可用性。

2 CAD/CAM技術在新型農業機械設計制造及其自動化中的應用

2.1 CAD在三維設計農機零部件中的應用

在三維CAD設計建模下，可以對農機的常用零部件進行直觀的機構分析，避免了由于二維圖設計不精確而造成實物拆卸的情況，縮短了設計周期。在設計耕整機械時，常常因為其型號較多、結構復雜、工作環境不同而出現設備標準化程度低、產品質量不佳的情況，從而影響企業效益。具體而言，按耕地機械劃分，可分為耕整機、微耕機、田園管理機、淺耕深松機等；按整地機械劃分，可分為懸耕機、滾軋耙、鎮壓器等。在CAD三維設計中，雖然各型號的耕整機械零部件種類參數不同，但其所實現的產品功能基本一致，故CAD三維設計更有利于播種機械結構的模塊參數設計，更有助于縮短產品的研發及生產周期，從而減少設計制造成本，提高經濟效益[2]。

2.2 CAD在現代化農機普及教學中的應用

CAD技術具有直觀的表達方式，可以實現3D構件的展示，容易被各個領域想要了解農機的人們理解，在教學和農機普及中體現出了十分顯著的利用價值。對于二維圖表達十分復雜的零件，通過CAD軟件可以靈活地用半剖視圖、全剖視圖對零件進行合理表達，還可以對作業中的結構進行運動仿真，對于現代農機設計的標準化起到了不可或缺的作用[3]。

2.3 CAM技術在農機裝備制造中的應用

在農機裝備制造中，CAM計算機輔助制造技術可以有效地實現農機零部件的切削加工，在各類零部件中，軸承類零件、發動機類零件等受其作用尤其突出。

2.3.1 軸承類零件

軸承類零件大多數是回轉體的圓形表面，這些零件表面具有短而薄的特點，這些零件必須在各種天氣條件下可靠運轉，在各種極具挑戰的情況下運行，需要滿足使用壽命長、耐潮濕腐蝕、高壓工況下持久耐用的要求[4]。因此，要求對零件進行精密加工，利用CAM計算機輔助制造技術能夠有效地滿足加工時對零件的各種要求。農機中常用的為球類軸承，此類軸承既要承受徑向力，同時也要承受軸向力。由此產生的變形對于零件有著更高的精度要求，而CAM數控加工技術可以有效滿足這些零件所要求的細節，有效保證了該類零件的使用期望。

2.3.2 發動機類零件

農機設備出現故障的成因按照特點分類可分為磨損性故障、錯用性故障、固有薄弱性故障。其中，磨損性故障和固有薄弱性故障只能通過使用性能更好的材料以及改善發動機結構才能解決[5]。而在加工復合材料等難加工的材料時，CAM輔助加工制造技術則可以在保證精度的同時，對一些使用普通手段難以加工的有復雜腔壁的零件實現充分加工，精準切割，解決精度控制的問題，有效避免由于機械加工產生的瑕疵。此外，利用CAM技術輔助加工時，還可對發動機中易磨損的零件進行模塊化生產，減小維修壓力，縮短維修時間，使發動機零件的生產變得高效化、低成本化。

2.3.3 懸掛類零件

在農機設備進行掛接與升降的過程時，需要懸掛裝置來進行工作。對于懸掛類裝置，一是要保證連桿位置可以滿足國家規定的相關要求，二是要保障在運行過程中牽引裝置與不同的農具接口有著一定的互換性，使得農機在運行中有穩定的牽引力。這就需要有關人員利用計算機輔助設計技術對限位機構進行合理設計，將擺動幅度控制在有效范圍內，通過計算機對活動桿的應力、強度以及剛度的精確分析，來設計滿足生產載荷的結構，從而提高機械作業的穩定性。在傳統加工技術中，無法滿足新型農機設備懸掛系統中懸掛與眾多電子元件、傳感器等擴展部件的復雜結構的配合加工需求，而通過數控加工進行計算機輔助應用，即可有效配合產品的各種加工需求。

3 CAD/CAM技術在農機制造中的應用特點及其優缺點

3.1 CAD/CAM在農機制造的應用特點

一直以來，我國農業機械企業都偏向于采用傳統的設計制造方法，所以已經遠遠落后于汽車、航天、數控機床等行業，而我國農業機械的生產制造又存在設計重復度高、生產規模分散、自動化程度低等問題[6]。

農業機械為了適應各種地形和農作物，有著大量不同的型號和結構類型，但是機械結構大多比較穩定，復雜程度也比較低。對于不同農作物的不同生長周期，農業機械也只能選擇在特定時間進行試驗，進一步延長了農機的開發周期。從當前的情況來看，我國農業機械企業近些年效益不佳，導致大多數農業機械企業對CAD/CAM等新技術的引進應用也持保守態度，沒有足夠的經濟實力將新技術引進并投入到農業機械設計生產中。

引進應用CAD/CAM等新技術具有諸多益處，可以提高農業機械智能化程度，大幅度縮短農業機械的開發周期，并節約成本。在一些零件的設計過程中，可以使用軟件對二維圖形進行工程圖紙的繪制，再根據圖形參數利用三維圖形軟件進行零件的三維圖形設計。根據生成的模型形狀和數控機床刀具的各種參數，得到完整的零件加工軌跡[7]。

3.2 CAD/CAM技術的優缺點分析

CAD/CAM技術在農業機械的加工設計中主要通過二維的軟件繪圖來代替傳統的手工繪圖，一直以來，傳統手工繪圖都是影響機械設計生產效率的因素之一，傳統繪圖依賴于設計人員的多方面溝通交流，其中修改和繪圖占據了絕大部分時間，非常影響設計效率。而圖形程序庫對于尺寸參數的自動調整提高了設計方案的質量和效果，三維立體空間造型也保證了小型零件的加工精度。在CAD/CAM技術的輔助下，整個設計生產制造流程將會變得十分可控，設計人員和生產人員可以運用自己的設計經驗和判斷能力來控制整個設計和生產制造過程，一旦發現質量問題，可以立即采取有效措施予以糾正[8]。

目前，CAD/CAM技術在農業機械研發應用方面普遍存在規模小、人才短缺、創新能力弱、新產品開發周期長等問題。二維制圖能力薄弱，三維技術應用不足，導致許多農業機械企業仍然無法利用CAD/CAM技術進行產品的開發。我國的農業機械企業迫切需要CAD/CAM技術的具體支持，以達到開發新產品、縮短研發周期、節約生產成本的目的[9]。

4 CAD/CAM技術在農業機械領域的發展前景

按照規劃，到2035年我國將實現農業全程全面機械化，而實現農業全程全面機械化也是實現農業現代化目標的基礎。

隨著CAD/CAM輔助設計制造技術不斷被應用到各種農業機械設計及工藝加工之中，對于農業機械的原理分析、方案設計、結構總體設計、基本繪制和分析都有著極大的輔助作用。而近年來隨著大數據技術的不斷發展，CAD/CAM輔助設計制造技術能夠更好地擬合數據分析曲線并進行對比，對力的分析和更加節約能源的建構方法進行模擬，達到更高的數據分析要求，這將在很大程度上降低性能成本、完善設計的工藝性，輔助農業機械實現創新性和完全性的發展。

目前，國內的大型農業機械主要以進口為主，而CAD/CAM輔助設計制造技術的大范圍普及會在很大程度上幫助國內推進大型農業機械的生產與創新，提高中小型農業機械的智能化程度和穩定性，在設計生產中通過數據擬合能夠直接降低故障率，同時降低生產成本[10]。通過材料與加工工藝的改進，生產更加綠色環保的農業機械，將CAD/CAM技術與液壓及電器控制相結合，提高農業機械的智能化水平和生產效率。未來我國農業機械將朝著更加機械化、智能化、綠色化、現代化的方向發展，更加貼合可持續發展的理念和目標。

5 結語

綜上所述，隨著農業機械制造行業的不斷發展，農業機械制造行業對于計算機智能制造方面的要求逐漸提高，行業自動化水平大幅提升，CAD/CAM技術在農業機械自動化發展中起到了顯著的解放農業生產力的作用。由普通制造轉為智能制造是我國農業機械制造領域的一次重要的產業變革，增強了我國在世界農業機械制造行業的影響力。然而目前我國與國際頂尖的農業機械制造水平仍有一定的距離，應該積極推動新技術在農業機械制造行業的廣泛應用，抓住良好的發展契機，提高我國農業機械的國際競爭力，促進我國實現農業全程全面機械化。