農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的應(yīng)用摘要隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造技術(shù)（CAD/CAM）的發(fā)展，尤其是三維數(shù)字化CAD的廣泛應(yīng)用，為工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)注入了新的活力。農(nóng)業(yè)機(jī)械作為機(jī)械工業(yè)的一部分，存在設(shè)計(jì)制造手段傳統(tǒng)，技術(shù)創(chuàng)新能力較弱等問(wèn)題，加速農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的數(shù)字化是解決農(nóng)機(jī)裝備技術(shù)及質(zhì)量的有力保障。關(guān)鍵詞數(shù)字化技術(shù)；設(shè)計(jì)制造；農(nóng)業(yè)機(jī)械A(chǔ)BSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFCOMPUTERAIDEDDESIGNANDCOMPUTERAIDEDMANUFACTURECAD/CAM，ESPECIALLY3DIMENSIONDIGITIZEDCADTECHNOLOGYWASUSEDABUNDANTLYANDITPROMOTEDTHEACTIVITIESOFTHEINDUSTRYPRODUCTDESIGNASAPARTOFMACHINERYINDUSTRY,INAGRICULTUREMACHINERYTHEREEXISTEDSOMEPROBLEMSSUCHASOLDDESIGNMETHODANDWEAKCREATECAPABILITY,TOSPEEDTHEDIGITIZATIONOFAGRICULTUREMACHINERYDESIGNANDMANUFACTURECOULDIMPROVETHEQUALITYANDTECHNOLOGYOFITSEQUIPMENTKEYWORDSDIGITIZEDDESIGNTECHNOLOGYDIGITIZEDMANUFACTURETECHNOLOGYAGRICULTUREMACHINERY引言隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)加速向“數(shù)字”農(nóng)業(yè)和“精確”農(nóng)業(yè)發(fā)展。數(shù)字農(nóng)業(yè)的發(fā)展將逐步實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精確化、遠(yuǎn)程化、自動(dòng)化和虛擬化，它將極大地解放農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，改變農(nóng)業(yè)作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)的飛躍。數(shù)字農(nóng)業(yè)是以現(xiàn)代信息技術(shù)和農(nóng)業(yè)工程技術(shù)為支撐，用數(shù)字化技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)所涉及的對(duì)象和全過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化和可視化表達(dá)、設(shè)計(jì)、控制、管理的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高新技術(shù)體系，是一種全新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。數(shù)字農(nóng)業(yè)將工業(yè)可控生產(chǎn)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的思想引入農(nóng)業(yè)，把信息技術(shù)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的重要要素，參與到農(nóng)業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)中，是今后我國(guó)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化跨越發(fā)展的突破口1。與國(guó)外相比，我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展相對(duì)落后。農(nóng)業(yè)勞動(dòng)者創(chuàng)造的農(nóng)業(yè)增加值，僅相當(dāng)于美國(guó)、法國(guó)的1/10，加拿大、英國(guó)、澳大利亞、日本的1/6。機(jī)械化生產(chǎn)程度較低，許多方面的機(jī)械化生產(chǎn)還是空白。當(dāng)前，我國(guó)農(nóng)業(yè)已開始由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，進(jìn)入了建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的新階段?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)是以農(nóng)機(jī)裝備為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)，農(nóng)業(yè)機(jī)械化總體水平高低是衡量一個(gè)國(guó)家農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平還不適應(yīng)發(fā)展農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化和建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的要求。特別是農(nóng)機(jī)化技術(shù)儲(chǔ)備、技術(shù)創(chuàng)新能力較弱，經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)短缺，不能適應(yīng)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的客觀要求。我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)面臨著良好的發(fā)展機(jī)遇和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。隨著農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和農(nóng)村勞動(dòng)力向二、三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移步伐加快，一些地方出現(xiàn)了有效勞動(dòng)力供給不足，爭(zhēng)勞力、搶農(nóng)時(shí)的矛盾比較突出。一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)已開始推進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全程機(jī)械化，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)方式已發(fā)生根本性的改變，以適應(yīng)農(nóng)村城鎮(zhèn)化、工業(yè)化和現(xiàn)代化的新要求；隨著優(yōu)勢(shì)農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域布局的形成和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)帶、種植業(yè)大戶的興起，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營(yíng)、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、規(guī)模化作業(yè)和社會(huì)化服務(wù)水平的提高，將主要依靠農(nóng)機(jī)承擔(dān)農(nóng)業(yè)勞動(dòng)量。通過(guò)發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)械化，不僅使農(nóng)民有條件分享工業(yè)化、現(xiàn)代化帶來(lái)的成果，還促進(jìn)了農(nóng)業(yè)節(jié)本增效，增加農(nóng)民收入，帶動(dòng)相關(guān)農(nóng)機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展2。我國(guó)當(dāng)前農(nóng)機(jī)工業(yè)發(fā)展勢(shì)頭較好，但是也有很問(wèn)題急需解決，如目前農(nóng)業(yè)機(jī)械的高端產(chǎn)品研制生產(chǎn)仍然停滯不前，國(guó)內(nèi)制造企業(yè)雖有了較大進(jìn)步，但制造水平與產(chǎn)品開發(fā)能力仍然需要大幅提高。數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)將是解決農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備研制和生產(chǎn)問(wèn)題的主要途徑之一。1數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)概述“數(shù)字化”（DIGITAL）是指信息（計(jì)算機(jī)）領(lǐng)域的數(shù)字（二進(jìn)制）技術(shù)向人類生活各個(gè)領(lǐng)域全面推進(jìn)的過(guò)程?！皵?shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)”是指利用計(jì)算機(jī)軟硬件及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)全過(guò)程的一種技術(shù)，即在網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)輔助下通過(guò)產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，全面模擬產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、裝配、制造等過(guò)程。數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造不僅貫穿企業(yè)生產(chǎn)的全過(guò)程，而且涉及企業(yè)的設(shè)備布置、物流物料、生產(chǎn)計(jì)劃、成本分析等多個(gè)方面3。數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的應(yīng)用可以大大提高農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)能力、縮短產(chǎn)品研制周期、降低開發(fā)成本、實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)目標(biāo)和企業(yè)間的協(xié)作，使企業(yè)能在最短時(shí)間內(nèi)組織全球范圍的設(shè)計(jì)制造資源共同開發(fā)出新產(chǎn)品，大大提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)集成了現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造過(guò)程中的多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，包括三維建模、裝配分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成、產(chǎn)品信息管理、虛擬設(shè)計(jì)與制造、多媒體和網(wǎng)絡(luò)通訊等，是一項(xiàng)多學(xué)科的綜合技術(shù)。涉及的主要內(nèi)容有11CAD/CAE/CAPP/CAM/PDMCAD/CAE/CAPP/CAM分別是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工程、計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造的英文縮寫，它們是制造業(yè)信息化中數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的核心，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品開發(fā)的主要工具。PDM技術(shù)集成是管理與產(chǎn)品有關(guān)的信息、過(guò)程及人與組織，實(shí)現(xiàn)分布環(huán)境中的數(shù)據(jù)共享，為異構(gòu)計(jì)算機(jī)環(huán)境提供了集成應(yīng)用平臺(tái)，從而支持CAD/CAPP/CAM/CAE系統(tǒng)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)4。12異地、協(xié)同設(shè)計(jì)在因特網(wǎng)/企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)的環(huán)境中，進(jìn)行產(chǎn)品定義與建模、產(chǎn)品分析與設(shè)計(jì)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理及產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換等，異地、協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)環(huán)境下為多人、異地實(shí)施產(chǎn)品協(xié)同開發(fā)提供支持工具。13基于知識(shí)的設(shè)計(jì)將產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中需要用到的各類知識(shí)、資源和工具融到基于知識(shí)的設(shè)計(jì)（或CAD）系統(tǒng)之中，支持產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)的重要工具。設(shè)計(jì)知識(shí)包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、既有設(shè)計(jì)示例和設(shè)計(jì)手冊(cè)/設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)/設(shè)計(jì)規(guī)范等，設(shè)計(jì)資源包括材料、標(biāo)準(zhǔn)件、既有零部件和工藝裝備等資源。14虛擬設(shè)計(jì)、虛擬制造綜合利用建模、分析、仿真以及虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)和工具，在網(wǎng)絡(luò)支持下，采用群組協(xié)同工作，通過(guò)模型來(lái)模擬和預(yù)估產(chǎn)品功能、性能、可裝配性、可加工性等各方面可能存在的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造的本質(zhì)過(guò)程，包括產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗(yàn)，并進(jìn)行過(guò)程管理與控制等。15概念設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)概念設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)過(guò)程的早期階段，其目標(biāo)是獲得產(chǎn)品的基本形或形狀。廣義的概念設(shè)計(jì)應(yīng)包括從產(chǎn)品的需求分析到詳細(xì)設(shè)計(jì)之前的設(shè)計(jì)過(guò)程，如功能設(shè)計(jì)、原理設(shè)計(jì)、形狀設(shè)計(jì)、布局設(shè)計(jì)和初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。從工業(yè)設(shè)計(jì)角度看，概念設(shè)計(jì)是指在產(chǎn)品的功能和原理基本確定的情況下，產(chǎn)品外觀造型的設(shè)計(jì)過(guò)程，主要包括布局設(shè)計(jì)、形狀設(shè)計(jì)和人機(jī)工程設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)和工業(yè)設(shè)計(jì)以知識(shí)為核心，實(shí)現(xiàn)形態(tài)、色彩、宜人性等方面的設(shè)計(jì)，將計(jì)算機(jī)與設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造性思維、審美能力和綜合分析能力相結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的重要手段5。16綠色設(shè)計(jì)是面向環(huán)保的設(shè)計(jì)（DFE，DESIGNFORENVIRONMENT），包括支持資源和能源的優(yōu)化利用、污染的防止和處理、資源的回收再利用和廢棄物處理等諸多環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，是支持綠色產(chǎn)品開發(fā)、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品綠色制造，促進(jìn)企業(yè)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要工具。17并行設(shè)計(jì)以并行工程模式替代傳統(tǒng)的串行式產(chǎn)品開發(fā)模式，使得在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段就能很好地考慮后續(xù)活動(dòng)的需求，以提高產(chǎn)品開發(fā)的一次成功率。數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)中各組成部分作為獨(dú)立的系統(tǒng)，已在生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，不僅大大提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率，更新了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，降低了產(chǎn)品的成本，增強(qiáng)了企業(yè)及其產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力，還在企業(yè)新的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)管理體制建設(shè)中起到了很大作用。數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)已成為企業(yè)保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)、進(jìn)行企業(yè)間協(xié)作的重要手段6，7。2智能CAD技術(shù)與農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)21智能CAD技術(shù)隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，產(chǎn)品更新?lián)Q代越來(lái)越快，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期越來(lái)越短，現(xiàn)代CAD技術(shù)也在沿著信息集成過(guò)程集成企業(yè)集成的道路發(fā)展。傳統(tǒng)的CAD技術(shù)以計(jì)算為基礎(chǔ)，處理符號(hào)推理（方案設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)、決策、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等）工作很困難，在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)工作中符號(hào)推理有著舉足輕重的地位，因此必須引入人工智能方法，采用專家系統(tǒng)技術(shù)，發(fā)展智能CAD（INTELLIGENTCAD,ICAD）技術(shù)，以適應(yīng)創(chuàng)造性設(shè)計(jì)的要求。ICAD是一種由多個(gè)智能體（或稱專家系統(tǒng)）與多種CAD功能模塊有機(jī)集成的支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)的復(fù)雜系統(tǒng)8。ICAD技術(shù)主要研究3個(gè)方面問(wèn)題設(shè)計(jì)知識(shí)的表示與建模方法、知識(shí)利用和ICAD體系結(jié)構(gòu)。方案設(shè)計(jì)（或稱概念設(shè)計(jì)）與支持變型設(shè)計(jì)的裝配建模是ICAD技術(shù)中的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)9。在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中引入ICAD技術(shù)，可以解決農(nóng)業(yè)機(jī)械企業(yè)中重復(fù)性設(shè)計(jì)多、信息資源利用率低的難題，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。22農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的特點(diǎn)由于目前農(nóng)機(jī)企業(yè)普遍采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，在應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于航天、汽車等其他行業(yè)，農(nóng)機(jī)企業(yè)之間重復(fù)性設(shè)計(jì)多，企業(yè)信息資源利用率低，造成農(nóng)機(jī)產(chǎn)品型號(hào)雜、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，產(chǎn)品質(zhì)量提上不去，影響企業(yè)效益。農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)類型多、型號(hào)多。例如在播種機(jī)設(shè)計(jì)中，根據(jù)作物品種和農(nóng)藝特點(diǎn)劃分，有條播機(jī)、穴播機(jī)和精密播種機(jī)等；按工作原理又分為機(jī)械式播種機(jī)和氣力式播種機(jī)等；按作業(yè)幅寬和配套動(dòng)力又可分為單體播種機(jī)、2行、4行、6行、8行播種機(jī)等10。功能結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度較小。播種機(jī)一般由機(jī)架、地輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、排種單體、開溝器、施肥器、覆土器和鎮(zhèn)壓器等組成，不同型號(hào)的播種機(jī)采用的部件類型和結(jié)構(gòu)參數(shù)有區(qū)別，但產(chǎn)品功能基本相同。這種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性非常便于采用模塊化變型設(shè)計(jì)技術(shù)和參數(shù)設(shè)計(jì)技術(shù)。農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)受季節(jié)性影響大、研究開發(fā)周期長(zhǎng)，采用ICAD技術(shù)更能縮短產(chǎn)品研究開發(fā)周期，節(jié)約成本。23基于參數(shù)設(shè)計(jì)和裝配模型的智能設(shè)計(jì)框架從上述農(nóng)機(jī)企業(yè)特點(diǎn)可以看出，采用基于實(shí)例推理的模塊化參數(shù)設(shè)計(jì)和變量設(shè)計(jì)技術(shù)可以大大提高農(nóng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)水平，提高農(nóng)機(jī)產(chǎn)品和企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力?；趨?shù)設(shè)計(jì)和裝配模型的智能設(shè)計(jì)框架，為解決ICAD技術(shù)中存在的問(wèn)題提供一種新思路。裝配模型通過(guò)建立零部件之間的幾何模型及其裝配信息表達(dá)并維持設(shè)計(jì)意圖、產(chǎn)品原理和功能，是一種支持概念設(shè)計(jì)和變型設(shè)計(jì)的產(chǎn)品模型，而實(shí)例推理技術(shù)CBR以過(guò)去解決某類問(wèn)題的成熟方案為基礎(chǔ)來(lái)解決相似問(wèn)題提供了一種行之有效的方法，實(shí)例庫(kù)是組織已有技術(shù)的基礎(chǔ)11?；趨?shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)和裝配模型的智能設(shè)計(jì)框架的特點(diǎn)概念建模和變型設(shè)計(jì)方法密切相關(guān)；裝配模型是實(shí)例推理的基礎(chǔ)，CBR是智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心，裝配建模是在CBR運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)的，使裝配建模大量重用已有資源5。3數(shù)字化制造技術(shù)與農(nóng)業(yè)裝備制造上世紀(jì)40年代末數(shù)字計(jì)算機(jī)誕生，不久就被試用于控制加工機(jī)床的加工運(yùn)動(dòng)，這就是數(shù)字控制機(jī)床。歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平及擁有量已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家制造能力的重要標(biāo)志。目前在發(fā)達(dá)國(guó)家，數(shù)字化制造技術(shù)與產(chǎn)品已經(jīng)成為提高企業(yè)和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段。近半個(gè)世紀(jì)，特別是近三十年來(lái)，隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，信息技術(shù)與制造技術(shù)相融合，使制造日益走向數(shù)字化，制造技術(shù)發(fā)展日益加快。在發(fā)達(dá)國(guó)家的大型企業(yè)中，已實(shí)現(xiàn)無(wú)圖紙生產(chǎn)，廣泛使用CAD/CAM，實(shí)現(xiàn)100數(shù)字化設(shè)計(jì)。制造過(guò)程技術(shù)在快速成型、并