農(nóng)業(yè)機械智能化設(shè)計技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

駱啟敏

（巧家縣農(nóng)機安全監(jiān)理站，云南 巧家 654600）

1 農(nóng)業(yè)機械智能化設(shè)計技術(shù)發(fā)展

1.1 農(nóng)業(yè)機械的模塊化設(shè)計

模塊化設(shè)計指的是在分析產(chǎn)品功能性的條件下設(shè)計的一系列功能模塊，而這些模塊的結(jié)合則能夠組成各種類型的產(chǎn)品供客戶選擇。農(nóng)業(yè)機械通常較為復(fù)雜，并且模塊常常無法充分適應(yīng)，所以時常無法發(fā)揮模塊化設(shè)計的優(yōu)點。所以，對于農(nóng)業(yè)機械的模塊化設(shè)計需要針對模塊的劃分、優(yōu)化和評價幾個方面開展。

（1）模塊的劃分。如今常見的劃分手段有聚類式及啟發(fā)式等，啟發(fā)式結(jié)合工程適用背景來建立數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，利用相應(yīng)的算法來獲得模塊劃分的最優(yōu)解。聚類式通過矩陣和網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計來表現(xiàn)產(chǎn)品元素拓撲關(guān)系，同時根據(jù)聚類算法來計算其中零件的成組模塊區(qū)分，最主要的方式有兩點，一種是以DSM聚類作為基礎(chǔ)的模塊劃分方法，另一種則是以圖論作為基礎(chǔ)的模塊劃分方法。啟發(fā)式的劃分方法較為容易得出局部最優(yōu)解，而聚類法則較為復(fù)雜，一些較為復(fù)雜的產(chǎn)品則并不適用。結(jié)合模塊劃分標(biāo)準(zhǔn)可以將模塊劃分手段分成以產(chǎn)品功能性、結(jié)構(gòu)、生命周期三個層面的模塊劃分方法。

（2）模塊的優(yōu)化及評價。產(chǎn)品的模塊化劃分較為靈活，而模塊化方案的不同，模塊度也會存在一定差異。根據(jù)模塊的系統(tǒng)和屬性等層面來探討模塊化產(chǎn)品的優(yōu)化問題，找出影響產(chǎn)品優(yōu)化的因素，構(gòu)建系統(tǒng)成本結(jié)構(gòu)，重點改善系統(tǒng)的運作成本。而農(nóng)業(yè)機械中應(yīng)用模塊化設(shè)計則需要注意兩個層面的問題：其一，農(nóng)業(yè)機械組件和功能性一般會存在一定的異質(zhì)性，同時組件間的耦合強度普遍較高。所以，在實現(xiàn)模塊劃分過程中，需要重點關(guān)注其異質(zhì)性，對組件進行同質(zhì)化約簡。而且，因為農(nóng)業(yè)機械組件較為復(fù)雜，所以需要進一步考量產(chǎn)品生命周期的影響；其二，需要結(jié)合客戶的要求和設(shè)計知識支撐的系統(tǒng)模塊參數(shù)設(shè)計問題。模塊化的設(shè)計需要有一個較為完備的應(yīng)用體系，不但要做到模塊劃分，而且還要設(shè)計好模塊主參數(shù)。

1.2 計算機輔助建模

目前，CAD 計算機輔助系統(tǒng)用作建模中，主要有PTC Creo參數(shù)化建模技術(shù)等，在農(nóng)機產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計中有著普遍的應(yīng)用。一般的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)并不能有效地支撐幾何構(gòu)造歷史等設(shè)計理念的傳遞，而通過以歷史作為基礎(chǔ)的參數(shù)化建模手段則能夠利用宏命令來實現(xiàn)CAD 模型的交換。CAD 建模需要利用設(shè)計知識來實現(xiàn)智能化的設(shè)計，而設(shè)計知識與計算機建模的結(jié)合，則能夠進一步保證模型的適用性。CAD 模型的設(shè)計知識分為尺寸、標(biāo)準(zhǔn)、材料特征等幾個層面的隱性知識。以NIST CPM 作為基礎(chǔ)的面向并行工程的設(shè)計數(shù)據(jù)庫表示模型則將知識描述為三個層面，提出以知識為基礎(chǔ)的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)。這類系統(tǒng)通過運用KBE 技術(shù)把AGMA 標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合在了直齒圓柱齒輪的CAD 系統(tǒng)建模中?；赪eb 技術(shù)的CAD 建模系統(tǒng)則能夠更加快速地產(chǎn)生CAD 模型以及CNC 代碼，形成一種CAD 參數(shù)通用模型，利用嵌入式工程概念以及專家知識和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)編程與原型軟件包結(jié)合的方式來創(chuàng)建CDM 模型，實現(xiàn)產(chǎn)品的自動化開發(fā)。

1.3 虛擬仿真

（1）農(nóng)業(yè)機械中虛擬仿真技術(shù)的運用。結(jié)合生物技術(shù)及農(nóng)藝技術(shù)，是集結(jié)先進制造技術(shù)和智能控制技術(shù)以及新材料的先進手段。農(nóng)業(yè)機械仿真涉及到了農(nóng)業(yè)科學(xué)、機械學(xué)、控制學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域，目前仿真工具雖然能夠化解多數(shù)仿真問題，不過若想進一步滿足農(nóng)業(yè)機械較為繁雜且多物理耦合的要求則需要根據(jù)各個農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域的仿真進行分析。

（2）虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用。VR 技術(shù)的推廣也為農(nóng)業(yè)機械設(shè)計帶來了影響，針對一些結(jié)構(gòu)繁雜，設(shè)計起來難度較大的大型農(nóng)業(yè)機械來說，通過VR 技術(shù)能夠針對其外觀、功能性、結(jié)構(gòu)等完成建模，并通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)來實現(xiàn)虛擬作業(yè)，對產(chǎn)品的功能性以及設(shè)計方案進行評價，并實現(xiàn)人與農(nóng)業(yè)機械的靈活交互?，F(xiàn)階段，VR 技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械中的運用已經(jīng)成為了各界所廣泛關(guān)注的話題，而這一技術(shù)的應(yīng)用也有著顯著的成效，主要應(yīng)用于虛擬裝配以及虛擬試驗中。其一，虛擬裝配技術(shù)。和一般的裝配技術(shù)對比，虛擬裝配通過VA 能夠在沉浸式的條件下實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械的裝配，并在產(chǎn)品裝配的方向上來確定其可裝配性，并設(shè)計裝配方案。尤其是一些較為復(fù)雜的裝配工作，VA 技術(shù)擁有著顯著的優(yōu)勢。由于VA 技術(shù)的推廣，國內(nèi)外都針對虛擬裝配技術(shù)的裝配建模以及裝配流程設(shè)計等進行了深入的研究；其二，虛擬試驗。利用VR 技術(shù)完成農(nóng)業(yè)機械的虛擬試驗不但可以確定產(chǎn)品性能的預(yù)測，而且還可以為操作人員了解農(nóng)業(yè)機械提供條件。VR 技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械虛擬試驗中的應(yīng)用尚不夠成熟，而通過VR 技術(shù)開發(fā)的非道路車輛虛擬樣機系統(tǒng)則能夠完成模擬駕駛的目標(biāo)，通過這一手段可以還實現(xiàn)駕駛控制系統(tǒng)的評測。

2 農(nóng)機智能化設(shè)計技術(shù)發(fā)展趨勢的展望

2.1 農(nóng)機設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及互作機理

在當(dāng)前的發(fā)展形勢下，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展及糧食安全的需求逐漸提升，若想對其保障進行有效提高，就要在實際的農(nóng)機設(shè)計基礎(chǔ)上，對其中的設(shè)計數(shù)據(jù)不足、產(chǎn)品質(zhì)量不高等問題的原因進行細致的分析。

2.2 按照用戶需求進行個性化、定制化的農(nóng)機設(shè)計

根據(jù)用戶對農(nóng)機的實際需求特點，對用戶的需求采用大數(shù)據(jù)技術(shù)進行分析和總結(jié)，將農(nóng)機使用與用戶需求的根本聯(lián)系進行總結(jié)，對合理優(yōu)化的用戶需求模型進行建立，將用戶需求與產(chǎn)品設(shè)計制造之間的關(guān)系、轉(zhuǎn)化等進行深入的分析和整合，緊密結(jié)合用戶的需求來設(shè)計產(chǎn)品的功能與結(jié)構(gòu)，不斷提高農(nóng)機設(shè)計制造的效率與質(zhì)量，降低成本消耗，不斷提升經(jīng)濟效益和核心競爭力。

2.3 實現(xiàn)多領(lǐng)域協(xié)同仿真技術(shù)的發(fā)展方向

隨著當(dāng)前農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的不斷發(fā)展，精細化、信息化農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展與進步，精細農(nóng)業(yè)、信息農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對農(nóng)機的整體性能與質(zhì)量也提出了更高的要求，農(nóng)機的仿真技術(shù)也要不斷的進行轉(zhuǎn)型與優(yōu)化，要從單一的仿真理論及模式轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘞到y(tǒng)、全面的仿真理論模式。