基于三維標(biāo)注及數(shù)控技術(shù)的農(nóng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)

趙宏平

蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215100

三維標(biāo)注技術(shù)也叫做MBD 工程化技術(shù)，在加工制造領(lǐng)域，三維標(biāo)注技術(shù)是三維設(shè)計(jì)模型的核心支撐技術(shù)，能夠提供三維設(shè)計(jì)模型所需要的的數(shù)據(jù)源。如今，隨著數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化設(shè)計(jì)在機(jī)械制造中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其結(jié)合三維標(biāo)注的設(shè)計(jì)手段，更是有效提高了機(jī)械設(shè)計(jì)的水平。但從國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用情況看，數(shù)控技術(shù)與三維標(biāo)注結(jié)合使用，主要集中在工程機(jī)械、礦山機(jī)械、環(huán)保機(jī)械等方面，而農(nóng)業(yè)機(jī)械很少涉及。目前我國(guó)的農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)采用二維圖紙較多，或者使用簡(jiǎn)單的三維數(shù)字模型，設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，設(shè)計(jì)制造的效率也較低[1]。Bortolini M 等調(diào)查了美國(guó)加州129 家農(nóng)機(jī)制造企業(yè)，發(fā)現(xiàn)只有13 家在設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合了三維標(biāo)注和數(shù)控技術(shù)，使用率只有10%，尚有很大的普及空間，由此提出在一種新型多功能干草農(nóng)業(yè)機(jī)械可持續(xù)設(shè)計(jì)中采用此方案，并給出生命周期評(píng)價(jià)和推廣建議[2]。Mamparambath AA 基于澳大利亞堪培拉地區(qū)的農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)制造現(xiàn)狀，以生產(chǎn)和銷售數(shù)據(jù)為衡量指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)采用三維標(biāo)注和數(shù)控技術(shù)設(shè)計(jì)方案的農(nóng)機(jī)制造企業(yè)，生產(chǎn)和銷售數(shù)據(jù)明顯優(yōu)于其它農(nóng)機(jī)制造企業(yè)，說(shuō)明該設(shè)計(jì)方案能夠加快高質(zhì)量的農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)，從而在農(nóng)機(jī)市場(chǎng)上搶占先機(jī)，并探討了三位一體農(nóng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用此方案的可行性[3]。而國(guó)內(nèi)關(guān)于這方面的研究尚處于空白地帶，本文參考國(guó)外相關(guān)研究的經(jīng)驗(yàn)做法，提出一種基于三維標(biāo)注及數(shù)控技術(shù)的農(nóng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)方案，旨在提高國(guó)內(nèi)農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)水平和效率，為國(guó)內(nèi)農(nóng)機(jī)制造業(yè)的發(fā)展提供借鑒。

1 農(nóng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)步驟

數(shù)字化設(shè)計(jì)在機(jī)械制造業(yè)的應(yīng)用日益廣泛，尤其隨著CAD 三維設(shè)計(jì)技術(shù)的成熟，給機(jī)械研發(fā)模式帶來(lái)了較大的變化。在農(nóng)機(jī)制造領(lǐng)域，越來(lái)越多地采用數(shù)字化設(shè)計(jì)方式，推動(dòng)了新型農(nóng)機(jī)的研發(fā)進(jìn)程。根據(jù)美國(guó)、澳大利亞等國(guó)的農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)展，CAD 三維設(shè)計(jì)融合了標(biāo)注方式，即三維標(biāo)注技術(shù)在農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)中得到了一定應(yīng)用。基于三維標(biāo)注技術(shù)的農(nóng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)步驟如下：（1）設(shè)計(jì)出2D 圖紙；（2）加入CAD 三維設(shè)計(jì)技術(shù)，構(gòu)建三維模型；（3）導(dǎo)入三維標(biāo)注系統(tǒng)，得到優(yōu)化后的三維模型。其中第三步需結(jié)合仿真技術(shù)，包括離線仿真與即時(shí)仿真，在優(yōu)化時(shí)要根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行。

2 農(nóng)機(jī)零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式

在傳統(tǒng)模式下，農(nóng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)主要采用一種階段性設(shè)計(jì)方式，即：概念設(shè)計(jì)—2D 圖紙?jiān)O(shè)計(jì)—相關(guān)模型設(shè)計(jì)—工藝設(shè)計(jì)。這種階段性設(shè)計(jì)思路一般采用序列號(hào)分段模式，參與設(shè)計(jì)的每一個(gè)部門(mén)根據(jù)要求按部就班工作，只考慮本身的工作需求，較少顧及其它部分的需求[4]。農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)若使用傳統(tǒng)方式，通常不會(huì)考慮到整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的生命周期，導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)較多的缺陷，而且會(huì)反復(fù)修改設(shè)計(jì)方案，延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期。傳統(tǒng)模式下的農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)屬于一種單向式的主體傳遞，各主體的相互聯(lián)系很少，且在2D 圖紙上容易忽略公差，設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品返工率較高，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程缺少統(tǒng)一化管理[5]。

2.2 以收割機(jī)擋板為例的優(yōu)化設(shè)計(jì)

農(nóng)機(jī)裝配通常較為復(fù)雜，尤其是一些大型農(nóng)機(jī)，如拖拉機(jī)、收割機(jī)等，涉及到很多零部件，如何對(duì)每一個(gè)零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之符合裝配要求，已成為農(nóng)機(jī)智能化生產(chǎn)的一大關(guān)鍵因素。本文以收割機(jī)擋板為例，詳細(xì)探討農(nóng)機(jī)零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在機(jī)械加工領(lǐng)域，零部件設(shè)計(jì)的2D 或3D 圖紙，需要標(biāo)注出公差才能加工。例如一塊切割機(jī)擋板，只是給出190 cm 的尺寸要求，通常難以加工出正確尺寸。但在實(shí)際中，設(shè)計(jì)師在零部件設(shè)計(jì)時(shí)，一般只是在圖紙中指出要按照GBT1804-2000 執(zhí)行，很少會(huì)標(biāo)注公差，這已成為一個(gè)不成文的規(guī)定?；蛘哂行┰O(shè)計(jì)師會(huì)在圖紙中給出一個(gè)統(tǒng)一的公差范圍，讓加工人員執(zhí)行，但不會(huì)詳細(xì)標(biāo)注。例如收割機(jī)擋板正確的2D 和3D 設(shè)計(jì)圖紙應(yīng)如圖2 所示。

圖1 收割機(jī)擋板正確的設(shè)計(jì)圖紙F(tuán)ig.1 Correct design drawing of harvester baffle

三維標(biāo)注系統(tǒng)則提供了自動(dòng)標(biāo)注公差的功能，即將圖紙數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，就會(huì)自動(dòng)計(jì)算出公差。此外，三維標(biāo)注系統(tǒng)還有一個(gè)非常重要的功能，就是能標(biāo)注出零部件各位置的距離。如圖2 所示，為測(cè)量出收割機(jī)擋板兩個(gè)外側(cè)孔之間的距離，三維標(biāo)注系統(tǒng)給出了測(cè)量條件選擇，起始點(diǎn)和終點(diǎn)都有三個(gè)選項(xiàng)：中心、最小、最大。即中心點(diǎn)距離、最小的內(nèi)側(cè)距離、最大的外側(cè)距離，由此對(duì)孔位置形成了精確的定位，如圖3 所示。三維標(biāo)注技術(shù)真正的意義在于得出機(jī)械加工所需要的裝配尺寸，使加工設(shè)計(jì)能夠符合既定的要求，而這一點(diǎn)在2D 工程圖上是比較難做到的。

圖2 兩孔距離測(cè)量Fig.2 Distance between two holes

圖3 兩孔位置精確定位Fig.3 Accurate location for two holes

圖4 協(xié)同設(shè)計(jì)功能Fig.4 Collaborative design function

從傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)的缺陷看，由于各參與的部門(mén)缺少交互，導(dǎo)致共同設(shè)計(jì)的理念缺失。而三維標(biāo)注系統(tǒng)還提供了協(xié)同設(shè)計(jì)功能，如圖4 所示。在該功能界面上，所有設(shè)計(jì)人員可以共同參與收割機(jī)零部件模型設(shè)計(jì)，并對(duì)裝配好的收割機(jī)模型進(jìn)行數(shù)控仿真。由于三維標(biāo)注系統(tǒng)內(nèi)置了運(yùn)動(dòng)算例功能，因此經(jīng)過(guò)數(shù)控仿真后的三維標(biāo)注模型，無(wú)論尺寸和造型都能達(dá)到預(yù)定的需求。在共同設(shè)計(jì)理念下，三維標(biāo)注與數(shù)控技術(shù)的結(jié)合，極大地減少了零部件裝配的返工次數(shù)，并且促進(jìn)了各部門(mén)的交流協(xié)作，使農(nóng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)形成更加精細(xì)化的管理。

2.3 優(yōu)化后的農(nóng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)驗(yàn)證

三維標(biāo)注技術(shù)體系可集成，通過(guò)三維標(biāo)注和數(shù)控技術(shù)，能夠使農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)制造變得更加智能化。通過(guò)三維標(biāo)注模型可以得到農(nóng)機(jī)零部件的幾何特征以及備注信息，包括具體尺寸、精細(xì)度、公差等。三維標(biāo)注模型庫(kù)通常采用管理樹(shù)的方式進(jìn)行管理，每一節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)三維標(biāo)注模型，方便設(shè)計(jì)階段不同時(shí)的數(shù)據(jù)使用，達(dá)到協(xié)同設(shè)計(jì)與智能化制造的目的。優(yōu)化后的農(nóng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)需要進(jìn)行驗(yàn)證，以收割機(jī)零部件設(shè)計(jì)為例，在優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，收割機(jī)的相關(guān)信息采用三維標(biāo)注模型管理樹(shù)方式進(jìn)行管理，收割機(jī)的不同零部件根據(jù)樹(shù)狀排列，然后進(jìn)行零部件的編號(hào)，每一個(gè)編號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)零部件的信息，最后進(jìn)行數(shù)控仿真和智能化加工。

3 結(jié)論

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化是我國(guó)新時(shí)期的一大戰(zhàn)略，而農(nóng)機(jī)智能化制造則是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一個(gè)重要組成部分。為提升農(nóng)機(jī)智能化制造的水平，本文提出一種基于三維標(biāo)注及數(shù)控技術(shù)的農(nóng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，提高了農(nóng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)效率，縮短了設(shè)計(jì)周期，同時(shí)在協(xié)同分析平臺(tái)的支持下，參與設(shè)計(jì)的各部門(mén)還能進(jìn)行互動(dòng)交流，及時(shí)提出修改意見(jiàn)，減少設(shè)計(jì)產(chǎn)品的返工次數(shù)。通過(guò)驗(yàn)證，以管理樹(shù)方式實(shí)現(xiàn)了精細(xì)管理，方便設(shè)計(jì)人員準(zhǔn)確獲取零部件信息，為數(shù)控仿真和智能化加工奠定基礎(chǔ)。