1、農業機械數字化設計與制造技術的應用摘 要：隨著計算機輔助設計和制造技術（CAD/ CAM）的發展，尤其是三維數字化 CAD 的廣泛應用，為工業產品開發設計注入了新的活力。農業機械作為機械工業的一部分，存在設計制造手段傳統，技術創新能力較弱等問題，加速農機產品設計制造的數字化是解決農機裝備技術及質量的有力保障。關鍵詞：數字化技術；設計制造；農業機械Abstract:With the development of Computer Aided Design and Computer Aided Manufacture (CAD/CAM)，especially 3- Dimension digiti

2、zed CAD technology was used abundantly and it promoted the activities ofthe industry product design. As a part of machinery industry, in agriculture machinery there existed some problems such as old design method and weak create capability, to speed the digitization of agriculture machinery design a

3、nd manufacture could improve the quality and technology of its equipment.Key words:Digitized Design Technology;Digitized Manufacture Technology;Agriculture Machinery引 言隨著現代科學技術的進步和高效農業的發展，現代農業加速向“數字”農業和“精確”農業發展。數字農業的發展將逐步實現農業生產的精確化、遠程化、自動化和虛擬化，它將極大地解放農業生產力，改變農業作業模式，實現農業生產質的飛躍。數字農業是以現代信息技術和農業工程技術為支撐，

4、用數字化技術對農業所涉及的對象和全過程進行數字化和可視化表達、設計、控制、管理的現代農業高新技術體系，是一種全新的農業生產方式。數字農業將工業可控生產和計算機輔助設計的思想引入農業，把信息技術作為農業生產力的重要要素，參與到農業各個環節中，是今后我國實現農業信息化跨越發展的突破口1。與國外相比，我國農業機械化發展相對落后。農業勞動者創造的農業增加值，僅相當于美國、法國的1/10，加拿大、英國、澳大利亞、日本的 1/6。機械化生產程度較低，許多方面的機械化生產還是空白。當前，我國農業已開始由傳統農業向現代農業轉變，進入了建設現代農業的新階段。現代農業是以農機裝備為基礎的農業，農業機械化總體水平高

5、低是衡量一個國家農業現代化程度的重要標志。目前，我國農業機械化水平還不適應發展農業產業化和建設現代農業的要求。特別是農機化技術儲備、技術創新能力較弱，經濟作物生產機械化技術短缺，不能適應農業結構調整的客觀要求。我國的農業機械工業面臨著良好的發展機遇和嚴峻的挑戰。隨著農村產業結構調整和農村勞動力向二、三產業轉移步伐加快，一些地方出現了有效勞動力供給不足，爭勞力、搶農時的矛盾比較突出。一些經濟發達地區已開始推進農業生產全程機械化，傳統農業的生產方式已發生根本性的改變，以適應農村城鎮化、工業化和現代化的新要求；隨著優勢農產品區域布局的形成和農業產業帶、種植業大戶的興起，農業產業化經營、標準化生產、規

6、模化作業和社會化服務水平的提高，將主要依靠農機承擔農業勞動量。通過發展農業機械化，不僅使農民有條件分享工業化、現代化帶來的成果，還促進了農業節本增效，增加農民收入，帶動相關農機產業的發展2。我國當前農機工業發展勢頭較好，但是也有很問題急需解決，如目前農業機械的高端產品研制生產仍然停滯不前，國內制造企業雖有了較大進步，但制造水平與產品開發能力仍然需要大幅提高。數字化設計制造技術將是解決農業機械裝備研制和生產問題的主要途徑之一。1 數字化設計制造技術概述“數字化”（Digital）是指信息（計算機）領域的數字（二進制）技術向人類生活各個領域全面推進的過程。“數字化設計與制造技術”是指利用計算機軟硬

7、件及網絡環境，實現產品開發全過程的一種技術，即在網絡和計算機輔助下通過產品數據模型，全面模擬產品的設計、分析、裝配、制造等過程。數字化設計與制造不僅貫穿企業生產的全過程，而且涉及企業的設備布置、物流物料、生產計劃、成本分析等多個方面3。數字化設計與制造技術的應用可以大大提高農業機械產品開發能力、縮短產品研制周期、降低開發成本、實現最佳設計目標和企業間的協作，使企業能在最短時間內組織全球范圍的設計制造資源共同開發出新產品，大大提高企業的競爭能力。數字化設計與制造技術集成了現代設計制造過程中的多項先進技術，包括三維建模、裝配分析、優化設計、系統集成、產品信息管理、虛擬設計與制造、多媒體和網絡通訊等

8、，是一項多學科的綜合技術。涉及的主要內容有：1.1 CAD/CAE/CAPP/CAM/PDMCAD/CAE/CAPP/CAM 分別是計算機輔助設計、計算機輔助工程、計算機輔助工藝過程設計和計算機輔助制造的英文縮寫，它們是制造業信息化中數字化設計與制造技術的核心，是實現計算機輔助產品開發的主要工具。PDM技術集成是管理與產品有關的信息、過程及人與組織，實現分布環境中的數據共享，為異構計算機環境提供了集成應用平臺，從而支持 CAD/CAPP/CAM/CAE 系統過程的實現4。1.2 異地、協同設計在因特網 / 企業內部網的環境中，進行產品定義與建模、產品分析與設計、產品數據管理及產品數據交換等，異

9、地、協同設計系統在網絡設計環境下為多人、異地實施產品協同開發提供支持工具。1.3 基于知識的設計將產品設計過程中需要用到的各類知識、資源和工具融到基于知識的設計（或 CAD）系統之中，支持產品的設計過程，是實現產品創新開發的重要工具。設計知識包括產品設計原理、設計經驗、既有設計示例和設計手冊 / 設計標準 / 設計規范等，設計資源包括材料、標準件、既有零部件和工藝裝備等資源。1.4 虛擬設計、虛擬制造綜合利用建模、分析、仿真以及虛擬現實等技術和工具，在網絡支持下，采用群組協同工作，通過模型來模擬和預估產品功能、性能、可裝配性、可加工性等各方面可能存在的問題，實現產品設計、制造的本質過程，包括產

10、品的設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、質量檢驗，并進行過程管理與控制等。1.5 概念設計、工業設計概念設計是設計過程的早期階段，其目標是獲得產品的基本形或形狀。廣義的概念設計應包括從產品的需求分析到詳細設計之前的設計過程，如功能設計、原理設計、形狀設計、布局設計和初步的結構設計。從工業設計角度看，概念設計是指在產品的功能和原理基本確定的情況下，產品外觀造型的設計過程，主要包括布局設計、形狀設計和人機工程設計。計算機輔助概念設計和工業設計以知識為核心，實現形態、色彩、宜人性等方面的設計，將計算機與設計人員的創造性思維、審美能力和綜合分析能力相結合，是實現產品創新的重要手段5。1.6 綠色設計是

11、面向環保的設計 （DFE，Design for Environment），包括支持資源和能源的優化利用、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節的設計，是支持綠色產品開發、實現產品綠色制造，促進企業和社會可持續發展的重要工具。1.7 并行設計以并行工程模式替代傳統的串行式產品開發模式，使得在產品開發的早期階段就能很好地考慮后續活動的需求，以提高產品開發的一次成功率。數字化設計與制造技術中各組成部分作為獨立的系統，已在生產中得到了廣泛的應用，不僅大大提高了產品設計的效率，更新了傳統的設計思想，降低了產品的成本，增強了企業及其產品在市場上的競爭力，還在企業新的設計和生產技術管理體制

12、建設中起到了很大作用。數字化設計與制造技術已成為企業保持競爭優勢，實現產品創新開發、進行企業間協作的重要手段6，7。2 智能 CAD 技術與農機產品設計2.1 智能CAD 技術隨著工業技術的發展和激烈的市場競爭，產品更新換代越來越快，產品的設計周期越來越短，現代CAD 技術也在沿著信息集成過程集成企業集成的道路發展。傳統的 CAD 技術以計算為基礎，處理符號推理（方案設計、評價、決策、結構設計等）工作很困難，在農業機械設計工作中符號推理有著舉足輕重的地位，因此必須引入人工智能方法，采用專家系統技術，發展智能 CAD（Intelligent CAD, ICAD）技術，以適應創造性設計的要求。IC

13、AD 是一種由多個智能體（或稱專家系統）與多種 CAD 功能模塊有機集成的支持產品設計的復雜系統8。ICAD 技術主要研究 3 個方面問題：設計知識的表示與建模方法、知識利用和 ICAD 體系結構。方案設計（或稱概念設計）與支持變型設計的裝配建模是ICAD 技術中的兩個重要環節9。在農業機械設計中引入 ICAD 技術，可以解決農業機械企業中重復性設計多、信息資源利用率低的難題，縮短產品開發周期，具有巨大的經濟效益和應用前景。2.2 農業機械設計領域的特點由于目前農機企業普遍采用傳統設計方法，在應用現代設計方法上遠遠落后于航天、汽車等其他行業，農機企業之間重復性設計多，企業信息資源利用率低，造成

14、農機產品型號雜、產品標準化程度較低，產品質量提上不去，影響企業效益。農業機械設計領域的特點：結構類型多、型號多。例如在播種機設計中，根據作物品種和農藝特點劃分，有條播機、穴播機和精密播種機等；按工作原理又分為機械式播種機和氣力式播種機等；按作業幅寬和配套動力又可分為單體播種機、2 行、4 行、6 行、8 行播種機等10。功能結構比較穩定、結構復雜程度較小。播種機一般由機架、地輪、傳動系統、排種單體、開溝器、施肥器、覆土器和鎮壓器等組成，不同型號的播種機采用的部件類型和結構參數有區別，但產品功能基本相同。這種結構穩定性非常便于采用模塊化變型設計技術和參數設計技術。農業機械試驗受季節性影響大、研究

15、開發周期長，采用 ICAD 技術更能縮短產品研究開發周期，節約成本。2.3 基于參數設計和裝配模型的智能設計框架從上述農機企業特點可以看出，采用基于實例推理的模塊化參數設計和變量設計技術可以大大提高農產品設計效率和設計水平，提高農機產品和企業的競爭力。基于參數設計和裝配模型的智能設計框架，為解決 ICAD 技術中存在的問題提供一種新思路。裝配模型通過建立零部件之間的幾何模型及其裝配信息表達并維持設計意圖、產品原理和功能，是一種支持概念設計和變型設計的產品模型，而實例推理技術(CBR)以過去解決某類問題的成熟方案為基礎來解決相似問題提供了一種行之有效的方法，實例庫是組織已有技術的基礎11。基于參

16、數化設計技術和裝配模型的智能設計框架的特點：概念建模和變型設計方法密切相關；裝配模型是實例推理的基礎，CBR 是智能設計系統的核心，裝配建模是在 CBR 運行中實現的，使裝配建模大量重用已有資源5。3 數字化制造技術與農業裝備制造上世紀 40 年代末數字計算機誕生，不久就被試用于控制加工機床的加工運動，這就是數字控制機床。歷經半個世紀的發展和應用，數控機床技術水平及擁有量已經成為一個國家制造能力的重要標志。目前在發達國家，數字化制造技術與產品已經成為提高企業和產品競爭力的重要手段。近半個世紀，特別是近三十年來，隨著信息技術的迅速發展，信息技術與制造技術相融合，使制造日益走向數字化，制造技術發展日益加快。在發達國家的大型企業中，已實現無圖紙生產，廣泛使用 CAD/CAM，實現100% 數字化設計。制造過程技術在快速成型、