CAD技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘 要 在信息化時(shí)代背景下，農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作環(huán)境更為復(fù)雜，其使用會(huì)受到農(nóng)作物和土壤等多方面因素的影響。將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械工程設(shè)計(jì)中可以降低設(shè)計(jì)難度、提高產(chǎn)品質(zhì)量。以機(jī)械制圖和CAD技術(shù)為切入點(diǎn)，分析農(nóng)業(yè)機(jī)械工程設(shè)計(jì)的特征，并以拖拉機(jī)液壓懸掛裝置為例，闡述CAD在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)踐，對(duì)CAD技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提出相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞 農(nóng)業(yè)機(jī)械;計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì);機(jī)械工程設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：S220.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.36.055

信息化的發(fā)展給農(nóng)業(yè)機(jī)械化提供巨大的發(fā)展空間，農(nóng)業(yè)機(jī)械在促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中具有非常重要的意義。農(nóng)業(yè)機(jī)械正在面對(duì)非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械已經(jīng)無(wú)法滿足時(shí)代需求，必須向自動(dòng)化、高質(zhì)量方面發(fā)展，傳統(tǒng)手工制圖存在精度差、制圖速度慢等問(wèn)題，因此利用計(jì)算機(jī)作為載體，以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）技術(shù)為基礎(chǔ)，合理設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)機(jī)械工程，具有非常重要的意義?；诖?，分析CAD技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中實(shí)際應(yīng)用，為后續(xù)研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 機(jī)械制圖和CAD技術(shù)

1.1 機(jī)械制圖

機(jī)械制圖是以圖樣作為核心，將機(jī)械工作原理、技術(shù)要求、結(jié)構(gòu)尺寸等內(nèi)容完全呈現(xiàn)出來(lái)，而將整個(gè)機(jī)械圖紙作為機(jī)械制圖重要組成部分，盡可能展現(xiàn)制造要求與設(shè)計(jì)要求。想要設(shè)計(jì)出真正符合設(shè)計(jì)要求的機(jī)械制圖，要滿足以下2個(gè)方面的內(nèi)容。1）嚴(yán)格按照我國(guó)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)對(duì)于機(jī)械圖樣有著非常嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，如尺寸標(biāo)注、比例、標(biāo)題欄及圖紙幅面等都需要明確標(biāo)注，只有嚴(yán)格按照規(guī)定進(jìn)行實(shí)施，才能讓整個(gè)圖樣具有可讀性與實(shí)用性，減少制造環(huán)節(jié)的意見(jiàn)。2）嚴(yán)格實(shí)行三視圖與正投影法標(biāo)準(zhǔn)。正投影法是了解圖樣形態(tài)的重要途徑，而三視圖則是作為機(jī)械設(shè)計(jì)制圖技術(shù)的基礎(chǔ)，合理利用正投影法能完整呈現(xiàn)出物體最真實(shí)比例與形狀。俯視圖、左視圖、主視圖是將立體物品通過(guò)3個(gè)方向來(lái)繪制，將物體的實(shí)際尺寸與結(jié)構(gòu)完整表達(dá)出來(lái)。

1.2 CAD技術(shù)

CAD技術(shù)能夠讓機(jī)械設(shè)計(jì)徹底突破傳統(tǒng)畫圖限制，讓設(shè)計(jì)人員能深入了解機(jī)械設(shè)計(jì)所表達(dá)的結(jié)構(gòu)和意圖。通過(guò)專業(yè)的CAD繪圖軟件，能確保部件庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)、常用件庫(kù)等儲(chǔ)存大量數(shù)據(jù)資源并完成計(jì)算工作，給工程設(shè)計(jì)和制圖工作帶來(lái)極大助力?？梢钥闯?，CAD技術(shù)可應(yīng)用于設(shè)計(jì)以下2個(gè)方面。1）豐富符號(hào)庫(kù)與圖形。在往常機(jī)械設(shè)計(jì)中，通常會(huì)用到圖形符合，而CAD繪圖軟件則是利用多種標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，并且在工程設(shè)計(jì)為機(jī)械設(shè)計(jì)提供豐富的圖形與符號(hào)，從而組成自制件庫(kù)。通過(guò)不斷組合圖形符號(hào)，能采用搭積木的方式構(gòu)建詳細(xì)的工程設(shè)計(jì)圖樣。2）提高制圖效率與質(zhì)量。制圖是以設(shè)計(jì)者靈活思維為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出專業(yè)的圖紙，是整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的元素，而在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常使用紙作為載體，無(wú)論是設(shè)計(jì)改型還是其他方面的設(shè)計(jì)，都需要專業(yè)人員一筆一劃進(jìn)行，會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間，繪圖效率較低。而CAD軟件內(nèi)含有多樣化資源庫(kù)，庫(kù)內(nèi)存在大量應(yīng)用模板，能提高制圖工作效率與科學(xué)性。在面對(duì)更改設(shè)計(jì)方案工作任務(wù)，可利用原有圖樣，對(duì)圖樣進(jìn)行科學(xué)修改，從而提高新型改良機(jī)械效率。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)械工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 農(nóng)業(yè)機(jī)械種類繁多

農(nóng)業(yè)機(jī)械種類繁多，大概有20種，所涉及的范圍非常廣泛，按照使用價(jià)值不同，可分為以下3個(gè)方面：1）農(nóng)業(yè)動(dòng)力機(jī)械，如農(nóng)田基建機(jī)械、拖拉機(jī)等;2）家禽機(jī)械，如飼料加工機(jī)械、牧草收割機(jī)械;3）農(nóng)田作業(yè)機(jī)械，如水稻種植機(jī)械、播種機(jī)械、耕地機(jī)械等。以播種機(jī)械為例，可將其分為小區(qū)播種機(jī)、精密播種機(jī)、鋪膜播種機(jī)、谷物條播種機(jī)等[1]。

2.2 涉及機(jī)械工程設(shè)計(jì)所有子系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)機(jī)械內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，其涉及范圍較廣，如農(nóng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。以農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)為例，其是將動(dòng)力系統(tǒng)安裝在農(nóng)機(jī)結(jié)構(gòu)上，從而構(gòu)成高效拖拉機(jī)農(nóng)機(jī)作業(yè)機(jī)組，此系統(tǒng)具有動(dòng)力輸出軸、牽引和拖掛裝置、液壓懸掛裝置等;液壓懸掛裝置則是由液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、懸掛裝置等構(gòu)成。因此，想要設(shè)計(jì)出高質(zhì)量農(nóng)業(yè)機(jī)械，必須要擁有很強(qiáng)的專業(yè)能力及豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[2]。

3 拖拉機(jī)液壓懸掛裝置CAD工程設(shè)計(jì)實(shí)踐

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

在農(nóng)業(yè)機(jī)械工程設(shè)計(jì)時(shí)，先要研究農(nóng)機(jī)各方面數(shù)據(jù)信息，再合理運(yùn)用信息數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)載體，從備選方案中選擇一套效率最高的方案，以滿足現(xiàn)代農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)所有需求。在正常設(shè)計(jì)過(guò)程中，若無(wú)特殊情況，要嚴(yán)格按照機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，最后得到機(jī)械設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。雖然傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)具有合理的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，但設(shè)計(jì)應(yīng)用范圍較窄，只能應(yīng)用于一些老式農(nóng)機(jī)中，無(wú)法滿足現(xiàn)代一些新型農(nóng)機(jī)應(yīng)用。而CAD技術(shù)是在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，利用多方面優(yōu)化技術(shù)擴(kuò)大農(nóng)機(jī)應(yīng)用范圍、增加農(nóng)機(jī)種類，同時(shí)給農(nóng)機(jī)工程設(shè)計(jì)提供各種數(shù)據(jù)信息支持。只需要使用計(jì)算機(jī)就能及時(shí)找到機(jī)器所需要的所有零件，再按照機(jī)器指令點(diǎn)擊相對(duì)命令，顯示屏上就會(huì)出現(xiàn)操作的詳細(xì)說(shuō)明[3]。

3.2 綠色設(shè)計(jì)

綠色設(shè)計(jì)可提高產(chǎn)品質(zhì)量和延長(zhǎng)產(chǎn)品生命周期，想要確保機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量和水平，設(shè)計(jì)人員就必須在設(shè)計(jì)前研究產(chǎn)品環(huán)境，從而嚴(yán)格控制產(chǎn)品環(huán)節(jié)，讓其在滿足我國(guó)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)減少設(shè)備運(yùn)行能源消耗。除此之外，在設(shè)計(jì)過(guò)程時(shí)要嚴(yán)格控制環(huán)境指標(biāo)，使用最先進(jìn)、最科學(xué)的方式挑選產(chǎn)品原料，能有效降低能源消耗，防止在綠色設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)任何其他不良反應(yīng)。在整個(gè)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)材料實(shí)施循環(huán)利用或通過(guò)拆卸方式來(lái)實(shí)現(xiàn)材料重復(fù)利用，從而達(dá)到提高效率、節(jié)約能源的目的。例如，雷沃農(nóng)機(jī)工程生產(chǎn)企業(yè)以綠色理念作為基礎(chǔ)，CAD軟件本身就具備一定的成本控制能力，能引導(dǎo)用戶在最短時(shí)間內(nèi)熟練掌握軟件的設(shè)計(jì)方法。而評(píng)價(jià)決策系統(tǒng)作為整個(gè)CAD技術(shù)中的首要位置，通常應(yīng)用于模擬活動(dòng)后，后構(gòu)建農(nóng)業(yè)機(jī)械提供豐富資源與數(shù)據(jù)，提高元受力控制力和優(yōu)化系數(shù)，提高機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低設(shè)計(jì)成本，生產(chǎn)最具有較高穩(wěn)定性、可靠性的產(chǎn)品[4]。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)如今，我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械種類趨向于多樣化，結(jié)構(gòu)形式同樣非常復(fù)雜，要利用全方位控制系統(tǒng)，來(lái)提高農(nóng)機(jī)運(yùn)行的準(zhǔn)確度。農(nóng)機(jī)機(jī)械則是由傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)等部分構(gòu)成[5]。再以CAD技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)影響農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)量?jī)?nèi)外因素實(shí)施針對(duì)性研究，分析出影響因素與問(wèn)題之間必然聯(lián)系，再利用科學(xué)的CAD模型完成解答任務(wù)。除此之外，工作人員還要構(gòu)建健全的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和外觀進(jìn)行公平、公正的評(píng)價(jià)，合理規(guī)范系統(tǒng)設(shè)計(jì)。基礎(chǔ)的CAD三維實(shí)體模型設(shè)計(jì)中具有6種形狀，即三角形、方形、球形、柱形、錐形及棱臺(tái)等。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要將數(shù)據(jù)參數(shù)化，同時(shí)進(jìn)行模擬仿真，讓整個(gè)設(shè)計(jì)方案具有穩(wěn)定性與可靠性。除此之外，CAD技術(shù)將設(shè)計(jì)中的建模技術(shù)與軟、硬件技術(shù)有效結(jié)合，是我國(guó)目前技術(shù)的重要體現(xiàn)[6]。

3.4 拖拉機(jī)懸掛裝置組成圖——方案設(shè)計(jì)

機(jī)械設(shè)計(jì)是使用三點(diǎn)懸掛法完成整個(gè)設(shè)計(jì)動(dòng)作，而履帶式拖拉機(jī)要比機(jī)械設(shè)計(jì)少一點(diǎn)，采用兩點(diǎn)懸掛的方式。拖拉機(jī)各裝置下拉桿提高農(nóng)具牽引力與傳遞力;上拉桿控制農(nóng)具縱向作用力;提升臂帶動(dòng)下拉桿上升與，而下降是受到農(nóng)具重力控制;提升桿控制傳遞力，應(yīng)用于提高牽引力（如圖1所示）。

3.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以原理圖為基礎(chǔ)，同時(shí)添加了定尺寸、構(gòu)形、定材料等元素，讓材料、功能面、聯(lián)接都具有變形功能。此外，在整個(gè)拖拉機(jī)液壓懸掛裝置設(shè)計(jì)中，拖拉機(jī)相關(guān)與后置三點(diǎn)懸掛裝置尺寸，下懸掛點(diǎn)到拖拉機(jī)中心平面的橫向距離與橫向擺動(dòng)量，下拉桿水動(dòng)力輸出末端到下懸掛點(diǎn)的距離等數(shù)據(jù)規(guī)范;提高水平調(diào)節(jié)、高度、行程范圍，如水平調(diào)節(jié)范圍、運(yùn)輸高度、立柱調(diào)節(jié)范圍等參數(shù)。

4 CAD輔助繪圖與分析

4.1 三維立體設(shè)計(jì)

在必要情況下，設(shè)計(jì)人員可進(jìn)行三維模型繪制，三維模型繪制可用于計(jì)算機(jī)模擬裝配，便于設(shè)計(jì)人員可及時(shí)探測(cè)到設(shè)計(jì)問(wèn)題，在第一時(shí)間提出能解決的方案，降低企業(yè)將要承受的經(jīng)濟(jì)損失。三維模型繪制分層包含：三維零件模擬裝配、三維零件設(shè)計(jì)、三維模擬裝配、三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)等。

4.2 計(jì)算機(jī)輔助有限元分析

要進(jìn)一步分析農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)內(nèi)容，嚴(yán)格按照內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)施，合理應(yīng)用剛度矩陣，來(lái)處理邊界要素，對(duì)農(nóng)機(jī)機(jī)架、接頭采用建模措施，充分利用位移函數(shù)與剛度矩陣對(duì)一些承力部件同樣利用有限元進(jìn)行深入研究。由于邊界條件不同，所運(yùn)用的處理方式會(huì)出現(xiàn)較大差異，所造成的有限元方程所求解值帶來(lái)一定影響，會(huì)給工程設(shè)計(jì)中帶來(lái)標(biāo)準(zhǔn)要求，規(guī)定必須要對(duì)一致邊界條件進(jìn)行專業(yè)處理，從而形成邊界條件處理規(guī)范。

5 CAD技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用建議

5.1 加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)件、通用件的使用

農(nóng)業(yè)機(jī)械的組裝通常是采用通用件與標(biāo)準(zhǔn)件兩種零件，同時(shí)要嚴(yán)格按照我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，而連接部件主要功能是連接這兩種零件之間的距離，確保農(nóng)業(yè)機(jī)械組織的靈活性與適應(yīng)性，其具有成本價(jià)格低廉、制造質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，如果使用其他自制件，會(huì)引發(fā)一系列問(wèn)題，如接口適用性差、加工周期長(zhǎng)等問(wèn)題，很難確保農(nóng)業(yè)機(jī)械的質(zhì)量。

5.2 關(guān)注性能成本設(shè)計(jì)要素

農(nóng)業(yè)機(jī)械要求性價(jià)比高、性能強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要提高農(nóng)機(jī)性能與安全余量評(píng)估的重視程度，避免出現(xiàn)功能性能過(guò)剩情況，從而帶來(lái)使用成本浪費(fèi)情況。成本控制作為農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，它主要體現(xiàn)在保養(yǎng)維護(hù)、制作工藝、材料選擇等方面，合理控制設(shè)計(jì)成本，是設(shè)計(jì)者能力與知識(shí)的體現(xiàn)。

6 結(jié)語(yǔ)

在農(nóng)業(yè)科技飛速發(fā)展的今天，CAD軟件設(shè)計(jì)在整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)中發(fā)揮著極其重要的作用，并逐漸普及在農(nóng)業(yè)機(jī)械工程設(shè)計(jì)中，給機(jī)械設(shè)計(jì)提供豐富的資源數(shù)據(jù)與專業(yè)模板。進(jìn)一步探索CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)的實(shí)踐應(yīng)用，充分借助CAD技術(shù)，提高產(chǎn)品功能性，降低生產(chǎn)成本，促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的進(jìn)程。

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收稿日期：2021-11-15

作者簡(jiǎn)介：劉磊（1974—），男，山東濟(jì)寧人，大專，工程師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械等。E-mail：15054717166@139.com。