虛擬技術在農機設計制造中應用及實現方法研究

劉曉明，王 鋒，劉洋大川

(黑龍江農業工程職業學院，哈爾濱 150088)

傳統農機設計制造過程中需根據實際作業要求，通過反復設計、試驗、檢測完成設計制造。虛擬制造技術出現后，可以通過該技術，對農機產品功能進行相應的運動仿真校核檢測，預測農機產品實際作業可能出現的情況，使設計、加工、使用人員更清晰地了解產品的性能，以便更加科學合理的做出改進方案。

一、虛擬制造技術的含義分析

虛擬制造技術是以計算機仿真技術為基礎，設計、制造全流程模擬，可有效模擬預測產品性能、可制造性、制造成本等，達到更靈活、更經濟組織產品設計、制造、管理，實現企業資源更高效配置，達到開發周期短、成本最小化、產品質量最優化、生產效率最高化的目標。

農機虛擬制造技術主要是通過應用虛擬技術實現農機產品的開發、制造、管理等各個環節的虛擬化控制[1]；是對農機產品制造系統知識進行系統組織，對產品進行全面數字建模，對其制造過程的各項活動進行虛擬模擬與工藝管理，實現設計、生產一體化管理，有效提高設計制造及過程管理水平，提升制造過程各階段控制、決策能力。

二、農機產品虛擬制造應用系統設計

1.虛擬制造系統設計

農機產品虛擬制造，需要運用三維仿真軟件和虛擬軟件構建虛擬制造應用系統，將農機產品設計、制造過程輸入系統中，有效地將農機零部件的現代制造工藝進行真實的評估，從而檢驗農機零部件的設計、制造過程的可靠性，并探討農機零部件的生產效率以及投資生產的可行性，改良產品制造環境等[2]。農機產品虛擬設計制造過程中，將實際農機產品進行虛擬化，引入虛擬設計和仿真技術，可以有效降低生產成本，提高農機零部件的生產效率。在農機設計制造過程中，系統可以與實際制造過程進行比較并反饋，制造工藝更加靈活，可以有效縮短農機制造周期，提高生產效率；系統可以根據農機零部件虛擬制造程序，反映農機零部件生產信息、零部件加工工藝編碼等，由此提高農機零部件生產系統的管理效率；該系統可以系統地設計農機零部件虛擬制造基本框架，進行農機零部件虛擬仿真模擬，如果模擬結果與實際相符，就會輸出設計制造結果，如果不符合實際要求，則需要重新校正設計制造參數，規劃工序，經過多次虛擬仿真模擬驗證，最終設計制造出較高質量的農機零部件。當下已初步構建虛擬制造應用系統，初步實現了集研發設計、工藝設計、生產、服務、營銷為一體，主要有NX、SW、CAXA、ADAMS、ANSYS、3Dmax、EON、Unity3D等計算機軟件構成。例如，由NX、SW、ADAMS、ANSYS設計農機產品三維實體/裝配體并實施部件運動仿真、動力學仿真分析等(CAD/CAE)、NX與CAXA實現零件加工工藝規劃及產品生命周期管理(CAM/CAPP/PDM/PLM)等，農機產品三維設計模型通過3Dmax生成EON、Unity3D可讀文件格式，應用EON、Unity3D渲染、虛擬仿真等。

2.智能化制造輔助工藝系統設計

構建智能化農機零部件制造輔助工藝系統，必須將相應的零部件加工裝配人員、零部件加工生產機器設備、產品監測工具和產品加工制造環境關聯，這些基本條件的滿意度決定著農機零部件制造的質量和效率。應用制造輔助工藝系統，在制造過程中不斷調整加工工序，檢測監控零部件加工過程中工序誤差，強化控制零部件加工過程中的數據異常，實現標準化轉換，從根本上提高產品的質量和生產效率。

對于智能化農機零部件制造輔助工藝系統的設計，要重點整理收集農機零部件工藝結構特點，系統地設計規劃加工工藝過程，通過對工藝系統的優化應用，實現農機零部件加工工藝過程的自動化，并可設定檢查系統穩定性、準確性的控制節點。在輔助工藝系統中進行虛擬加工，首先，要通過UG等三維設計軟件建立農機零部件三維模型；其次，形成加工模塊系統控制的加工環境(如機床及裝夾具)；第三，形成加工工藝流程，設定系統加工參數和制造方法；第四，形成農機零部件的虛擬加工軌跡；最后，零部件加工車間依據輔助工藝系統確定加工工序目標值，核定產品質量考核標準，強化產品制造重要步驟，材料大小、特性、類型以及處理方法等，保證農機零部件總體特征、加工精度，詳細記錄產品編號和名稱，生產日期、批量生產的總量等，并且將產品制造表面形態、產品生產誤差范圍、加工精準度等特征全部輸入加工系統中，由系統判定加工產品的誤差狀況，對產品進行檢查校對，達到實時監控農機零部件加工過程中關鍵加工誤差狀況，提高虛擬制造系統的智能化監測水平和農機零部件加工質量。

3.智能化制造產品生命周期管理系統設計

構建產品制造數據管理系統(PLM)，規范產品數據流方向，建立標準規范的技術體系，集成研發、采購、生產等部門管理數據，形成統一規范標準的數據庫，其主要包括產品模型庫、工序庫、工藝裝備庫、設備庫、材料庫等，實現產品自研發設計到工藝設計、生產、服務、營銷等全流程的數據統一管理。

通過企業產品生命周期數據中心的建立構建產品生命周期管理系統，一是可規范產品設計及改良過程，實現產品設計數據由圖紙傳遞向數據傳遞、設計產品數據可在線共享和便捷查詢等，可極大提高設計人員工作效率，實現知識資產積累，做到共享和快速傳遞；二是實現研發、工藝、生產等多部門數據共享，可有效提高工藝及生產部門工作效率，提高生產設備利用率，降低出錯率；三是實現與物采部門數據共享，物采部門可以提前做好采購準備工作，可有效縮短生產準備時間。四是能強化過程管理，實現各模塊化功能的配置，如產品結構管理、加工工藝管理、生產材料管理、生產工具管理、生產流程管理、電子審簽等，可有效保證核心數據不丟失。

三、加強虛擬技術在農機領域應用創新發展

1.確立農機領域虛擬技術創新應用戰略目標

首先，農機虛擬技術創新應用要貫穿農業生產的每一個環節，要在農產品種植生產過程中以服務國家戰略提升整個糧食綜合生產能力、綠色發展、節省農民投入成本、大幅度提高農民收入促進鄉村振興為目標，推動農機裝備設計生產能力的持續發展，尤其是強化推動發展智能型農業裝備、土地保護性耕作技術裝備的設計研發制造能力。

其次，要不斷強化虛擬技術在高校農機相關專業教育教學方面的應用，建設農機相關虛擬仿真實訓基地，著力解決農作物生長周期長、農業機械配套和使用成本高、機械設備工作流程、原理較難描述、拆裝設備危險系數大等一系列教學難題，構建院校主導、企業協同具有大農機大農業特色的實訓基地建設模式，建設豐富的虛擬教育教學資源，有效推動專業人才培養，全面提升人才培養水平。

2.全面提升農機零部件設計、制造的虛擬技術水平

農機裝備的創新發展，是保護土地資源、保證綠色發展、提高農業產量和效益的關鍵。現代農業生產正在發生快速轉變，生物基因重組技術、農業信息技術等已廣泛應用于現代農業生產中，在農機零部件設計制造過程中，應深度結合自動化技術、遙控信息化控制技術等，以快速提升農業裝備設計制造水平。在農機零部件設計制造過程中，應通過農機虛擬技術的強化應用，以解決單一機械技術運用和機電一體化技術綜合運用、農業機器人代替人工作業不夠成熟，農機虛擬技術系統不夠完善，以及在農機裝備制造業中大多只采用普通機械制造工藝裝備，缺乏激光切割等特種加工設備加工工藝技術等問題。所以，在農機裝備設計制造中，進一步加大資金投入虛擬技術的設計及應用，加快農業技術裝備的精細化、科學化，加快實現農業現代化的步伐，加快發展農業作業信息技術[3]，并且促進農業裝備技術的更新改造，全面提高農業裝備技術和制造技術水平。

3.整合資源促進農機虛擬技術科技創新體系的建設

想要提升我國農機虛擬技術的創新能力，必須建立農機零部件工藝系統技術創新體系，對于發展農業技術的各種資源進行合理配置，建立以科研單位為主，聯動高校和經營企業為主體的科技創新體系，并同時建立科技服務體系，堅決避免農機零部件設計制造科研工作的分散化、短期化、小型化，缺乏前瞻性的規劃[4]。必須整合各方資源，突出重點，充分發揮聯合研發優勢，將研發與產業化結合，增強農業企業主動參與研發動力，以便找準研發主攻方向，加快和調整研發項目進程，將虛擬技術與實際農機零部件研發項目結合起來，為農業機械科技創新提供有力支撐，便于解決我國農機產品的技術性問題，為農機零部件制造技術的實施發揮重大作用。

4.加大投入保證農機零部件科研和制造工作的持續發展

推動農機零部件虛擬技術能否有序開展，其主要依托于農機科研單位的創新研發結果，而創新研發的進程則必須進行大量的投入，研發要建立在大量資金投入的基礎上，同時還要組織農業系統大量的科研人員共同進行研發工作，這些資源的投入是保證農機零部件設計研發工作順利進行的前提條件，只有對研發項目進行高額的投入，才能保證農機零部件虛擬技術應用的提高。在實現農業現代化的過程中，政府對農業科技事業的財政支持是至關重要的，是關系到農機研發項目順利實施的必要條件，也是能否快速實現農業現代化的關鍵因素，保證堅定不移地落實相關農業科技研究創新的扶持政策，加快農業科技的研發進程，將農業科技研發結果運用于實際的農機零部件制造中產生效益，從而形成良性的研發收益過程以及科學的科研資源分配機制，最大效率地運用現有科研資源，保證農機科研機構具備技術研究持久性，最終建立一個持久的科研管理機制和約束機制，提高科研成果的投入產出比，以保證農機科研工作可持續性發展。

四、農機虛擬技術應用系統設計發展所采取的策略

1.加強農機虛擬技術應用人才的培養

人才是技術發展的關鍵，只有牢牢把握現代農業裝備科技人才的培養方向，落實以德樹人的基本任務，扎扎實實抓好培養培訓機制，才能培養大批具有高素質、懂專業、有技術的農業裝備研發制造人才。培養過程中要積極踐行社會主義核心價值觀，強化三農教育，建設懂農、愛農、興農的現代“三農”育人體系；積極探索農機零部件設計生產中虛擬技術應用實施過程與效果，落實虛擬技術應用軟件培訓渠道，面向農機零部件虛擬技術的發展，重點培養創新型、能動性強的綜合技能人才，從現代農業技術、虛擬技術、機電一體化、物聯網信息技術以及農業裝備維修技能為基本點，構建多方位、多渠道、多層次的培訓體系，培養意志堅定、技術技能突出的農業裝備專業技術人才，為農業現代化發展奠定人才基礎。

2.努力提升農機零部件虛擬技術創新服務平臺

現代農業裝備的使用、維護、推廣與新型農民培養及服務基地建設成為現代農業發展的重要基礎。以現代農業農場實驗基地建設為主要載體，不斷引進、吸收虛擬技術、人工智能技術、工農業互聯網技術以及高端智能制造技術，通過農場的實驗生產構建包含人才培養、技術創新、產教融合、科學技術推廣、創新創業服務平臺建設等的一體化技術技能創新服務平臺，充分結合虛擬技術開展新產品研發、新裝備創新設計推廣、農業裝備作業實踐培訓、產教融合成果轉化、團隊交流等功能于一體的現代化農業高新技術實驗基地，實現創新團隊培養、科研成果孵化并且進一步推廣實施虛擬技術應用，廣泛進行信息資源共享交流，進行虛擬資源庫的數據更新和充實，實現農業裝備創新設計、應用和推廣。

3.提高農機虛擬設計和制造水平

在農機零部件虛擬設計制造過程中，依托數字化智能加工技術，結合大數據技術，拓展工業機器人研發與應用，開展農業裝備產業化工程研究。首先，不斷強化技術信息共享，根據農機零部件虛擬設計制造需求，廣泛采用講座、研討、交流等形式開展智能制造技術、工業機器人控制技術等相關培訓，提升技術人員綜合技術應用水平，提高農業裝備設計制造創新能力。其次，進一步強化農機零部件工藝信息資源建設，建立工藝信息資源共享服務平臺，提供信息共享服務，強化農機零部件生產過程中各部門的信息環節暢通[5]。再次，加快農機零部件數字化技術創新發展，結合快速成型技術形成產品開發與設計一體化科學創新服務體系，開展科普教育培訓工作，建立科普教育孵化基地，建設決策咨詢的技術創新服務平臺，助力農機零部件虛擬設計制造水平提升，實現農機裝備產業數字化、智能化的進程，增強農業裝備服務區域農業發展能力，形成能夠有效支撐農業發展、推進農業現代化建設的現代綜合性技術服務體系，全面實現農機零部件虛擬設計制造水平。

4.加大大農機大農業特色虛擬實訓基地建設投入，提升高校虛擬技術應用能力

以培養高校學生尤其是農業機械類專業學生綜合能力為出發點，基于NX、CAXA、3Dmax、EON、Unity3D等虛擬仿真軟件，主要以豐富專業教學內容、提高專業教師教學能力、拓展專業實踐領域、培養學生創新實踐動手能力為目的，建設大農機大農業特色的虛擬實訓基地[6]。該虛擬實訓基地應以大農業、大農機為背景，開發大田作業虛擬環境、虛擬大型農業裝備等，結合農藝形成開放式虛擬仿真實訓教學管理與共享平臺。例如，玉米種植全流程作業模擬，實施耕種管收全流程機械化作業虛擬現實模擬、各類農業裝備虛擬拆裝、工作機構分析、故障診斷等(圖1收割機虛擬拆裝)。

五、結論

虛擬制造技術的運用與發展，必將極大的提高農業機械制造企業研發制造及創新能力。雖然我國在農機產品設計制造中有了較大的進步，但在虛擬制造技術的應用方面，還有很多問題。為此，農業機械制造企業在應用虛擬制造技術時，應該深入探索虛擬制造技術綜合應用平臺的建設[1]，系統結合現代農業技術，高度結合數字化技術、智能制造技術、智能機械加工管理系統等，重點實現農機零部件設計制造信息化管理、物流智能化管理等。